申忠鑫

【摘 要】文章結(jié)合筆者的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，主要針對(duì)家用空調(diào)的電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)地總結(jié)與分析，以僅參考。

【關(guān)鍵詞】家用空調(diào)電控系統(tǒng)；遙控器；室外機(jī)；變頻空調(diào)

引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生活水平的提高，空調(diào)在我國(guó)的普及率正在迅速提高，其用電量在以驚人的速度增長(zhǎng)，空調(diào)用電直接影響國(guó)家能源安全戰(zhàn)略和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。家用空調(diào)分室外機(jī)跟室內(nèi)機(jī)，而空調(diào)的電控系統(tǒng)是整個(gè)空調(diào)的核心和大腦。本文主要對(duì)定頻電控的硬件和元器件進(jìn)行了探討，同時(shí)對(duì)變頻空調(diào)電控原理進(jìn)行淺析。

1 定頻家用空調(diào)的電控設(shè)計(jì)

空調(diào)控制器的主要作用是通過(guò)采集一些輸入信息，經(jīng)過(guò)MCU的分析和處理，根據(jù)結(jié)合電控功能規(guī)格書(shū)的要求控制相應(yīng)負(fù)載工作。

1.1 硬件電路設(shè)計(jì)

① 電源電路：一般家用空調(diào)的電源主要有兩路：+5V和+12V。+5V主要為芯片提供電源，+12V則主要是提供給繼電器、步進(jìn)電機(jī)、蜂鳴器等。電源通常采用變壓器變壓→橋式整流→電容濾波→穩(wěn)壓管（7805和7812），最后分別輸出+5V和+12V。

② 芯片外圍電路：主要包括時(shí)鐘電路和復(fù)位電路。時(shí)鐘電路主要是利用晶振或陶瓷諧振器產(chǎn)生時(shí)鐘供給芯片；復(fù)位電路則主要通過(guò)芯片7042或分壓型電路，保證在上電時(shí)控制器能可靠復(fù)位。

③ 采樣電路：主要有溫度采樣和電流采樣。采樣電路主要是通過(guò)電阻分壓，MCU采樣電壓信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

④ 功率驅(qū)動(dòng)電路：一般采用ULN2003或三極管來(lái)實(shí)現(xiàn)功率放大，驅(qū)動(dòng)繼電器、蜂鳴器步進(jìn)電機(jī)等負(fù)載。

⑤ 負(fù)載強(qiáng)電電路：壓縮機(jī)、四通閥、內(nèi)外風(fēng)機(jī)、電輔熱、殺菌等都是通過(guò)驅(qū)動(dòng)繼電器的關(guān)斷來(lái)控制220V電壓輸入，室內(nèi)風(fēng)機(jī)根據(jù)不同的設(shè)計(jì)要求，也有用可控硅控制220V電壓輸入。

⑥ 通訊電路：定頻家用空調(diào)一般都是用電流環(huán)通訊，電路簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)成本低。

1.2 元件設(shè)計(jì)

①主芯片MCU：主要作用是采集環(huán)境信息和輸入信息，根據(jù)功能要求實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制。

②復(fù)位芯片7042：當(dāng)該芯片的輸入電壓低于4.2V時(shí)，產(chǎn)生低電平信號(hào)，觸發(fā)芯片復(fù)位。主要作用是保證當(dāng)控制器電源部分受到強(qiáng)烈干擾時(shí)，使主芯片能可靠復(fù)位。

③晶振和陶瓷諧振器：為主芯片提供時(shí)鐘信號(hào)，該信號(hào)的穩(wěn)定性將直接決定芯片工作的穩(wěn)定性。

④變壓器：將市電220V轉(zhuǎn)化為低壓交流，然后通過(guò)整流和穩(wěn)壓為控制器提供低壓直流電源。

⑤穩(wěn)壓管7805和7812：由于220V電源的波動(dòng)很大，變壓器輸入的電壓經(jīng)過(guò)整流后，穩(wěn)壓管可以起到穩(wěn)定直流電壓的作用。

⑥繼電器：通過(guò)繼電器實(shí)現(xiàn)+12V對(duì)220V強(qiáng)電電器件的控制。

1.3 工藝設(shè)計(jì)

目前定頻家用空調(diào)電路設(shè)計(jì)都已經(jīng)相當(dāng)成熟，工藝控制體現(xiàn)在電路設(shè)計(jì)上主要有以下幾方面：

①降額設(shè)計(jì)：在選擇器件的規(guī)格時(shí)，器件的額定容量一般都比實(shí)際運(yùn)行條件大一倍左右，這樣可以提高元器件工作的壽命，但同時(shí)會(huì)帶來(lái)成本的增加，所以二者要選擇適當(dāng)?shù)钠胶恻c(diǎn)。

②改善控制器工作的環(huán)境：在惡劣的環(huán)境下，元器件出現(xiàn)損壞的概率會(huì)大大提高。一般空調(diào)控制器都是密封的，散熱不好，所以在設(shè)計(jì)時(shí)要盡可能地降低元器件的發(fā)熱，例如選擇變壓器時(shí)容量選擇偏大一點(diǎn)，部分功率電阻的功率適當(dāng)選大一點(diǎn)，穩(wěn)壓管配大點(diǎn)的散熱片。

③電路保護(hù)：對(duì)于傳感器、風(fēng)機(jī)反饋等電路，由于輸入端受到外界干擾時(shí)可能會(huì)帶來(lái)電位的上升，所以在設(shè)計(jì)電路時(shí)，一般增加嵌位二極管，防止由于干擾導(dǎo)致弱電元器件被損壞。另外，對(duì)于部分采用三極管驅(qū)動(dòng)繼電器的電路，在繼電器的控制端要增加續(xù)流二極管。

2 遙控器設(shè)計(jì)

空調(diào)遙控器系統(tǒng)可分為：集成電路IC（MCU）、芯片外圍電路、液晶顯示電路鍵盤(pán)、背光功能電路、隨身感測(cè)溫電路和紅外發(fā)射電路。

①芯片外圍電路。包括RC復(fù)位電路和時(shí)鐘電路，首次裝上電池、剛接通電源或按下復(fù)位鍵后，遙控器進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。時(shí)鐘電路主要通過(guò)晶振和陶振兩個(gè)高低頻振蕩器給芯片提供時(shí)鐘脈沖信號(hào)，在待機(jī)狀態(tài)時(shí)僅有低頻振蕩器工作，以完成計(jì)時(shí)及液晶驅(qū)動(dòng)等低速的操作，當(dāng)芯片讀到有效按鍵時(shí)，啟動(dòng)高速振蕩器，利用其輸出的高頻信號(hào)產(chǎn)生的輸出以驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射電路，在紅外發(fā)射結(jié)束時(shí)將系統(tǒng)時(shí)鐘重新切回低頻并關(guān)閉高頻振蕩器，以此減小遙控器的待機(jī)功耗。

②液晶顯示電路：遙控器的液晶一般由芯片信號(hào)直接驅(qū)動(dòng)，兩者之間通過(guò)斑馬導(dǎo)電條連接。

③紅外發(fā)射電路：當(dāng)遙控器主芯片接受到非獨(dú)立的按鍵信號(hào)，紅外發(fā)射電路便發(fā)射包含當(dāng)前信息的代碼，用以控制主控電路工作。同時(shí)，點(diǎn)亮發(fā)射指示燈，顯示發(fā)射指示圖形。

④隨身感測(cè)溫電路：通過(guò)把溫度傳感器與一固定阻值的電阻串聯(lián)，利用溫度傳感器阻值隨溫度的變化而變化的特性，將環(huán)境溫度這一非電量轉(zhuǎn)化成模擬電信號(hào)，再通過(guò)A/D電路，將之轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并通過(guò)芯片內(nèi)部處理，顯示在遙控器液晶上。

⑤背光功能電路：按鍵時(shí)，使背光點(diǎn)亮，在一定時(shí)間后自動(dòng)熄滅背光。

3 變頻空調(diào)電控設(shè)計(jì)

變頻空調(diào)分為交-交變頻（交流到交流）與交-直-交變頻（交流-直流-交流）。對(duì)家用電器的變頻控制而言，不論是交流變頻還是直流變頻都是通過(guò)交-直-交的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)變頻運(yùn)轉(zhuǎn)的，即要得到可調(diào)頻率的交流電。首先要把220V的交流市電整流為直流電，然后再由直流電變?yōu)榭烧{(diào)頻率的交流電，從而完成變頻過(guò)程。

3.1 交流變頻

①依據(jù)原理：n=60f（1-s）/p （n—壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，f—壓縮機(jī)供電頻率， p—電機(jī)極對(duì)數(shù)，s—轉(zhuǎn)差率），通過(guò)改變壓縮機(jī)供電頻率f，在p與s不變的情況下，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速就會(huì)跟隨頻率的變化而變化。

②交流變頻的核心：V-F曲線（電壓-頻率曲線）。在改變壓縮機(jī)供電頻率f的同時(shí)，必須同時(shí)改變輸出給壓縮機(jī)的電壓，而且兩者要等比例變化，否則將會(huì)出現(xiàn)壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不良、變頻模塊保護(hù)、整機(jī)功率因素低、能效比低、振動(dòng)大等情況。電控開(kāi)發(fā)人員根據(jù)壓縮機(jī)的V-F曲線調(diào)節(jié)輸出的頻率及電壓，從而使壓縮機(jī)工作在最佳狀態(tài)。

3.2 直流變頻

直流變頻并不是說(shuō)壓縮機(jī)是直流電供電，而是指采用的是一種稱為直流無(wú)刷電機(jī)的壓縮機(jī)而簡(jiǎn)稱為直流變頻。它的轉(zhuǎn)化方式也是采用交-直-交的方式。

①優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)行效率高、調(diào)速性能好、轉(zhuǎn)矩大、噪音低、能效比高。

②分類：有方波驅(qū)動(dòng)（輸出波形為方波）與正弦波驅(qū)動(dòng)（輸出波形為正弦波）兩種方式，這與壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)及特性有關(guān)，國(guó)內(nèi)廠家大部分為方波驅(qū)動(dòng)，日本廠家多采用正弦波驅(qū)動(dòng)。

③原理：控制芯片需要時(shí)刻檢測(cè)壓縮機(jī)的位置，通過(guò)位置信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)的換相運(yùn)行，所以直流變頻難點(diǎn)在于壓縮機(jī)位置檢測(cè)及起動(dòng)運(yùn)行。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，家用空調(diào)電控設(shè)計(jì)包括遙控器和室內(nèi)外電控部分，尤其以變頻空調(diào)的室外機(jī)電控更為復(fù)雜，因此合適的電控原理、電控工藝、電控器件設(shè)計(jì)對(duì)家用空調(diào)的設(shè)計(jì)起著非常重要的作用。

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