張銳 朱林

摘要：普通家用電器通常由機械開關(guān)控制。當(dāng)這些開關(guān)接通或斷開電路時，會產(chǎn)生電火花，這不僅降低了使用壽命，而且會造成安全隱患。傳統(tǒng)的機械開關(guān)由于機械磨損，使用壽命短，負(fù)載接入和斷開相位隨機，容易對電網(wǎng)造成電磁干擾。智能交流電力電子開關(guān)是一種由固態(tài)電子元件組成的用于交流場合的遙控?zé)o觸點開關(guān)。與傳統(tǒng)的機械開關(guān)相比，智能交流電力電子開關(guān)在智能家居應(yīng)用中具有遙控、使用壽命長、斷路可靠性高、動作速度快、電磁干擾小、斷路時無機械振動和噪聲、無電弧和火花等優(yōu)點，安全性高。智能家居方興未艾。在智能家居和安全要求較高的場所，智能交流電源電子開關(guān)將成為一種趨勢。

關(guān)鍵詞：智能通信;電力電子;開關(guān)

采用可控硅觸發(fā)脈沖時，觸發(fā)脈沖和電源電壓信號通常是同步處理的，需要合適的過零檢測電路。經(jīng)典的過零檢測電路是用兩個光耦控制器檢測電源電壓的過零時間并觸發(fā)控制。這種過零檢測方法容易受到晶閘管兩端電壓波動的影響。在抗干擾措施差的情況下，容易多次觸發(fā)。采用帶過零檢測模塊的光耦進(jìn)行過零檢測是一種簡單的方案，但電路過零觸發(fā)不夠準(zhǔn)確，可能導(dǎo)致誤操作甚至損壞晶閘管。如果晶閘管投切電容器的工作環(huán)境出現(xiàn)方向錯誤，會引起較大的浪涌電流，容易損壞晶閘管和電容器。這兩種光耦過零檢測電路都存在過零和誤導(dǎo)的情況，在設(shè)計時必須考慮相應(yīng)的解決方案。用比較器檢測電路，用軟件設(shè)計相位補償和零點校正方法，可以提高過零檢測的精度。該方案成本稍高，需要使用單片機。采用相位補償?shù)母呔冗^零檢測電路具有良好的檢測精度，但電路復(fù)雜，芯片多，成本高。

1電路結(jié)構(gòu)與設(shè)計

電路框圖如圖1所示。

1.1 紅外控制電路的設(shè)計

紅外控制方式相較于其它控制方式簡單、成本低，采用無需單片機解碼的簡潔紅外遙控方式。具體采用將紅外接收頭和解調(diào)輸出電路集成的HS0038芯片，工作頻率為38 kHz，當(dāng)器件接收到信號時，器件的OUT端輸出低電平;器件未接收到信號時，器件的OUT端輸出高電平。

電路采用非門和D型觸發(fā)器組成進(jìn)行鎖相和翻轉(zhuǎn)的電路。為了配合HS0038B的使用，電路中所用的芯片都是TTL型的。非門用的是74LS04，D型觸發(fā)器用的是74LS74。74LS04給74LS74創(chuàng)造與遙控按鍵同步的上升沿，且增強HS0038B的驅(qū)動能力。74LS74的作用是實現(xiàn)鎖相和電平翻轉(zhuǎn)的功能。

1.2 SCR主電路的設(shè)計

SCR主電路是由觸發(fā)電路和過零檢測電路組成的，設(shè)計的SCR主電路圖如圖2所示。

電路中的R3為限流電阻，R1和R2為防誤觸發(fā)電阻，RL為負(fù)載。該電路工作原理為：假設(shè)ULN大于0時，表示電源在正半周，ULN小于0時，則表示為電源在負(fù)半周;若MOC3083的LED端輸入信號F可以驅(qū)動LED導(dǎo)通，那么MOC3083的雙向晶閘管輸出端就可以工作，則當(dāng)電源從負(fù)半周向正半周過零進(jìn)入正半周時，MOC3083輸出端導(dǎo)通，晶閘管VT2正偏，電源經(jīng)D1，MOC3083輸出端，R3，R2，RL構(gòu)成觸發(fā)回路，VT2的G極電位比K極電位高，故VT2的G極有觸發(fā)電流流過，當(dāng)電流增大到一定值時，VT2導(dǎo)通;當(dāng)電源從正半周向負(fù)半周過零進(jìn)入負(fù)半周時，MOC3083輸出端導(dǎo)通，晶閘管VT1正偏，電源經(jīng)D2，MOC3083輸出端，R3，R1，RL構(gòu)成觸發(fā)回路，VT1的G極電位比K極電位高，VT1的門極有觸發(fā)電流流過，當(dāng)電流增大到一定值時，VT1導(dǎo)通。整個電路通過調(diào)節(jié)R3的值可以調(diào)節(jié)觸發(fā)時間，即移相。

2 計算機仿真

紅外控制電路仿真由美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具M(jìn)ultisim 14。測試點的電壓波形圖如圖3所示。

當(dāng)S1合上，相當(dāng)于HS0038B未接收到信號;U1A的輸入端變?yōu)楦唠娖?，它的輸出端變?yōu)榈碗娖?，產(chǎn)生了一個下降沿，U2A的Q端保持上一個電平狀態(tài)。當(dāng)S1斷開，相當(dāng)于HS0038B接到信號，U1A輸入低電平，它的輸出變?yōu)楦唠娖?，產(chǎn)生了一個上升沿，U2A的Q端電平狀態(tài)翻轉(zhuǎn)。觀察U2A的輸出端所接的LED負(fù)載工作情況，得知這個電路的工作是符合設(shè)計要求的。從仿真結(jié)果看，設(shè)計電路合理。

2.1 主電路的仿真

市電輸入，主電路采用英國Lab Center Electronics公司的Proteus7.8，如圖4所示。

當(dāng)開關(guān)未合上，即MOC3043的輸入端沒有信號時，負(fù)載端的電壓波形如圖5所示，負(fù)載R1兩端電壓幅值非常小，只有幾百微伏，視為零，說明此時SCR未導(dǎo)通。

當(dāng)開關(guān)閉合時，MOC3043的輸出側(cè)工作，負(fù)載兩端電壓波形如圖6所示，可見負(fù)載兩端的電壓幅值為310 V左右，與電源電壓一致，波形無畸變。

各仿真結(jié)果均驗證了電路的正確性和合理性，搭建實驗臺進(jìn)行實驗測試。

3 實驗測試

市場有眾多免費智能遙控功能APP，實驗選用了德仕電視模式。實驗采用20 W的感性負(fù)載風(fēng)扇進(jìn)行測試。紅外控制接口未接收到信號時的狀態(tài)，輔助電源指示燈（藍(lán)燈）亮，紅外控制輸出電路指示燈（紅燈）熄滅，電扇的扇葉處于靜止?fàn)顟B(tài)。按下手機上的紅外遙控按鍵，紅外控制輸出電路的指示燈（紅燈）變亮，輔助電源指示燈（藍(lán)燈）亮，電扇扇葉正常旋轉(zhuǎn)。

實驗測試證明智能交流電力電子開關(guān)具備手機遙控功能，電路設(shè)計是合理有效的。

結(jié)論

基于可控硅的智能交流電力電子開關(guān)采用互聯(lián)網(wǎng)和紅外控制技術(shù)，通過手機或電腦上的相關(guān)應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)對開關(guān)的遠(yuǎn)程控制，提高了安全性和方便性，保證了人身安全，實現(xiàn)了開關(guān)的人性化、智能化。從計算機仿真和實驗測試的角度來看，智能交流電力電子開關(guān)設(shè)計合理，功能齊全。智能交流電力電子開關(guān)可以替代傳統(tǒng)的機械開關(guān)。手機遙控器使用方便，大大增加了操作的便利性。它可以取代傳統(tǒng)的開關(guān)來提高智能。采用過零技術(shù)，無電磁干擾，無電弧，無火花，安全性高。因此，它可以廣泛應(yīng)用于智能家居和工業(yè)領(lǐng)域，特別是在礦業(yè)領(lǐng)域。系統(tǒng)電路簡單可靠，成本低，易于安裝和批量生產(chǎn)。

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