本設計緣于一款家用電器——果汁機的高低速控制電路。該電器具有停止、高速、低速和點動功能。原設計的控制電路是基于PIC單片機的控制系統(tǒng)，電路由變壓器提供控制電路電源，由雙向可控硅作為控制部件。

圖1為原設計的控制電路PCB實物樣本圖片。版面尺寸為43mm×108mm。

圖1 原設計的控制電路PCB實物樣本圖片

從上圖看出：電源經(jīng)變壓器變壓后輸入到AC12端，經(jīng)整流濾波穩(wěn)壓后為控制系統(tǒng)供電；控制系統(tǒng)由PIC單片機U1及其外圍電路組成；SW1、SW2、SW3和SW4為停止、高速、低速和點動功能鍵；LED1~LED6為相應的狀態(tài)指示燈。負載驅(qū)動為雙向可控硅。

考慮系統(tǒng)由可控硅做控制部件的，系統(tǒng)仍為熱底板。為節(jié)約成本，電源擬采用阻容降壓電路。系統(tǒng)擬用數(shù)字集成電路與分立元件來完成設計。

1．控制電路框圖

控制電路框圖如圖2所示。

圖2 電路框圖

2．電路原理

控制系統(tǒng)核心擬采用數(shù)字集成電路CD4011來組成。CD4011為一款四個二輸入的與非門，由2個與非門可以構成基本的雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。

圖3和表1出了由與非門構成的基本觸發(fā)器邏輯圖和非門構成的基本觸發(fā)器功能真值表。

圖3 由與非門構成的基本觸發(fā)器邏輯圖

表1 與非門構成的基本觸發(fā)器的功能真值表

從表1的真值表中我們可以看出，基本觸發(fā)器的設置端和重置端對端有著狀態(tài)的控制作用。

3．控制主電路原理與設計

利用一款數(shù)字集成電路四個二輸入的與非門CD4011，可以完成停止、高速、低速和點動功能的設計。如圖4所示電路，這是一款由數(shù)字集成電路CD4011（U3）構成的控制電路，控制功能鍵S3、S2、S4和S1可分別完成停止、高速、低速和點動功能。

電路原理分析如下：

3.1 停止功能鍵：按下停止功能鍵S3，通過D7和D9分別使U3B的4腳與U3D的11腳輸出為低電平。

3.2 高速功能鍵：按下高速功能鍵S2，可使U3B的4腳輸出為高電平；同時通過C3與D8使U3D的11腳輸出為低電平（即可解除電機低速運行狀態(tài)）。U3B的4腳輸出為高電平時通過高速指示燈D3與光耦U1的3腳去驅(qū)動雙向可控硅。其中R7接交流電源的火線。

3.3 低速功能鍵：按下低速功能鍵S4，可使U3D的11腳輸出為高電平；同時通過C4與D10使U3B的4腳輸出為低電平（即可解除電機高速運行狀態(tài)）。U3D的11腳輸出為高電平時通過低速指示燈D4與光耦U2的3腳去驅(qū)動雙向可控硅。其中R14接交流電源的火線。

3.4 點動功能鍵：按下點動功能鍵S1，通過點動指示燈D2與光耦U1的3腳去驅(qū)動雙向可控硅。松開點動功能鍵S1時點動功能解除。

圖4 由CD4011構成的控制電路

4．電源及總電路原理與設計

圖5為控制電路總電氣原理圖。本電路J1輸入輸出口，J1的1、2腳接交流電源，J1的2、3腳接驅(qū)動電機。

圖5 總電氣原理圖

4.1 控制電路電流設計（計算略）：選用光耦型號為MOC3023，設計驅(qū)動電流10mA，電源指示5mA， 所以控制電路總電流為20mA~25mA，整體的等效電路為圖6所示。

圖6 等效電路

選 C1為0.33μF/400v。如果電源為110v60Hz則相應改變C1值。一般當選電容為1μF時，I≈70 mA，這就是工程上電容降壓供電電路常用的設計口訣“1μF等于70 mA”，也就是說選用1μF電容能為電路提供70 mA的供電電流。

4.2 控制電路電壓及驅(qū)動設計：控制電路電壓取12v，選用穩(wěn)壓管主要參數(shù)為12v1w的1N4742；雙向可控硅選用20A400v的BT136；光耦選用光隔離三端雙向可控硅驅(qū)動器芯片MOC3023；其中C7、C8、RW1、R9和R12組成移相電路^[3]，調(diào)整RW1可調(diào)節(jié)輸出可控硅的觸發(fā)角來調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速。

5．控制電路PCB圖

圖7為控制電路的PCB版圖，版面尺寸為43mm×108mm。圖8為控制電路的PCB實物樣本圖片。本控制電路實際應用于果汁機的高低速控制，成本低、工作可靠、控制效果良好。

圖7 PCB版圖

圖8 PCB實物樣本圖片

（摘編自《電氣技術》，原文標題為“一款基于分立元件設計的家用電器電機高低速控制電路”，作者為于季剛。）