CN110113037A - 过零控制电路及电子设备 - Google Patents

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CN110113037A CN201910448368.7A CN201910448368A CN110113037A CN 110113037 A CN110113037 A CN 110113037A CN 201910448368 A CN201910448368 A CN 201910448368A CN 110113037 A CN110113037 A CN 110113037A
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Abstract

本申请提供了一种过零控制电路，包括可控硅开关电路、电流过零检测电路、控制器。可控硅开关电路的第一端分别电连接火线和触发电源。电流过零检测电路的输入端分别与可控硅开关电路的第二端和负载电连接。控制器与电流过零检测电路电连接。控制器的第一输出端与可控硅开关电路的控制端电连接。控制器根据电流过零检测电路的输出信号判断输出信号的过零位置，并基于过零位置调整可控硅开关电路的导通角。本申请还提供了一种电子设备。本申请通过电流过零检测电路、可控硅开关电路、控制器的配合，可以准确检测出输出信号的电流过零位置，并基于电流过零位置调整可控硅开关电路的导通角，从而到降低可控硅控制感性负载的控制难度。

Description

过零控制电路及电子设备
技术领域
本申请涉及电力电子技术领域，特别是涉及过零控制电路及电子设备。
背景技术
可控硅是一种大功率电器元件，也称晶闸管。它具有体积小、效率高、寿命长等优点。被广泛用于家电等工业产品中，在自动控制系统中，可作为大功率驱动器件，实现用小功率控件控制大功率设备。它在交直流电机调速系统、调功系统及随动系统中得到了广泛的应用。
目前，针对可控硅的控制方案通常采用电压过零检测电路，在接入感性负载的交流电路中，通过运用电压过零检测电路实际检测到的电源电压波形来估算得到电流过零位置，并根据该估算的电流过零位置调整可控硅的导通角以控制可控硅的导通。然而，由于感性负载(如交流电机)会产生不同程度的电流滞后，电压、电流相位差存在不规则变化，导致常规的电压过零检测电路检测并估算得到的电流过零位置与实际的电流过零位置相比存在较大误差。
在小家电等感性负载中，基于成本考虑其系统电源提供的电流通常较低，但是为了避免上述误差影响可控硅的有效导通，可控硅的G脚的触发脉宽需要很宽，可控硅的触发电流IGT需要较大，因此这样会大量消耗系统电源电流，增加成本。
发明内容
基于此，有必要针对常规的可控硅控制方案采用电压过零检测电路，检测并估算获得的电流过零位置存在较大误差，可控硅的触发电流IGT需要较大，从而大量消耗系统电源电流，增加成本的问题，提供一种过零控制电路及电子设备。
一种过零控制电路，包括：
可控硅开关电路，所述可控硅开关电路的第一端分别电连接火线和触发电源；
电流过零检测电路，所述电流过零检测电路的输入端分别与所述可控硅开关电路的第二端和负载电连接；
控制器，所述控制器的第一输入端与所述电流过零检测电路的输出端电连接，所述控制器的第一输出端与所述可控硅开关电路的控制端电连接，所述控制器的第二输出端接地；
所述控制器根据所述电流过零检测电路的输出信号确定所述输出信号的电流过零位置，并基于所述电流过零位置调整所述可控硅开关电路的导通角。
在其中一个实施例中，所述控制器基于所述电流过零位置输出高低电平；
当所述控制器的第一输出端输出高电平时，所述可控硅开关电路维持当前状态；
当所述控制器的第一输出端输出低电平时，所述可控硅开关电路导通。
在其中一个实施例中，所述可控硅开关电路包括：
可控硅开关，所述可控硅开关的第一端与所述火线电连接，所述可控硅开关的第二端与所述电流过零检测电路的输入端电连接，所述可控硅开关的控制端与所述控制器的第一输出端电连接。
在其中一个实施例中，所述可控硅开关电路还包括：
第一电阻，并联于所述可控硅开关的两端。
在其中一个实施例中，所述电流过零检测电路包括：
第二电阻，所述第二电阻的一端与所述可控硅开关电路的第二端电连接，所述第二电阻的另一端与所述控制器的第一输入端电连接；
第一二极管，所述第一二极管的正极分别与所述第二电阻的另一端和所述控制器的第一输入端电连接，所述第一二极管的负极与所述火线电连接；
第三电阻，所述第三电阻的一端与所述第一二极管的负极电连接，所述第三电阻的另一端分别与所述第二电阻的另一端和所述控制器的第一输入端电连接；
第四电阻，所述第四电阻的一端分别与所述第二电阻的另一端和所述控制器的第一输入端电连接，所述第四电阻的另一端接地；
第二二极管，所述第二二极管的正极接地，所述第二二极管的负极分别与所述第二电阻的另一端和所述控制器的第一输入端电连接。
在其中一个实施例中，所述过零控制电路还包括：
限流保护电路，串联于所述控制器的第一输出端与所述可控硅开关电路的控制端之间。
在其中一个实施例中，所述限流保护电路包括：
第五电阻，串联于所述控制器的第一输出端与所述可控硅开关电路的控制端之间。
在其中一个实施例中，所述过零控制电路还包括：
阻容降压电路，所述阻容降压电路的第一引脚分别与所述可控硅开关电路的第一端、所述火线和所述阻容降压电路的第三引脚电连接，所述阻容降压电路的第二引脚与零线电连接，所述阻容降压电路的第四引脚接地。
在其中一个实施例中，所述过零控制电路还包括：
滤波电路，所述滤波电路的一端分别与所述控制器的第一输入端和所述电流过零检测电路的输出端电连接，所述滤波电路的另一端接地。
在其中一个实施例中，所述滤波电路包括：
电容，所述电容的一端分别与所述控制器的第一输入端和所述电流过零检测电路的输出端电连接，所述电容的另一端接地。
一种电子设备，包括如上述任一项实施例所述的过零控制电路；和
负载，所述负载还与零线电连接。
与现有技术相比，上述过零控制电路及电子设备，通过所述电流过零检测电路实时将电流信号输出至所述控制器，利用所述控制器的配合，可以准确检测出所述输出信号的电流过零位置，并根据所述电流过零位置调整所述可控硅开关电路的导通角，从而实现对所述可控硅开关电路的通断控制，由于本申请可准确检测出电流过零位置，可控硅的脉宽宽度可以做到很窄就能够令可控硅开关电路有效导通，因此可降低了系统电源的消耗，降低了成本。
附图说明
图1为本申请一实施例提供的过零控制电路的电路框图；
图2为本申请一实施例提供的过零控制电路的电路结构示意图；
图3为本申请一实施例提供的AC电源的电压过零波形与晶闸管过零检测波形的时序图；
图4为本申请一实施例提供的负载的电流过零点的时序图；
图5为本申请一实施例提供的电子设备的电路结构示意图。
10 过零控制电路
100 可控硅开关电路
101 火线
102 触发电源
103 负载
104 零线
110 可控硅开关
120 第一电阻
20 电子设备
200 电流过零检测电路
210 第二电阻
220 第一二极管
230 第三电阻
240 第四电阻
250 第二二极管
300 控制器
400 限流保护电路
410 第五电阻
500 阻容降压电路
600 滤波电路
610 电容
具体实施方式
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施的限制。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参见图1，本申请一实施例提供一种过零控制电路10，包括：可控硅开关电路100、电流过零检测电路200、控制器300。所述可控硅开关电路100的第一端分别电连接火线101和触发电源102。所述电流过零检测电路200的输入端分别与所述可控硅开关电路100的第二端和负载103电连接。所述控制器300的第一输入端与所述电流过零检测电路200的输出端电连接。所述控制器300的第一输出端与所述可控硅开关电路100的控制端电连接。所述控制器300的第二输出端接地。所述控制器300根据所述电流过零检测电路200的输出信号确定所述输出信号的电流过零位置，并基于所述电流过零位置调整所述可控硅开关电路100的导通角。
在一个实施例中，所述过零控制电路10可以应用在家电产品中，尤其是带感性负载的小家电，比如风扇等。利用所述控制器300配合所述电流过零检测电路200可以准确检测出所述输出信号的电流过零位置，并基于所述电流过零位置调整所述可控硅开关电路100的导通角，使得所述可控硅的脉宽宽度可以做到几十微秒就可以令所述可控硅开关电路100有效导通，从而使得带感性负载的小家电能够节省系统电源电流，大大降低电源系统的负荷，达到节约电能的效果。
可以理解，所述可控硅开关电路100的具体结构不做具体的限定，只要具有接收所述触发电源102的触发电流导通的功能即可。所述可控硅开关电路100的具体结构，可根据实际需求进行选择。在一个实施例中，所述可控硅开关电路100可由双向晶闸管构成。在一个实施例中，所述可控硅开关电路100也可由普通晶闸管构成。在一个实施例中，所述触发电源102可以是+5V电源。在一个实施例中，所述负载103优选为感性负载，比如交流电机等。
可以理解，所述电流过零检测电路200的具体结构不做具体的限定，只要具有检测交流电流的过零点信号即可。在一个实施例中，所述电流过零检测电路200可由具有过零检测的光耦合器组成。在一个实施例中，所述电流过零检测电路200也可由第二电阻210、第一二极管220、第三电阻230、第四电阻240以及第二二极管250搭建组成(如图2所示)。
在一个实施例中，所述第二电阻210的一端与所述可控硅开关电路100的第二端电连接。所述第二电阻210的另一端与所述控制器300的第一输入端电连接。所述第一二极管220的正极分别与所述第二电阻210的另一端和所述控制器300的第一输入端电连接。所述第一二极管220的负极与所述火线101电连接。
在一个实施例中，所述第三电阻230的一端与所述第一二极管220的负极电连接。所述第三电阻230的另一端分别与所述第二电阻210的另一端和所述控制器300的第一输入端电连接。所述第四电阻240的一端分别与所述第二电阻210的另一端和所述控制器300的第一输入端电连接。所述第四电阻240的另一端接地。所述第二二极管250的正极接地。所述第二二极管250的负极分别与所述第二电阻210的另一端和所述控制器300的第一输入端电连接。
在一个实施例中，当AC电源(即所述火线101)处于正半周期时，所述第二电阻210(R103)和所述第一二极管220(D101)导通，此时所述电流过零检测电路200输出端的电平被所述第一二极管220钳位并产生高电平信号。当AC电源(即所述火线101)处于负半周时，所述第二电阻210(R103)和所述第二二极管250(D102)导通，此时所述电流过零检测电路200输出端的电平被所述第二二极管250(D102)钳位并产生低电平信号。由此所述电流过零检测电路200输出端将会基于AC电源的正负周期产生对称的高低电平，所述控制器300根据高低电平的切换即可判断出所述输出信号的过零位置，从而调整所述可控硅开关电路100的导通角。
可以理解，所述控制器300的具体结构可以不做具体的限定，只要具有根据所述电流过零检测电路200的输出信号判断所述输出信号的电流过零位置，并基于所述电流过零位置调整所述可控硅开关电路100的导通角的功能即可。所述控制器300的具体结构，可根据实际需求进行选择。在一个实施例中，所述控制器300可以是单片机(如MCU或型号为MC96F8208SM的单片机等)。在一个实施例中，所述控制器300也可以是微程序控制器。在一个实施例中，所述控制器300的型号可以为PIC16F15324。利用所述控制器300可以准确判断出所述电流过零检测电路200输出信号的电流过零位置，从而可以有效调整可控硅开关电路100的导通角，进而可达到降低可控硅控制交流电机等感性负载的控制难度。
由于交流电流随着感性负载的变化，电压电流相位差是不规则的变化的，而本实施例中，通过所述电流过零检测电路200实时将电流信号输出至所述控制器300，利用所述控制器300的配合，可以准确检测出所述输出信号的电流过零位置，并根据所述电流过零位置调整所述可控硅开关电路100的导通角，从而实现对所述可控硅开关电路100的通断控制，进而可达到降低可控硅控制交流电机等感性负载的控制难度。
在一个实施例中，所述控制器300基于所述电流过零位置输出高低电平。当所述控制器300的第一输出端输出高电平时，所述可控硅开关电路100维持当前状态。当所述控制器300的第一输出端输出低电平时，所述可控硅开关电路100导通。
在一个实施例中，在所述控制器300打开触发信号时(即所述控制器300的第一输出端输出低电平时)，所述可控硅开关电路100导通。当流经所述可控硅开关电路100的电流接近零时，所述可控硅开关电路100自动关断，此断开时刻即为所述负载103的电流过零点。此时所述控制器300基于预设算法选择输出高低电平，从而控制所述可控硅开关电路100的导通角，从而达到调整所述可控硅开关电路100的导通角的目的。
在一个实施例中，若此时所述控制器300基于预设算法选择输出高电平，则所述可控硅开关电路100维持当前状态(即断开状态)。若此时所述控制器300基于预设算法选择输出低电平，则所述可控硅开关电路100导通。所述预设算法为现有控制算法。
请参见图2，在一个实施例中，所述可控硅开关电路100包括可控硅开关110。所述可控硅开关110的第一端与所述火线101电连接。所述可控硅开关110的第二端与所述电流过零检测电路200的输入端电连接。所述可控硅开关110的控制端与所述控制器300的第一输出端电连接。
所述可控硅开关110的具体类型，可根据实际需求进行选择。在一个实施例中，所述可控硅开关110可以是双向晶闸管。在一个实施例中，所述可控硅开关110也可以是单向晶闸管。
在一个实施例中，在所述可控硅开关110自然关断时，如图2中T2脚的电位即A点电位由AC电源的零线104电位决定。而当所述可控硅开关110导通的状态下，由于可控硅的特性：正半周导通时VT1-T2≈1V，负半周导通时VT2-T1≈1V，由此可认为所述可控硅开关110导通的时刻T2脚即A点的电压被限制在4～6V。所述控制器300的第一输入端引脚设置为输入高阻状，所以B点的位置遵从基尔霍夫电流定律，则B点的电位为：
其中，R103为所述第二电阻210；R101为所述第三电阻230；R102为所述第四电阻240；为了便于计算，可取值R103＝10*R101，R102＝2*R101，则上述公式整理如下：
即B点的电压值如下：
当所述可控硅开关110导通时A点的电位为4V或者6V时，B点的电位由上述公式计算可得约为3.43V；对于5V的系统，所述控制器300可以检测此时B点电平信号为高电平信号。
在一个实施例中，当所述可控硅开关110处于导通状态时，AC电源的电压过零波形与晶闸管(即所述可控硅开关110)的过零检测波形是同步的(如图3中的CH2和CH3)。在一个实施例中，在所述控制器300打开触发信号时(即所述控制器300的第一输出端输出低电平时)，所述可控硅开关110导通。当流经所述可控硅开关110的电流接近零时，所述可控硅开关110自动关断，此断开时刻即为所述负载103的电流过零点(如图4中CH3波形的“C、D、E”位置)。
在一个实施例中，当所述可控硅开关110在“C”点自动关断时，此时为下降沿中断信号，所述控制器300(如MCU)可以很容易判断并检测到“C”点的位置，即“C”点为所述负载103的电流过零点。当所述可控硅开关110在“D”点自动关断时，此时为上升沿中断信号，可将所述上升沿中断信号先进行AD模数转换，并通过转换后的信号实时监测并获取“D”点的准确位置，即“D”点也为所述负载103的电流过零点。在所述控制器300确定了所述负载103的电流过零位置后，所述可控硅开关110的触发脉宽只需非常窄(几十微秒)，就可以通过所述控制器300准确快速的触发所述可控硅开关110导通，从而能大大降低电源系统的负荷，达到节约成本的目的。
在一个实施例中，所述可控硅开关电路100还包括第一电阻120。所述第一电阻120并联于所述可控硅开关110的两端。在一个实施例中，所述第一电阻120可以是压敏电阻。通过所述第一电阻120保护所述可控硅开关110，避免其损坏。
在一个实施例中，所述过零控制电路10还包括限流保护电路400。所述限流保护电路400串联于所述控制器300的第一输出端与所述可控硅开关电路100的控制端之间。
可以理解，所述限流保护电路400的具体电路结构不做具体的限定，只要保证具有限流并能保护所述控制器300，避免其损坏的功能即可。在一个实施例中，所述限流保护电路400可以是电容器。在一个实施例中，所述限流保护电路400可以是电感器。利用所述限流保护电路400可以实时保护所述控制器300，避免因电流突变损坏所述控制器300。
在一个实施例中，所述限流保护电路400包括第五电阻410。所述第五电阻410串联于所述控制器300的第一输出端与所述可控硅开关电路100的控制端之间。在一个实施例中，所述第五电阻410可以是固定阻值的电阻。在一个实施例中，所述第五电阻410也可以是阻值可调的电阻。利用所述第五电阻410可以实时保护所述控制器300，避免因电流突变损坏所述控制器300。
在一个实施例中，所述过零控制电路10还包括：阻容降压电路500。所述阻容降压电路500的第一引脚分别与所述可控硅开关电路100的第一端、所述火线101和所述阻容降压电路500的第三引脚电连接。所述阻容降压电路500的第二引脚与零线104电连接。所述阻容降压电路500的第四引脚接地。
可以理解，所述阻容降压电路500的具体结构不做具体的限定，只要保证具有变压并输出稳定电压的功能即可。所述阻容降压电路500的具体结构，可根据实际需求进行选择。在一个实施例中，所述阻容降压电路500可由传统的阻容降压模块和第一电容搭建构成。在一个实施例中，所述阻容降压电路500也可替换为具有变压功能的变压器等等。利用所述阻容降压电路500将所述火线101的输入电压降低为+5V电压(即所述触发电源102)，并提供给所述可控硅开关110，用于给所述可控硅开关110提供触发电压。
在一个实施例中，所述过零控制电路10还包括滤波电路600。所述滤波电路600的一端分别与所述控制器300的第一输入端和所述电流过零检测电路200的输出端电连接。所述滤波电路600的另一端接地。
可以理解，所述滤波电路600的具体结构不做具体的限定，只要保证具有滤波的功能即可。所述滤波电路600的具体结构，可根据实际需求进行选择。在一个实施例中，所述滤波电路600可以由滤波器组成。在一个实施例中，所述滤波电路600也可以由电容610组成。具体的，所述电容610的一端分别与所述控制器300的第一输入端和所述电流过零检测电路200的输出端电连接，所述电容610的另一端接地。利用所述滤波电路600可以使得发送至所述控制器300的信号更加稳定。
综上所述，本申请通过所述电流过零检测电路200实时将电流信号输出至所述控制器300，利用所述控制器300的配合，可以准确检测出所述输出信号的电流过零位置，并根据所述电流过零位置调整所述可控硅开关电路100的导通角，从而实现对所述可控硅开关电路100的通断控制，由于本申请可准确检测出电流过零位置，可控硅的脉宽宽度可以做到很窄就能够令可控硅开关电路有效导通，因此可降低了系统电源的消耗，降低了成本。
请参见图5，本申请一实施例提供一种电子设备20，包括如上述任一项实施例所述的过零控制电路10和负载103。所述负载103还与零线104电连接。在一个实施例中，所述负载103优选为感性负载，比如交流电机等，当然，本申请的负载103也可以为阻性负载。所述电子设备20可以是常见的家用电器，比如电风扇、电熨斗等等。
本实施例所述的电子设备20，通过所述过零控制电路10中的所述电流过零检测电路200实时监测所述可控硅开关电路100的导通状态，并将信号输出至所述控制器300，利用所述控制器300的配合，可以准确检测出所述输出信号的电流过零位置，并基于所述电流过零位置调整所述可控硅开关电路100的导通角，从而实现对所述可控硅开关电路100的通断控制，进而可达到降低可控硅控制所述电子设备20的控制难度。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种过零控制电路，其特征在于，包括：
可控硅开关电路，所述可控硅开关电路的第一端分别电连接火线和触发电源；
电流过零检测电路，所述电流过零检测电路的输入端分别与所述可控硅开关电路的第二端和负载电连接；以及
控制器，所述控制器的第一输入端与所述电流过零检测电路的输出端电连接，所述控制器的第一输出端与所述可控硅开关电路的控制端电连接，所述控制器的第二输出端接地；
所述控制器根据所述电流过零检测电路的输出信号确定所述输出信号的电流过零位置，并基于所述电流过零位置调整所述可控硅开关电路的导通角。
2.如权利要求1所述的过零控制电路，其特征在于，所述控制器基于所述电流过零位置输出高低电平；
当所述控制器的第一输出端输出高电平时，所述可控硅开关电路维持当前状态；
当所述控制器的第一输出端输出低电平时，所述可控硅开关电路导通。
3.如权利要求1所述的过零控制电路，其特征在于，所述可控硅开关电路包括：
可控硅开关，所述可控硅开关的第一端与所述火线电连接，所述可控硅开关的第二端与所述电流过零检测电路的输入端电连接，所述可控硅开关的控制端与所述控制器的第一输出端电连接。
4.如权利要求1所述的过零控制电路，其特征在于，所述可控硅开关电路还包括：
第一电阻，并联于所述可控硅开关的两端。
5.如权利要求1所述的过零控制电路，其特征在于，所述电流过零检测电路包括：
第二电阻，所述第二电阻的一端与所述可控硅开关电路的第二端电连接，所述第二电阻的另一端与所述控制器的第一输入端电连接；
第一二极管，所述第一二极管的正极分别与所述第二电阻的另一端和所述控制器的第一输入端电连接，所述第一二极管的负极与所述火线电连接；
第三电阻，所述第三电阻的一端与所述第一二极管的负极电连接，所述第三电阻的另一端分别与所述第二电阻的另一端和所述控制器的第一输入端电连接；
第四电阻，所述第四电阻的一端分别与所述第二电阻的另一端和所述控制器的第一输入端电连接，所述第四电阻的另一端接地；以及
第二二极管，所述第二二极管的正极接地，所述第二二极管的负极分别与所述第二电阻的另一端和所述控制器的第一输入端电连接。
6.如权利要求1所述的过零控制电路，其特征在于，还包括：
限流保护电路，串联于所述控制器的第一输出端与所述可控硅开关电路的控制端之间。
7.如权利要求6所述的过零控制电路，其特征在于，所述限流保护电路包括：
第五电阻，串联于所述控制器的第一输出端与所述可控硅开关电路的控制端之间。
8.如权利要求1所述的过零控制电路，其特征在于，还包括：
阻容降压电路，所述阻容降压电路的第一引脚分别与所述可控硅开关电路的第一端、所述火线和所述阻容降压电路的第三引脚电连接，所述阻容降压电路的第二引脚与零线电连接，所述阻容降压电路的第四引脚接地。
9.如权利要求1所述的过零控制电路，其特征在于，还包括：
滤波电路，所述滤波电路的一端分别与所述控制器的第一输入端和所述电流过零检测电路的输出端电连接，所述滤波电路的另一端接地。
10.一种电子设备，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的过零控制电路；和
负载，所述负载还与零线电连接。
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