CN111049461A - 在跨零点切换开关状态的控制电路 - Google Patents

Abstract

一种在跨零点切换开关状态的控制电路，应用至一交流负载上，该控制电路包括一控制开关与一处理单元，其中，该控制开关会与该交流负载相串联，且能接收外部传来的交流电，该处理单元则能控制该控制开关为导通状态或关断状态，并且，当处理单元接收到一导通指令后，其会在交流电的电压波形为零点时，使该控制开关呈导通状态，当处理单元接收到一关断指令后，其会在交流电的电流波形为零点时，使该控制开关呈关断状态，且该控制开关的关断状态会保持至少一个的半周期，如此，既能使交流负载所呈现的变化不致被使用者察觉，又能达成节能效果。

Description

在跨零点切换开关状态的控制电路

技术领域

本发明涉及交流负载(如：感应马达、电热器...)的控制电路，尤其涉及一种能够在跨零点时，切换开关的导通或关断状态，借以调节负载功率的控制电路。

背景技术

目前调节负载功率(如：调光器)的驱动方式，大致分为前切式(leading edge)与后切式(tailing edge)，其中，前切式(leading edge)是指调光开关调整输出电压的角度是在半周期的前缘进行控制，请参阅图1A～1B所示，每一个半周期的前缘会先保持关断(如图1A～1B的虚线所示)，之后再保持导通，直至下一个半周期，因此，越早导通的情况下，其平均功率较高，换言之，图1A～1B两者相较之下，图1A的亮度会较高。

承上，后切式(tailing edge)则是指调光开关调整输出电压的角度是在半周期的后缘进行控制，请参阅图2A～2B所示，每一个半周期的前缘会先保持导通，之后会再进行关断(如图2A～2B的虚线所示)，直至下一个半周期，因此，越早关断的情况下，其平均功率较低，换言之，图2A～2B两者相较之下，图2A的亮度会较高。

此外，发明人要将前述的驱动方式应用至一般交流负载(如：感应马达、电热器...等)上，以通过控制平均电流而达到控制功率的效果(如：感应马达的转速、电热器的温度...等)。现以感应马达与电热器为例，进行说明，首先，感应马达(Induction motor)为交流电动机，其是通过定子产生的旋转磁场与转子绕组的相对运动，使得转子绕组切割磁感线产生感应电动势，进而使转子绕组中产生感应电流。之后，转子绕组中的感应电流会与磁场作用，产生电磁转矩，使转子旋转。然而，发明人发现，若感应马达采用前切式时，会造成辅线圈的电容工作不正常；若感应马达采用后切式时，则会因马达电感产生强大突波。其次，电热器通常为电阻负载，根据焦耳定律，其所产生的热量会与通电时间呈正比，只是，发明人发现，针对电热器而言，无论采用前切式或后切式等方式，都会造成功率因子的大幅降低，不甚理想。

综上所述，如何针对现有交流负载的问题，设计出一种更为理想的控制电路，以在进行关断操作控制功率时，能大幅降低前述问题的发生机率，即成为本发明所要解决的重要问题。

发明内容

为能有效解决前述问题，发明人凭借着多年来专业从事各式功率电子、控制、与系统设计、加工及制造的丰富实务经验，且秉持着精益求精的研究精神，在经过长久的努力研究与实验后，终于研发出本发明的一种在跨零点切换开关状态的控制电路，以期通过本发明的公开，提供用户更好的产品使用经验。

本发明的一个目的，是提供一种在跨零点切换开关状态的控制电路，其应用至一交流负载上，该控制电路包括一控制开关与一处理单元，其中，该控制开关会与该交流负载相串联，且能接收外部传来的交流电；该处理单元则电气连接至该控制开关，且能控制该控制开关的导通状态或关断状态；本发明的特征在于，当处理单元接收到一导通指令后，其会在交流电的电压波形为零点时，使该控制开关呈导通状态；当处理单元接收到一关断指令后，其会在交流电的电流波形为零点时，使该控制开关呈关断状态，且该控制开关的关断状态会保持至少一个的半周期。

为了便于对本发明目的、技术特征及其功效，作更进一步的认识与了解，现列举数实施例配合附图，详细说明如下：

附图说明

图1A是前切式的一波形示意图；

图1B是前切式的另一波形示意图；

图2A是后切式的一波形示意图；

图2B是后切式的另一波形示意图；

图3是本发明的控制电路的一实施例；

图4是本发明的控制电路的另一实施例；

图5是交流电的电压波形与电流波形的示意图；

图6A是本发明的“导通”与“关断”呈规律变化的一波形图；

图6B是本发明的“导通”与“关断”呈规律变化的另一波形图；

图7是本发明的驱动信号为不规律的示意图。

【主要附图标记说明】

控制电路......1

马达定子线圈......10

控制开关......11、11’

处理单元......13

交流电......AC

参考线圈......U

电容......C

电压波形......V

电流波形......A

具体实施方式

本发明为一种在跨零点切换开关状态的控制电路，应用至一交流负载上，为方便说明，后续实施例以感应马达(如：鼠笼式马达)为例，请参阅图3所示，该感应马达的一马达定子线圈10在接收到外部传来的交流电AC后能形成旋转磁场，以使一转子旋转，使该转子能驱动一装置(如：风扇)运作，在此特别说明，由于感应马达的结构与运作原理为公知技术，本发明主要是设计出一种控制电路，以使该感应马达在运作时，能在使用者无法察觉的情况下，进行短暂的关断，除能达到节能效果外，还能将扭力变化分散，而不易产生噪音与震动。因此，在后续实施例中，并不绘制出整个感应马达的具体结构，但熟悉该领域的技术人员，应当能在查看本发明的说明书后，了解本发明的整体技术特征，而不会产生歧异。

请参阅图3所示，在一实施例中，该控制电路1包括一控制开关11与一处理单元13，其中，该控制开关11与该马达定子线圈10相串联，且能接收外部传来的交流电AC，另外，在该实施例中，一参考线圈U与一电容C相串联，且该马达定子线圈10会与该参考线圈U、电容C相并联，该控制开关11则能同时串联该马达定子线圈10与参考线圈U，需要说明的是，在本发明的另一实施例中，请参阅图4所示，控制开关11’能够与参考线圈U相并联，但仍会与该马达定子线圈10相串联。

另外，请再参阅图3所示，该处理单元13能电气连接至该控制开关11，且能控制该控制开关11的导通状态或关断状态，其中，该控制开关11能够为“硅控整流开关(SiliconControlled Rectifier，简称SCR)”、“三端双向交流开关(TRIAC)”或是由“一桥式整流器搭配金属氧化物半导体场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor，简称MOSFET)”所组成，但不以此为限。一般而言，若是负载具有电容性或者电感性的成分，则可能会使电流波形与电压波形之间，形成提早或延迟的相位差，如图5所示，实线部分为交流电的电压波形V，虚线部分则为交流电的电流波形A，且电流波形A的周期会略为晚于电压波形V的周期，需要说明的是，不同的组件则具有不同的特性，例如，硅控组件则会一直维持导通，直到电流为零时，才会形成关断的状态。此外，本发明的特征在于，当该处理单元13接收到一导通指令后，其不会立即将控制开关11导通，而是在零点附近(即，在半周期(如：正半周朝负半周变化、负半周朝正半周变化)跨零点时(即，电压为零))的状态，才会使该控制开关11呈导通状态。

承上，请再参阅图3所示，当该处理单元13接收到一关断指令后，其不会立即将控制开关11关断，而同样在零点附近(即，在半周期(如：正半周朝负半周变化、负半周朝正半周变化)跨零点时(即，电流为零))的状态，才会使该控制开关11呈关断状态，且该控制开关11的关断状态会保持至少一个半周期，例如图6A～6B所示，根据使用上的需求，能够每导通两周期后再关断一周期(如图6A)，或是每导通一周期后再关断半周期(如图6B)，此外，在前述方式中，“导通”与“关断”是呈规律变化，但是，此种规律变化容易造成震动或噪音现象被用户察觉，影响了产品的使用观感，因此，处理单元13还可如图7般，是采用不规律的驱动信号，如图7由左至右来说，其中，导通指令为“ON”，关断指令为“OFF”，处理单元13能使控制开关11先导通一周期后再关断半周期，然后，导通一个半的周期后再关断半周期，又导通一周期后再关断半周期...等，如此，感应马达在运转时所产生的扭力，便会随着时间的断续频率被分散，使得其产生的震动或噪音现象较不容易被使用者察觉。

再者，当感应马达运转时，若将其断电(即，控制开关11呈关断状态)后，仍会因惯性而保持运转，但运转速度会逐渐降低，因此，控制开关11呈关断状态的时间势必不能太久，否则会让使用者明显发现转速发生变化，其中，当感应马达(连同负载)速度由正常运转速度，降低正常运转速度的一半时，前述所花费的时间称之为“惯性持续时间”，而控制开关11呈关断状态的时间需小于“惯性持续时间”，且关断时间越小越佳。以风扇为例，其正常转速通常为300rpm～1200rpm(每分钟转速)，周期约为50ms(毫秒)～200ms，此外，由于“惯性持续时间”通常为好几秒钟，因此，单就风扇来说，该控制开关11呈关断状态的时间以小于1秒钟为佳，而交流电AC的变化普遍为50Hz～60Hz，其半周期约为8ms～10ms，因此，根据交流电AC的半周期来调整控制开关11的导通状态与关断状态，便能够在使用者不察觉到转速有间歇变化的情况下，达成节能功效。

同理可知，在电热器被断电时，其温度仍会保持在当前温度，之后才会逐渐下降(相当于前述“惯性持续时间”)，因此，当本发明的控制电路应用于电热器时，若控制开关呈关断状态的时间小于“惯性持续时间”，则能使用户无法察觉到温度有明显下降的情况下，调节负载功率进而达成节能功效。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种在跨零点切换开关状态的控制电路，应用至一交流负载上，该控制电路包括：

一控制开关，与该交流负载相串联，且能接收外部传来的交流电；及

一处理单元，电气连接至该控制开关，且能控制该控制开关的导通状态或关断状态；

在处理单元接收到一导通指令后，其会在交流电的电压波形由正半周朝负半周变化或负半周朝正半周变化，并为零点附近的状态下，才会使该控制开关呈导通状态；在处理单元接收到一关断指令后，其会在交流电的电流波形由正半周朝负半周变化或负半周朝正半周变化，并为零点附近的状态下，才会使该控制开关呈关断状态，且该控制开关的关断状态会保持至少一个的半周期。

2.如权利要求1所述的控制电路，其中，该控制开关呈关断状态的时间低于该交流负载的惯性持续时间。

3.如权利要求2所述的控制电路，其中，该交流负载为一感应马达，该感应马达的一马达定子线圈在接收到外部传来的交流电后能形成旋转磁场，以使一转子旋转，令该转子能驱动一装置运作，且该马达定子线圈与该控制开关相串联，并能接收外部传来的交流电。

4.如权利要求2所述的控制电路，其中，该交流负载为一电热器。

5.如权利要求1至4任一项所述的控制电路，其中，该控制开关的导通状态与关断状态呈规律变化。

6.如权利要求1至4任一项所述的控制电路，其中，该控制开关的导通状态与关断状态呈不规律变化。

7.如权利要求6所述的控制电路，其中，该控制开关为硅控整流开关。

8.如权利要求6所述的控制电路，其中，该控制开关为三端双向交流开关。

9.如权利要求6所述的控制电路，其中，该控制开关为桥式整流器搭配金属氧化物半导体场效晶体管所组成。

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