基于双向可控硅的电水壶电路设计
丁子峰 袁娜
摘 要：无绳电水壶由于外形美观而且使用较为方便走入了人们的日常生活，但无绳电水壶的电路中有多处触点及附属机械结构，在使用过程中的故障率很高。分析了各种常见故障的产生原因，并设计了一种利用光电耦合器控制双向可控硅进而控制电路通断的电水壶电路，从而降低电水壶的故障率。
关键词：无绳电水壶;双向可控硅;光电耦合器;电容降压;RC缓冲
中图分类号：TM925.5??????? 文献标识码：A
doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.09.005
0 引言
无绳电水壶因其使用方便，外形美观而走入了人们的日常生活。无绳电水壶主要由发热元件、蒸气开关、热断路器、底座及耦合器组成[1]。
下面将分别对蒸气开关、热断路器和耦合器的各种常见故障及故障原因进行分析，并据此设计较为详细的电路方案、绘制电路原理图并计算电路参数。
1 常见故障分析
1.1 蒸气开关
蒸气开关为双金属片式限温器，它是在电水壶正常工作时起作用的，即当水被煮开时切断电源[2]，它也是开启电水壶工作的主要开关，两种工作过程均属于带载通断电，容易使得触头表面氧化断路，致使水壶无法继续工作;而且每煮一次开水就要动作一次，它是属于频繁动作的开关，触头容易熔焊而失灵[2]，导致发热盘在水烧开以后无法切断电源而一直处于工作状态。
1.2 热断路器
当水壶中的水较少或因为限温器失灵造成水壶进入干烧状态时，就要靠自复位热断路器动作来起到保护作用，它也属于经常动作的开关，同样也会因熔焊失灵而不能断电的时候[2];热断路器一般由左右两侧两个双金属片作为感温元件，当双金属片动作时通过小瓷棒压下动触头断开电路，且为了节省安装空间和安装难度，热断路器一般与耦合器共同制成一个整体，为保证可靠的绝缘，所有接线端子和动作触头均直接安装在塑料支架上，当触头间由于多次带载动作使得表面氧化时造成局部电阻偏大，进而导致局部产热量增大，使得塑料支架受热变形，引起接线端子或动作触头松动甚至直接脱落，发生断路故障。
1.3 耦合器
耦合器是无绳电水壶特有的器件，所谓无绳就是指壶体上没有直接引出的电源线，而水壶在烧水时的供电就要来自于底座，耦合器就是由底座向壶体供电的结构，其中母座位于壶体底部，与热断路器一体，其导电铜环与热断路器的触点间为冷压连接，常因热断路器的局部发热引起冷接部位塑料变形，使得冷接位置松动，加速损坏过程;耦合器公座在底座上，由于错误的操作顺序（先闭合温控开关，再将壶体置于底座上）会使得耦合器带载接通，因此导致公座中触点表面氧化，使得局部电阻增大，导致局部产热量增大（或直接断路），致使触点固定位置塑料变形，连接松动，加剧损坏过程[3，4]。
1.4 总结
总结以上几点进行分析，所有故障的根本原因是大电流有载分接，所以要降低故障率，就要降低触点的分接电流或者使用非机械触点的开关元件。
2 电路设计
2.1 控制回路设计分析
根据上述分析结果，为降低无绳电水壶的故障率，降低蒸气开关的分接电流，将其作为提供低压开关信号的传感器使用;拆除原有热断路器，采用两个温度分别为105 ℃和110 ℃的常闭温控开关（如图1所示）布置在原热断路器双金属片位置处，传递的低压开关信号用于确定壶底的温度范围;在壶底增设位置检测开关提供低压开关信号，保证在耦合器接触良好后，位置检测开关再闭合，只有当确定位置开关闭合后，才能发出控制信号让发热盘接入电路工作，确保耦合器不会带载接通电源。
控制回路使用STC89C52系列单片机做控制回路的主控芯片，通过电平信号控制光耦的输入端来控制双向可控硅的通断，其工作流程如图2所示。
如图3所示为控制回路原理图，当P2.4引脚输出为低电平时，LED1导通，MOC3601的1、2脚间的发光二极管发出足够强度的红外光[5]，双向可控硅具有接通条件，当P2.4引脚输出为高电平时，LED1截止，MOC3601内部发光二极管不发光，双向可控硅无法接通。K1为常开开关，K2蒸气开关，K3、K4均为常闭型温控开关，K1用于检测电水壶壶体是否与底盘接触良好，可使用普通的常开微动开关;K2使用原水壺的蒸气开关，不再用于直接分断大功率负载，仅用于提供开关信号，提高了使用安全性，降低了故障率，并且可保证蒸气开关处原有结构不变;K3和K4为105 ℃和110 ℃的常闭温控开关，用于检测发热盘附近壶底温度，阶梯温度设置，双重保障提高使用安全性;LED2、LED3、LED4、LED5用于指示K1、K2、K3、K4工作状态;时基电路由12 MHz晶振和两个30 pF电容组成。
2.2 主回路设计分析
为降低电水壶的故障率，使用双向可控硅（1.4中所述非机械触点开关器件）作为控制电水壶通断电的开关器件，这样可以避免在大电流的主回路中使用机械触点有载分接电水壶发热盘。
如图4所示为主回路原理图，其中BTA16-600B为双向可控硅，R1是MOC3601的输出限流电阻，其阻值由交流电网的电压峰值及MOC3601的输出端所允许的重复冲击电流的峰值决定，在220 V电网中此限流电阻可取330 Ω，R3和C1做RC缓冲电路，用于双向可控硅的保护，U1是MOC3601，它的输入端为1、2脚，在5～15 mA的正向电流作用下可使输入端的一镓砷发光二极管发出足够强度的红外光，该红外光可触发输出部分，4、6脚间是具有过零检测功能的硅光敏双向开关，利用双向开关的开关控制双向可控硅的导通与截止，进而控制电水壶发热盘的通断，并且将输入与输出完全隔离[5]。
设发热盘功率为1500 W，则由
I=PU（1）
由公式（1）可知回路电流约为7 A，BTA16-600B的电流为16 A，足以作为发热盘的开关使用。
RC缓冲电路的参数可以参照下表选择。
由上表可选择缓冲电阻为100 Ω，缓冲电容为0.1 uF。
缓冲电阻功率按下式计算
P=（0.5～0.7）R（2）
式中 P—电阻功率（W）。
緩冲电容耐压值
UC=2.2U2m（3）
式中 U2m—电压峰值（V）。
此外，为了提高电水壶的使用安全性和电路安全性，在发热盘附近设置热熔体，热熔体直接串联在耦合器母座和电路板之间的火线上，其动作温度高于热断路器检测温度，当所有保护措施失效使得电水壶进入非正常工作状态时，热熔体（一次性保护器）作为最后一道防线切断电源，防止发生安全事故。
2.3 电源设计分析
在电路设计过程中，当电路受体积限制和成本限制时，采用电容降压是一种较为简单实用的方法。
如图5所示为电容降压电路，相关参数如下
XC=12πfC（4）
式中 XC—容抗（Ω）;
f—电源频率（Hz）;
C—电容值（F）。
IC=UXC（5）
式中 IC—电容C4的充电电流（A）。
由式（4）和（5）可知降压电容C4与负载电流IO的关系可近似表示为
C=14.5IO（6）
式中 C—uF级;
IO—安培级。
用于降压的电容C1的充放电电流IC等于降压后所带负载的负载电流IO。在电压频率恒定的情况下，电容的容量与容抗XC成反比关系，则C1的容量决定充、放电的电流大小。当其满足了所带负载的电流IO时，剩下部分的电流流经ZD1稳压管，因此在ZD1稳压管的最大允许电流的选择上应采用大于（IC-IO）的， 以保证电路可靠工作。C1的耐压值应大于2～3倍的电源电压，并且必须采用无极性的电容，本例中采用安规电容。R1的作用是给降压电容提供电流回路用以泄放多余的电荷，被称为泄放电阻，阻值选择1 MΩ。值得注意的是，电容降压属于非隔离降压，只适用于低压和负载稳定的场合，在使用过程中也必须注意安全。AC220 V经过电容降压和整流之后得到15 V的直流电，经过7805三端稳压管得到稳定的+5 V的输出供单片机使用[7]。
3 结论
根据故障分析找出了无绳电水壶触点类结构故障的根本原因是大电流有载分接，并据此设计了无机械触点结构分接负载的双向可控硅电路，避免使用机械触点结构分接大电流，从而降低其故障率;将蒸气开关、温控开关仅作为低压信号开关，降低其故障率;利用位置检测开关和软件延时上电的方法防止耦合器带载接通从而降低其故障率;计算出了电路的详细参数，是一种新的电水壶控制方法。
参考文献：
[1] 胡恒莹，吴挺.无绳电水壶认证中常见问题分析与探讨[J].日用电器，2006（11）：53-55.
[2] 邵志成，徐本元.关于无绳电热水壶着火原因的探讨[J].电机电器技术，2004（5）：30-32.
[3] 余向阳.机械控制型电水壶、电开水器分析与检修[J].家电检修技术，2014（4）：45-47.
[4] 王德沅.小家电维修系列文章之十七——电水壶常见故障维修技巧[J].电子世界，2003（5）：75-77.
[5] 陈明辉，吴一平.MOC3061触发晶闸管过零调功[J].电子技术，1994（9）：42-43.
[6] 高官龙. 晶闸管触发与检测自供电电路研究[D].郑州：郑州大学，2018.
[7] 王天凤.双向可控硅调功电路的实现与应用[J].电子世界，2016（23）：88+91.
基金项目：黄山学院大学生创新创业训练计划项目资助，黄山学院2019年度大学生创新创业训练计划项目：家用电器中基于双向可控硅的无接触器设计（2019015）
作者简介：丁子峰（1937-），男，安徽淮北人，本科在读，专业：机械电子工程。
通讯作者：袁娜（1987-），女，安徽蚌埠人，硕士研究生，助教，研究方向：管理科学。
