低成本解决功率过载的交流调压插座的设计

张雪君　高宏进　魏文斌　张雪　李少鹏

摘 要：交流调压技术作为一种高性能调压技术可实现中小型功率用电器在特殊的限制功率的场合的过载使用，符合电力电子技术的高频化、高效化以及低污染发展趋势。运用双向可控硅调压电路的电压调节原理，调节元件参数与可控硅控制角之间的定量关系，利用公式确定控制角与电压之间的关系。对此三者间关系进行分析，得出调节元件参数和电压间关系，从而设计出一款更为准确有效，简单方便的可控调压插座。

关键词：低成本 交流调压 双向可控硅

中图分类号：TM46 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）06（b）-0101-02

交流调压技术可实现中小型功率用电器在特殊的限制功率的场合的过载使用，可解决如学校、办公室等无法使用大功率用电器等问题。交流调压技术作为一种高性能交流调压技术，符合电力电子技术的高频化、高效化以及低污染发展趋势，将成为调压领域中不可或缺的一份子。传统的调压方式采用的是自耦变压器、感应调压和饱和电抗器等电磁装置，针对这些装置调压范围小、占用空间大而且造价高等缺点，提出了以可控硅来实现一种多功能调压插座，通过控制可控硅的触发角来控制负载两端的电压，从而实现调压目的。电路简单高效经济使用方便。它能适应家用电器多种电压的需要，如电灯的调光，电机的调速，热得快，小太阳和电炉的调温等等。该调压插座以调压范围广、空间小、价格低等特点成为未来市场上一种极具竞争力的新型产品。

1 交流调压插座工作原理

当电路接通交流市电后，交流市电便通过负载电阻电位器和电阻R3、电阻R2向电容器C1充电，只要电容器C1上的充电电压高于双向触发二极管的转折电压，电容器C1便通过限流电阻R1以及双向触发二极管VD1向双向可控硅VS的控制极放电。触发可控硅VS导通。改变电位器的阻值便可改变向C1充电的速度，也就改变了双向可控硅的导通角。由于双向触发二极管在正、反电压下均能工作，所以整个电路可以工作于交流电的正、负两个半周。L、C2、R4、C3、R5构成滤波电路，有效抑制了辐射干扰和传导干扰，避免可控硅瞬间导通产生的高次谐波对电网造成伤害，也防止对临近收音机产生电磁波干扰。该电路在双向可控硅加散热器的情况下，可控负载功率可达1000 W。

2 VS触发环节设计

双向二极管伏安特性曲线如图2所示，其中OP段为截止区，PV段为负阻区，VP1 段为饱和区。VS导通受控于双向二极管产生的触发脉冲电流，而双向二极管只有在Uc增加到UP后，由于P-V段负阻区，引起强烈的正反馈，又因Uc不能突变，故瞬间使工作点由P点跳变至P1点，此刻VD1中有电流i，当脉冲电流峰值Im大于VS的触发电流时，VS便导通。

3 滤波电路设计

单纯的可控硅调压电路会产生两种干扰：一种是传导干扰，是由正弦波畸变，产生高频电流和电压沿着电源线耦合而干扰邻近的的同电网的收音机，并对电网造成污染。针对此种干扰，本调压插座电路采用电阻R5电容C3电感L组成的滤波电路，L可选用100～300 uH，本电路选用300 uH，电容选用0.22 uF/400 V。将电阻和电容并联在电源两端，使干扰经它入地，而不从电源线耦合出去，如果使防干扰效果更好，还可以用LCπ型滤波电路；另一种干扰是辐射干扰，干扰能量以高频电磁波形式从导线中辐射出去，通过收音机的天线和地线进入收音机的回路，从而干扰收音机的正常工作。本电路将电阻R4和电容C2并联在负载两端，使干扰电磁波不进入负载，就可以达到抑制辐射干扰的目的。

4 各元件详解

4.1 保护电阻

R1是保护电阻，用来防止调整到零电阻时，过大的电流造成半导体器件的损坏。R1太大又会造成可调光范围变小，所以应适当选择。

4.2 功率调整电阻

R3决定白炽灯可调节到的最小功率，若不接入R3，则在调整到最大值时，白炽灯将完全熄灭，这在家庭应用中会造成一定不便。接入R3后，当调整到最大值时，由于R3的并联分流作用，仍有一定电流给C1充电，实现白炽灯的最小功率可以调节，若将R3换为可变电阻器，则可实现更精确的调节，以确保量产的一致性。同时R3还有改善电位器线性的作用，使灯光变化更适合人眼的感光特性。

4.3 可控硅的缓冲保护

可控硅在电路中工作时，它的开关状态并不是瞬间完成的。可控硅刚导通时的等效阻抗还很大，这时如果电流上升很快，就会造成很大的开通损耗；同样，在可控硅接近完全关断时也还有较大电流，这时如果可控硅两端的电压迅速上升，也会产生很大的关断损耗。开关损耗会导致可控硅的发热量增加，严重时会造成期间烧毁。采用适当的缓冲措施来抑制电流和电压的上升速率，可以有效改善可控硅的开关工作条件。

4.4 电路应用

此电路若应用于调光，会出现可控硅调光电路的滞后现象，普通的可控硅调光电路存在开机功率和关机功率不一致的现象，这种电位器调至最小角度时的功率比开机时同一位置的功率要大的现象，就是普通调光电路的滞后效应。滞后效应产生的原因是每次触发可控硅时，充电电容被部分放电引起的。在触发二极管上串入一个小电阻可以大大减轻这种现象，还有一种有效的方法是在电阻R1和电容C1两端并联一电容，用此电容去触发可控硅，避免了滞后效应的出现。另外使用可控硅调光电路时，当负载小于一定功率时，灯泡就会出现闪烁现象，这是由于可控硅的最小维持电流不足所引起的。由于不同型号的可控硅的最小维持电流并不一致，所以生产厂家都会在产品说明上标示出适用的最小负载功率限制，在使用时必须注意这个问题。

5 结语

本款以可控硅为主要元件的交流调压插座，控制简单，在交流电稳定在220 V时输出电压可以实现0～194 V的均匀可控调节，能够快速并稳定的输出电压。解决了一般调压电路产生高次谐波污染电网、辐射干扰和传导干扰、电压调节不均匀产生突变等问题。

参考文献

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[2] 刘志刚.电力电子学[M].北京：清华大学出版社，2004.

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