關于家用空調電控設計中相關要點探討

申忠鑫

【摘 要】文章結合筆者的實際工作經驗，主要針對家用空調的電控系統設計要點進行了詳細地總結與分析，以僅參考。

【關鍵詞】家用空調電控系統；遙控器；室外機；變頻空調

引言

隨著經濟的發展和生活水平的提高，空調在我國的普及率正在迅速提高，其用電量在以驚人的速度增長，空調用電直接影響國家能源安全戰略和國民經濟的可持續發展。家用空調分室外機跟室內機，而空調的電控系統是整個空調的核心和大腦。本文主要對定頻電控的硬件和元器件進行了探討，同時對變頻空調電控原理進行淺析。

1 定頻家用空調的電控設計

空調控制器的主要作用是通過采集一些輸入信息，經過MCU的分析和處理，根據結合電控功能規格書的要求控制相應負載工作。

1.1 硬件電路設計

① 電源電路：一般家用空調的電源主要有兩路：+5V和+12V。+5V主要為芯片提供電源，+12V則主要是提供給繼電器、步進電機、蜂鳴器等。電源通常采用變壓器變壓→橋式整流→電容濾波→穩壓管（7805和7812），最后分別輸出+5V和+12V。

② 芯片外圍電路：主要包括時鐘電路和復位電路。時鐘電路主要是利用晶振或陶瓷諧振器產生時鐘供給芯片；復位電路則主要通過芯片7042或分壓型電路，保證在上電時控制器能可靠復位。

③ 采樣電路：主要有溫度采樣和電流采樣。采樣電路主要是通過電阻分壓，MCU采樣電壓信號進行A/D轉換。

④ 功率驅動電路：一般采用ULN2003或三極管來實現功率放大，驅動繼電器、蜂鳴器步進電機等負載。

⑤ 負載強電電路：壓縮機、四通閥、內外風機、電輔熱、殺菌等都是通過驅動繼電器的關斷來控制220V電壓輸入，室內風機根據不同的設計要求，也有用可控硅控制220V電壓輸入。

⑥ 通訊電路：定頻家用空調一般都是用電流環通訊，電路簡單，設計成本低。

1.2 元件設計

①主芯片MCU：主要作用是采集環境信息和輸入信息，根據功能要求實現對系統的控制。

②復位芯片7042：當該芯片的輸入電壓低于4.2V時，產生低電平信號，觸發芯片復位。主要作用是保證當控制器電源部分受到強烈干擾時，使主芯片能可靠復位。

③晶振和陶瓷諧振器：為主芯片提供時鐘信號，該信號的穩定性將直接決定芯片工作的穩定性。

④變壓器：將市電220V轉化為低壓交流，然后通過整流和穩壓為控制器提供低壓直流電源。

⑤穩壓管7805和7812：由于220V電源的波動很大，變壓器輸入的電壓經過整流后，穩壓管可以起到穩定直流電壓的作用。

⑥繼電器：通過繼電器實現+12V對220V強電電器件的控制。

1.3 工藝設計

目前定頻家用空調電路設計都已經相當成熟，工藝控制體現在電路設計上主要有以下幾方面：

①降額設計：在選擇器件的規格時，器件的額定容量一般都比實際運行條件大一倍左右，這樣可以提高元器件工作的壽命，但同時會帶來成本的增加，所以二者要選擇適當的平衡點。

②改善控制器工作的環境：在惡劣的環境下，元器件出現損壞的概率會大大提高。一般空調控制器都是密封的，散熱不好，所以在設計時要盡可能地降低元器件的發熱，例如選擇變壓器時容量選擇偏大一點，部分功率電阻的功率適當選大一點，穩壓管配大點的散熱片。

③電路保護：對于傳感器、風機反饋等電路，由于輸入端受到外界干擾時可能會帶來電位的上升，所以在設計電路時，一般增加嵌位二極管，防止由于干擾導致弱電元器件被損壞。另外，對于部分采用三極管驅動繼電器的電路，在繼電器的控制端要增加續流二極管。

2 遙控器設計

空調遙控器系統可分為：集成電路IC（MCU）、芯片外圍電路、液晶顯示電路鍵盤、背光功能電路、隨身感測溫電路和紅外發射電路。

①芯片外圍電路。包括RC復位電路和時鐘電路，首次裝上電池、剛接通電源或按下復位鍵后，遙控器進入復位狀態。時鐘電路主要通過晶振和陶振兩個高低頻振蕩器給芯片提供時鐘脈沖信號，在待機狀態時僅有低頻振蕩器工作，以完成計時及液晶驅動等低速的操作，當芯片讀到有效按鍵時，啟動高速振蕩器，利用其輸出的高頻信號產生的輸出以驅動紅外發射電路，在紅外發射結束時將系統時鐘重新切回低頻并關閉高頻振蕩器，以此減小遙控器的待機功耗。

②液晶顯示電路：遙控器的液晶一般由芯片信號直接驅動，兩者之間通過斑馬導電條連接。

③紅外發射電路：當遙控器主芯片接受到非獨立的按鍵信號，紅外發射電路便發射包含當前信息的代碼，用以控制主控電路工作。同時，點亮發射指示燈，顯示發射指示圖形。

④隨身感測溫電路：通過把溫度傳感器與一固定阻值的電阻串聯，利用溫度傳感器阻值隨溫度的變化而變化的特性，將環境溫度這一非電量轉化成模擬電信號，再通過A/D電路，將之轉化為數字信號，并通過芯片內部處理，顯示在遙控器液晶上。

⑤背光功能電路：按鍵時，使背光點亮，在一定時間后自動熄滅背光。

3 變頻空調電控設計

變頻空調分為交-交變頻（交流到交流）與交-直-交變頻（交流-直流-交流）。對家用電器的變頻控制而言，不論是交流變頻還是直流變頻都是通過交-直-交的方式來實現變頻運轉的，即要得到可調頻率的交流電。首先要把220V的交流市電整流為直流電，然后再由直流電變為可調頻率的交流電，從而完成變頻過程。

3.1 交流變頻

①依據原理：n=60f（1-s）/p （n—壓縮機轉速，f—壓縮機供電頻率， p—電機極對數，s—轉差率），通過改變壓縮機供電頻率f，在p與s不變的情況下，壓縮機轉速就會跟隨頻率的變化而變化。

②交流變頻的核心：V-F曲線（電壓-頻率曲線）。在改變壓縮機供電頻率f的同時，必須同時改變輸出給壓縮機的電壓，而且兩者要等比例變化，否則將會出現壓縮機運轉不良、變頻模塊保護、整機功率因素低、能效比低、振動大等情況。電控開發人員根據壓縮機的V-F曲線調節輸出的頻率及電壓，從而使壓縮機工作在最佳狀態。

3.2 直流變頻

直流變頻并不是說壓縮機是直流電供電，而是指采用的是一種稱為直流無刷電機的壓縮機而簡稱為直流變頻。它的轉化方式也是采用交-直-交的方式。

①優點：運行效率高、調速性能好、轉矩大、噪音低、能效比高。

②分類：有方波驅動（輸出波形為方波）與正弦波驅動（輸出波形為正弦波）兩種方式，這與壓縮機結構及特性有關，國內廠家大部分為方波驅動，日本廠家多采用正弦波驅動。

③原理：控制芯片需要時刻檢測壓縮機的位置，通過位置信號來實現壓縮機的換相運行，所以直流變頻難點在于壓縮機位置檢測及起動運行。

4 結束語

綜上所述，家用空調電控設計包括遙控器和室內外電控部分，尤其以變頻空調的室外機電控更為復雜，因此合適的電控原理、電控工藝、電控器件設計對家用空調的設計起著非常重要的作用。

【參考文獻】

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[2]金雍，崔繼斌等.變頻電控電控系統的設計[J].電源技術應用，2004.4