小家电又称家用小电器,分为厨卫、家居、生活等多类,产品名目众多,涉及到日常生活的方方面面,如破壁机、吸尘器、加湿器、空气清新器、电子美容仪、电子按摩器、扫地机等。下面就小家电中常见的驱动电路进行分析,供检修时参考。

1.有源蜂鸣器驱动电路

        蜂鸣器是家用电器中最常见的发声元件,分有源蜂鸣器和无源蜂鸣器两大类(如图1所示):前者内置简单的振荡电路,只要在其两端加上一定的直流电,蜂鸣器就能持续发声;后者未内置振荡电路,只有在其两端加上一定频率的交流信号,蜂鸣器才能持续发声,其作用等效于一只微小功率喇叭。在小家电中,普遍采用有源蜂鸣器用作操作提示或报警提示,其驱动电路如图2所示。

        三极管Q1 b极接蜂鸣器开/关控制信号(ON/OFF),当该信号电压高于Q1的b-e结死区电压(硅材料三极管为0.6V,锗材料三极管为0.3V)时,Q1导通,+5V供电经蜂鸣器LS1->电阻R3->Q1的c、e极->地,LS1发声;当ON/OFF信号电压低于Q1的b-e结死区电压时,Q1截止,LS1不发声。

        R1和R3起限流作用,改变R1的值即可改变Q1的b极电流(Ib), 具体公式为Ib=(UIN-0.6V)/R1。R2起下拉作用,R2的阻值应以控制信号为高电平时Q1刚好导通为宜,若过大,会导致Q1的b-e结偏压(Ube )过高,易损坏Q1,同时在控制信号为低电平时,Ube下降缓慢,Q1在较长时间内不能完全截止,Q1的功耗增大;若R2的阻值过小,虽然有助于提高Q1的关断速度,但会增大控制信号的损耗,易导致控制失灵。
2.电磁继电器驱动电路

        电磁继电器主要由线圈、铁芯、衔铁、弹簧和动、静触点组成,是一种用小电流、低电压去控制大电流、高电压的电控“开关",广泛用于各类自动控制电器中,其常见驱动电路如图3所示。

        当控制信号为高电平时,三极管VT导通,继电器JK的线圈中因有电流流过而产生电磁力,衔铁因受到电磁力吸引而移动,从而带动触点“3”,使之与触点“1"(常闭触点)断开,与触点“5"(常开触点)接通,同时指示灯LED发光;当控制信号为低电平时,VT截止,JK线圈断电,电磁力随之消失,衔铁在复位弹簧的作用下返回到原位,这时触点“3”、“5"断开,触点“3”、“1”接通,LED熄灭。
        在实际应用中,也可用PNP型三极管作为驱动管,这时继电器在控制信号为低电平时动作,在控制信号为高电平时不动作。
        提示:在电磁继电器线圈未通电时,与动触点(标注多为“COM”)未接通的静触点称为常开触点,其标注多为“NO";与动触点接通的静触点称为常闭触点,其标注多为“NC"。
        二极管VD1为续流二极管,对继电器起保护作用。当VT截止时,JK线圈中的电流通路突然中断,若未安装VD1 ,这时将在线圈两端产生较高的反向电动势,极性为下+上- ,电压值为数百伏,这个电压极易导致VT过压损坏。安装VD1后,线圈产生的反向电动势通过VD1放电,使得VT c极的对地电压不超过vCC+0.7V,从而有效地避免VT过压损坏。
3.直流电机驱动电路

         在要求直流电机能正反转的便携式小家电中,大量采用H桥式驱动电路,如图4所示。

         该电路是一个典型的直流电机控制电路,因其形状酷似英文大写字母H而得名。三极管VT3~VT6组成“H"的两竖,而电机则是"H"中间的一横。
         Stop/Run是电机启动/停止控制信号,当该信号为低电平时,PNP型三极管VT1饱和导通,H桥式驱动电路得电;反之,H桥式驱动电路失电。
        要让电机运转,必须同时让位于对角线。上的一对三极管 导通。控制不同三极管的导通,可使电流从A至B或从B至A流过电机,从而控制电机的转向。当正/反转控制信号(F/W )为低电平时,VT2导通,VT4、VT5随之饱和导通,vCC->VT1->VT4->A->电机->B->+VT5->地,流过电机的电流方向为从A至B,电机向某一方向转动,同时指示灯LED1发光。当F/W信号为高电平时,VT7导通,VT6、VT3 随之饱和导通,VCC->VT1->VT6->B->电机->A->VT3->地,流过电机的电流方向为从B至A,电机向另一方向转动,同时指示灯LED2发光。
        二极管VD1~VD4是续流二极管,其作用是保护与之并联的三极管,防止电机线圈产生的感应电动势损坏三极管。须说明的是,在实际产品中,如果直流电机的功率较大,H桥式驱动电路中的晶体管多采用大功率MOSFET管(金属-氧化物半导体场效应晶体管),其工作原理与上述分析基本相同,此处不再赘述。
4.复合管驱动电路
       三极管作为电流放大元件,涉及到两个重要参数:一是放大倍数(β),β值越大,灵敏度1越高,反应越快;反之,灵敏度越低,反应越慢。另一个参数是集电极最大允许电流lcm (当B值降到额定值的2/3时,此时的集电极电流值称为lem),实际工作电流不得超过lcm, 否则易导致三极管过流损坏。

       在现有的三极管中,高β值三极管的Icm值往往较小,无法直接驱动电机、电热丝、大型电磁继电器等大电流负载;高Icm值三极管的β值往往较小,不适宜单独作为驱动管。因此,在采用三极管驱动大电流负载时,为了保证驱动电路的输出功率,并兼顾灵敏度与可靠性,通常采用复合管驱动电路,常见电路如图5、图6所示。

        图5为NPN型复合管驱动电路,三极管VT1 (9013,β =150 ~300,Icm =0.5A) 和VT2(TIP41C,β=10~15,lcm=6A)组成NPN型复合管。当输入信号为高电平时,VD1、VT1和VT2导通,允许有较大电,流流过负载,此时OUT端为低电平;当输入信号为低电平时,VD1、VT1和VT2截止,无电流流过负载,此时OUT端为高电平。
        图6为PNP型复合管驱动电路,三极管VT1(9012,β=150-300,Icm=0.5A)和VT2 (TIP42C,β=10~15,Icm=6A)组成PNP型复合管,其工作原理与上述相同。
         提示:复合管又称达林顿管,是指用两只或多只三极管按照一定规律进行组合,等效为一只三极管。前面的三极管通常采用高β值三极管,末级三极管通常采用高Icm值三极管。复合管的极性与前面第一只三极管的极性相同,复合管的放大倍数等于各只三极管的放大倍数之积。
5.步进电机驱动电路

        步进电机又称脉冲电动机,是一种将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的电动机,具有控制精确性能稳定等优点,广泛用于对速度、方向、角度或位移精确控制的电器中。须说明的是,步进电机须连接专用的驱动电路才能运转,而普通电机不具有这一特点。驱动电路的作用是对单片机发出的脉冲进行变换,得到符合步进电机要求的脉冲信号,并加到步进电机相应线圈的两端,如图7所示。

        A~D是步进电机驱动信号端,接单片机。IC1(ULN2003 )是一个非门电路,内含7组高耐压、大电流达林顿管的驱动电路,以及消除线圈反电动势的二极管,每组电路的驱动电流可达500mA,具有电流增益大、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等优点,广泛用于继电器、显示器、电磁阀、伺脈电机、步进电机等器件的驱动。

        步进电机每得到一个脉冲信号,转子就转动一个角度或前进一步。 电机输出的角位移或线位移与输入的脉冲数成正比,转速与脉冲频率成正比。改变脉冲顺序,即可改变电机的转动方向。
        IC2(OTC608 )是霍尔传感器。在电机运转中,当磁铁靠近霍尔传感器时,IC2的②脚输出高电平,三极管VT1截止,OUT端输出高电平;当磁铁离开霍尔传感器时,IC2的②脚输出低电平,VT1导通,OUT端输出低电平。如此周而复始,ouT端输出一组脉冲串,送给计数器或单片机等电路,这样便可通过脉冲数计算出电机的实时转速。
       提示:霍尔传感器是利用半导体材料的霍尔效应进行测量的一种磁敏式传感器,它可以直接测量磁场的微小位移量,应用于压力、加速度、转动、振动等测量领域。
6.电阻加热驱动电路
       在部分雾化器、恒温箱、美容仪等小家电中,其加热元件采用大功率电阻,如图8所示。三极管VT1和VT2组成PNP型复合管。当HOT端为低电平时,光耦IC1(P521①、②脚内部的发光二极管发光,其③④脚内部的光敏三极管导通,IC1的④脚为低电平,VT1、VT2导通,电阻R4得电发热。


         如果要控制R4的发热量( 即控制加热温度),则在HOT端加上PWM脉冲,R4的工作周期由脉冲的频率决定,R4在一个周期内的发热时间由脉冲的占空比决定。
         提示:电阻加热是指利用电流的焦耳效应产生热能对物体进行加热,这是最简单、最广泛的电加热方式。电阻加热可分为间接电阻加热和直接电阻加热两大类:前者是让电流通过电热元件[如电阻丝、热敏电阻(PTC)、电热膜等],先让电热元件发热,然后以热传导、热对流或热辐射方式间接加热目标物体,如常见的电饭锅、吹风机、电热毯等电器均采用这一方式;后者是指让电流通过被加热物体本身,利用被加热物体本身的电阻发热来达到加热目的,如利用水本身的电阻加热的电热水器就采用该种方式。
7.矩阵键盘驱动电路
        在控制电路中,若按键数量较少(一般不超过8个),通常采用独立按键或分压式按键电路;若按键数量较多(一般多于8个),为了减少按键对单片机1/0口的占用,多采用矩阵键盘驱动电路。下面以4X4矩阵键盘(可接16个按键)驱动电路为例进行说明,其典型电路如图9所示。

        图中COL1~COL4为列线端口,分别通过上拉电阻接+5V电源,同时通过插座J1接单片机的/0口,作为输入端;ROW1~ROW4为行线端口,通过J1接单片机的I/O口,作为输出端。IC1(cD4082)是四输入与门电路(工作电压是3V~18V ),作用是输出按键状态信号送给单片机。
         微动按键S1~S16位于行、列线的交叉点,上,S1~S16的两端分别与行列线相连。由于同一行、列线为多键共用,因此需要-定的方法来识别行、列线的电平状态,以便判断是否有按键被按下,以及哪一个按键被按下。目前,按键识别方法主要有扫描法和线反转法两种,其中扫描法最常用。扫描法又称为逐行(或逐列)扫描查询法,图9采用的是行扫描法,其工作原理如下:
         (1)判断键盘中有无键按下
         单片机先将全部行线置为低电平,然后检测列线的电平,若端口COL1~COL4均呈高电平,表示键盘中无键按下。此时,IC1因4个输入端(②~⑤脚)全为高电平,则输出端①脚输出高电平。
只要端口COL1~COL4中某一个为低电平,就表示键盘中有键被按下,而且闭合的按键位于低电平列线与4根行线相交的4个按键之中。此时,IC1因某一个输入端为低电平,则输出端①脚输出低电平,以便单片机锁定最先按下的按键。
        (2)判断闭合按键所在的位置
         在确认有键按下后,单片机立即运行确定具体闭合键的程序:单片机依次将行线置为低电平(即在置某条行线为低电平时,其他行线均为高电平),并同时检测各条列线的电平。此时列线的电平状态将由与之连接的行线电平决定,如果行线电平为低电平,则列线亦为低电平,反之则为高电平。若检测到某条列线为低电平,则该条列线与当前置为低电平的行线交叉处的按键就是闭合按键。
8.双向可控硅驱动电路
        双向可控硅由两只晶闸管反向连接而成,有两个主电极(T1和T2)和一个门极(G),其最大特点是在G极触发下,电流既可从T1极流向T2极,也可从T2极流向T1极。双向可控硅是一种较理想的交流开关器件,现已广泛用于调光、调速、调温、变频等电路中,其典型应用电路如图10所示。


       AC_IN1、AC_IN2端是交流供电输入端,A、B端是负载连接端,OUT端是过零检测信号输出端。VT1(BT136)是一只大功率双向可控硅,具有体积小、效率高、稳定性好、工作可靠等优点,其断态重复峰值电压(VDRM)可达600V,反向重复峰值电压(VRRM)可达600V ,通态平均电流(IT)可达4A。CTRL端是控制信号输入端,通过光电耦合器IC1(MOC3043)控制VT1的通/断,同时还可控制VT1的导通角,从而实现对电路输出功率的控制。

       为了最大程度地减小可控硅电路对交流供电电路的干扰,要求可控硅在交流供电电压为0V时才导通。因此,在可控硅电路中通常安装有过零检测电路,为可控硅的导通提供依据。在本电路中,过零检测电路由桥式整流二极管VD2~VD5、分压电阻R6.R7及三极管VT2、VT3等元件组成。当C点电压不低于0.7V时,VT1导通、VT2截止,OUT端输出为高电平;当C点电压低于0.7V时,VT2截止、VT3导通,OUT端输出为低电平,其波形如图11所示。