冰箱电控板硬件电路设计标准培训

电控板硬件电路设计标准培训

1.1弱电门灯开关设计要求

1.1.1电路原理

图1 弱电门灯开关电路原理示意图

1.1.2器件选用说明

1.1.

2.1CN5接门开关，DOOR SWITCH接芯片端口，芯片端口设置为输入口。

1.1.

2.2门开关接通时，标记1处为低电平；门开关关断时，+5V通过R1入芯片端口，标记1处为高电平；通过检测端口为低电平或者高电平来判断门开关的通断。

1.1.

2.3R24选用10K，1/4W碳膜电阻，R1 选用2.2K，1/4W碳膜电阻，C1选用104瓷片电容。

图2弱电门灯开关电路工作波形图

通道1为标记1处波形，通道2为标记2处波形

1.2强电门灯开关设计要求

1.2.1电路原理

图3强电门灯开关电路原理示意图

图4无稳压管强电门灯开关电路原理示意图

1.2.2器件选用

此电路与过零检测电路类似，将D3稳压管去掉。见波形图d。结合D1和D2实现LAMP的正负半周完全导通。通过下图a和b可以看出，在门开关接通时，芯片端口将能检测到方波。反之门开关断开时则一直为高电平。

1.2.3检测波形

图a 门开关接通时波形图b 门开关断开时波形

绿色为标记1处波形，黄色为标记2处波形绿色为标记1处波形，黄色为标记2处波形

图c 去掉D1 图d去掉D3

灯泡亮度明显减弱，黄色标记1处波形黄色为标记1处波形，绿色为标记2处波形

图5 电路实测波形图

1.2.4注意事项

强电门灯开关输入电路应采用下图，为了保护光耦电路，不可将稳压管去掉。

1.3环境温度检测电路设计要求

1.3.1电路原理

图6环境温度检测电路原理示意图

说明：采样电压 / 基准电压 =RNTC / (RNTC + R1)。依据关系：温度—电阻—电压— AD值，利用AD转换器，将电压转换成AD值。查看AD表，便可得到所检测的温度值。

1.3.2器件选用

1.3.

2.1NTC为环境温度传感器。

1.3.

2.2R1为10K、1%、1/4W电阻。

1.3.

2.3R2为2.2K、1/4W电阻。

1.3.

2.4C1为104瓷介电容。

1.4箱体间室及蒸发器上温度检测电路设计要求

1.4.1电路原理

图7 箱体间室及蒸发器上温度检测电路

1.4.1.1温度敏感材料在不同温度条件下，表现出不同的材料特性。温度检测利用了这个原理。最常用的温度传感器有：NTC（负温度系数）热敏电阻、热电偶、铂电阻、整体硅器件等。在冰箱控制器中，一般采用NTC热敏电阻。

1.4.1.2NTC热敏电阻通常由多种金属氧化物组成，混合在粘土中，并在高温炉内煅烧成致密的烧结陶瓷。氧连结金属往往会提供自由电子，且随着温度的增加，热激发会抛出越来越多的自由电子；随着许多电子载流通过陶瓷，其表现出来的有效阻值则降低。

1.4.1.3电阻随温度升高而减小，这种电阻性能被认为具有负斜率或负温度系数，这种热敏电阻被称为NTC（负温度系数）热敏电阻。

1.4.1.4电阻随温度的变化极为灵敏，典型变化为每摄氏度变化7%~3%。

1.4.1.5关于NTC热敏电阻，更详细的知识请查阅相关资料。

图8 电阻-温度曲线

说明：根据NTC热敏电阻阻值随温度变化而变化的特性原理，结合电阻分压电路（如图7、图8所示），采样电压 / 基准电压 = RNTC / (RNTC + R1)。依据关系：温度—电阻—电压— AD值，利用AD转换器，将电压转换成AD值。查看AD表，便可得到所检测的温度值。

1.4.2器件选用

1.4.

2.1CN1连接温度传感器。

1.4.

2.2R1为5.1K、1%、1/4W电阻。

1.4.

2.3R2为2.2K、1/4W电阻。

1.4.

2.4C1为104瓷介电容。

1.4.

2.5C2为10uF/16V电解电容，可供选择。

1.5过零检测电路设计要求

1.5.1强电过零检测电路原理（图9）

图9 强电过零检测电路原理示意图

1.5.1.1过零检测电路检测外部电源的过零点，输出方波信号，主芯片通过判断方波的上升或下降沿从而实现对电磁阀通道方向控制。

1.5.1.2外部220V/50HZ电源，电流（正半轴波形）从火线流入，经限流电阻R1流入光耦IC1，后经整流二极管D1流回到零线。当电流满足光耦内部LED导通发光时,光耦晶体管CE结导通，5V电源经上拉电阻R3流入CE结，主芯片外部中断口（INT0）检测低电平接近0（下降沿），由此判断电压已过零。当外部电源电流从零线流入（负半轴波形）电路，整流二极管D1反向截止，电路不工作，故光耦CE结截止，主芯片外部中断口检测到为高电平接近5V（上升沿），由此来判断电压未过零点。

1.5.2器件选用

1.5.

2.1R1：金属氧化膜电阻1W 100K(5%) ，限流电阻。

1.5.

2.2D1：整流二极1N4007 IF=1A，VRRM=1000V。

1.5.

2.3IC1：TLP521-1 [A] IF=70mA，VR=5V，IC=50mA，输出晶体管耐压55V，隔离电压2500V。

1.5.

2.4R3：上拉电阻，阻值10K，1/4W电阻。

1.5.

2.5R4：1K，1/4W电阻。

1.5.

2.6C1：滤波电容，0.1uF，50V。

1.5.3弱电过零检测电路原理(图10)

图10弱电过零检测电路原理示意图

外部电源经变压器降压之后为弱电，经整流二极管D1半波整流后为正半轴波形，当整流后电压高于三极管BE结导通压降时，BE结导通使CE结导通，5V电源经上拉电阻流过CE结，C极电压被拉低，故主芯片外部中断口检测到低电平（下降沿），由此判断此时外部电源已过零点。显然外部电源负半轴波形被整流二极管D1反向截止，故三极管工作在截止状态，主芯片外部中断口检测到高电平（上升沿），由此判断此时外部电源未过零点。其中C1,C2为滤波电容，滤掉尖锋波形和防止抖动

1.5.4器件选用

1.5.4.1D1：整流二极1N4004 IF=1A, VRRM=400V, 半波整流，取正半轴波形。

1.5.4.2Q1：三极管9013 NPN 低频放大50V0.5A0.625W。

1.5.4.3R1：4.7K，1/4W电阻。

1.5.4.4R2，R3：均为10K，1/4W电阻。

1.5.4.5C1：滤波电容，0.1uF，50V；

1.5.4.6C2：滤波电容，1000pF，50V。

1.5.5检测波形

图11 电源经限流电阻R1后波形（相对零线端）

图12 变压器输出经整流二极管整流后波形

图13 变压器输出端电压及芯片外部中断口电压的波形

1.5.6注意事项

1.5.6.1脉冲的高低电平均要在10+/-1mS，见图15的波形。

1.5.6.2设计电路时应根据硬件资源情况选择主芯片端口，如果硬件端口充足，尽量选用外部中断口，以便及时处理过零信号;如果硬件资源较紧张亦可选择普通输入端口，可能影响芯片对过零信号的及时处理（具体与芯片扫描周期有关）。

1.6延时电路设计要求

1.6.1电路原理

图14 延时电路原理示意图

1.6.1.1冰箱压缩机停机后，由于系统压力过高，负载大，在系统压力平衡以前重新启动压缩机，会因电流过大导致保护停机，为了避免此种现象发生，压缩机在停机后必须待系统压力平衡后才能重新启动，系统平衡时间在3－5分钟，因不同的系统时间会有所不同。

1.6.1.2电源上电时电源通过R101、R102给电容E101充电，于电阻R101电阻较大，大部分电流通过较小的电阻R102流向电容，充电电流由R102决定。电源断电时，二极管D101由于承受反向电压而截止，电解电容通过R101放电，放电电流由电阻R101决定，电阻越大，放电时间越长。当再次上电时，由于电容上的电压不能突变，芯片检测到电容上的电压若为低电平，说明电容已放电完成，达到了延时目的。1.6.1.3首次上电时的充电时间计算

RC电路充放电公式为：

Vc=E(1-e-(T/R*C))

——Vc为充电后的电压；

——E为电源电压。

说明：Vc只会接近E而不会完全等于E。

示例若芯片引脚对大于4.8V的电压识别为高电平，充电电压由0升到4.8V所用的时间为：

Vc=E(1-e-(T/R*C))

4.8＝5（1－e-(T/R*C)）

4.8/5＝1－e-(T/R*C)

e-(T/R*C)＝1－4.8/5＝0.04 T＝3.22×RC

R＝30K，C＝47UF，则T＝3.22×30×103×47×10－6＝4.54 S

1.6.1.4放电时间计算

放电曲线和充电类似，为一指数曲线，由于放电时间很长，可近似看作一恒流线性曲线计算：

∵U ＝Q/C Q＝I×T

∴U＝I×T/C T＝U×C/I＝U×C/（U/R）＝RC

——放电时间常数T2，电容通过R102及电路中的其它负载阻抗放电，由于R102相对于其它电阻非常大，可近似为T2＝R101×C＝4.7×106×47×10-6＝221 S （3min40s）

——通过选择合适的RC值，可确定延时时间，C一般选择小于100UF，用47UF或100UF均可，通过调整放电电阻的大小可确定延时时间。

示例 5min的延时计算

若用47UF电容，R＝T/C＝300/47×10－6＝6.38M，可选6.2M电阻。

若用100UF电容，R＝T/C＝300/100×10－6＝3M，选3M电阻。

1.6.1.5上电充电电阻参数的计算

在上电的瞬间检测电容电压，要在电容充电完成以前完成，因此充电的时间常数不能太小，要给芯片留有足够的时间检测电压。由于上电充电时间极短因此要精确认计算：

RC充电公式：

Vc=E(1-e-(T/R*C))

1.4＝5×【1－e（-t/R×C）】

1.4/5=1－e（-T/R×C）

e（-T/R×C）=0.72

-T/R×C=-0.3285

T=0.33RC

R＝3.3K，C＝47UF 时T＝0.33×30×103×47×10-6＝0.465S＝465MS

在上电465 MS内单片机完成对电解电容电压的检测。

通过上式，在单片机允许的时间T内先择充电电阻R102的大小。

1.6.2器件选用

1.6.

2.1R102 30k，为上电充电限流电阻。

1.6.

2.2R101 4.7M，为放电限流电阻。

1.6.

2.3D101 二极管IN4148,在放电截止导通，仅由R101放电。

1.6.

2.4C8 电解电容，47uF/25V，为充放电存储能量的电解电容。

1.6.

2.5C101 瓷介电容104/50V，为滤波电容。

1.6.3检测波形

.

图15 电容完全放电后充电的电压波形

图15说明：当电压上升到1.4V所用的时间为420MS，计算为465MS，因为计算是勿略R101 4.7M电阻情况下所得的结果，若并上此电阻实际电阻变小，充电时间会减小，理论与实际计算相符合。

波形a：在400MS内电压已经升到5V。波形b：电压由0升到5V的时间仅用了8mS。

图16 未完全放电时充电的电压波形

图17 R10230K电阻充电时的电压波形

图17说明：实测为4.52S，理论计算为4.54S，由于计算时是忽略R101 4.7M电阻时所得的，误差在允许范围内。

图18电容放电时的电压波形

图18说明：共用时233S，计算为221S，计算时忽略整个电路的阻抗。

1.7脉冲电磁阀驱动电路设计要求

1.7.1电路原理

图19脉冲电磁阀驱动电路原理示意图

以上海康源生产的电磁阀为例（不同厂家生产的电磁阀参数存在差别）：电磁阀有三个接口，一个进口和二个出口。双稳态指电磁阀在切断电源后有二个稳定状态，一个稳定状态是：进口管与其中一个出口管相通时与另一个出口管不通，另一个稳定状态与之相反。如图21所示，在线圈加入正脉冲电流后，进口管与图1中出口管2相通与出口管1不通。在线圈加入负脉冲电流后，进口管与图1中出口管1相通与出口管2不通。

图20

图21 固态继电器AQH2223内部原理图

1.7.2器件选用

1.7.

2.1U3为AQH2223, 固态继电器，其参数说明如下：

——Input：IF(正向电流) 50 mA；VR(LED反向电压) 6V；IFP(正向峰值电流)1A。

——Output：VDRM（峰值电压）600V；IRMS（通态峰值电流）0.9A。

1.7.

2.2R5：200欧， 5% 电阻， R5阻值的确定：

——IF最小取值10 mA，最大50 mA。推荐值：20 mA。

——则R=5-1.3/0.02=185，选择180欧1/4W电阻。

1.7.

2.3R3、C4：R3, 120欧，1W;C4 ,0.01/275AC, RC阻容吸收电路。

1.7.

2.4P2.0 连接到MCU输出管脚，CN3连接脉冲电磁阀；

1.7.3检测波形：

1.7.3.1如下图，本例中I F=5-1.3/390=9.5 mA，开启时间约为28us,在实际应用中脉冲阀开启时间要求不高，虽不影响实际应用，但是从长期运行的可靠性方面考虑9.5 mA偏小，I F应定为20 mA。

图22 图23

图24

1.7.3.2最大脉冲电流：≤130mA。

1.7.3.3最大脉冲宽度(换向)：不大于0.2S。

图25 最大脉冲宽度

1.7.3.4最小脉冲宽度（换向）：不小于0.09S。

图26 最小脉冲宽度

图26说明：本例图为5个脉冲，宽度为0.1S。

1.7.3.5对脉冲阀发送正、负脉冲可实现不同管路的输出通断。

图27 正脉冲

在正半波发送脉冲；蓝色为过零信号，高电平代表电压正半波，低电平代表电压负半波。

图28 负脉冲

在负半波发送脉冲；蓝色为过零信号，高电平代表电压正半波，低电平代表电压负半波。

每次发送正（负）脉冲时要连续发送，脉冲最小个数5个，最大个数10个，本例为6个，为了确保脉冲阀换向的可靠性，每隔3分钟重发一次脉冲。

1.8直流风机驱动电路设计要求

1.8.1电路原理

图29 PWM调整直流风机驱动电路原理示意图

图30普通型直流风机驱动电路原理示意图（一）

图31普通型直流风机驱动电路原理示意图（二）

以六盛的电机为例：风机有三根连接线，第1脚接地，第2脚是驱动电压，第3脚是风机反馈信号。当在驱动I/O口输出不同占空比的PWM信号时，Q101随PWM信号导通、关断，从而驱动大功率三极管Q102导通、关断，将VCC电压（在此为12V）斩波，经滤波电感L101、滤波电容CE101滤波，输出电压VO的大小可通过调节PWM信号的占空比来调节。通过调节风机驱动电压来调节风机转速。3脚是风机反馈端，需要注意的是不同厂家直流风机每圈反馈脉冲数是不同的，根据反馈的脉冲同时调整PWM信号占空比，通过闭环控制风机转速在设定速度。图29电路原理图表示的是PWM调整转速的风机驱动，图30和图31表示的两种方式驱动普通风机工作。

1.8.2器件选用

1.8.

2.1CN1连接直流风扇电机。

1.8.

2.2R101 4.7K,1% 1/4W 用来控制风机转速的PWM口。

1.8.

2.3R103 1K，1% ，1/4W。

1.8.

2.4Q102是功率三极管，用来驱动风机。

1.8.

2.5L1电感，电感和电容的选取基本上是根据经验选取，选取公式L=Vs-Vo/⊿I*D1*Ts。其中，Vs 是输入电压，Vo是输出电压，⊿I是电流的变化量，即两倍的风机驱动电流。

1.8.

2.6C1电容，220uF/25V, 将Q102输出的PWM波形平滑滤波成稳定的直流电流R103的选取的规则是使三极管工作在饱和和关断状态，

1.8.3检测波形

图32单片机PWM口输出波形（此波形为占空比50%左右的方波）

1.9弱电照明灯电路设计要求

1.9.1电路原理

图33弱电照明灯电路原理示意图

图中A点是芯片I/O口输出的变化，B点是三极管TR2的控制电压，C点是负载的控制电压，照明灯的控制完全由主芯片的I/O口的输出来控制，当I/O口输出高电平(+5V)时，三极管TR1导通，TR2基极电压低于发射极而高于集电极，因此TR2导通，+12V由发射极经过集电极，为照明灯板提供正电压，电源流经灯板回到CON1负极，照明灯亮。当I/O口输出低电平(0V)时，三极管TR1截止，TR2基极电压与发射极相同，因此TR2也截止，照明灯板不工作，照明灯灭。

1.9.2检测波形

1.9.

2.1灯亮时电路控制状态

图34 图35 图34表示：A点由低电平到高电平（即灯由关到开）时，B点的电压变化。图35表示： C点的电压随图A点电压而变化。当芯片I/O输出由低电平（0V）变为高电平（5V）时，三极管Vc>Vb>Ve，TR1工作在饱和状态，集电极与发射极导通，TR2基极电压由12V拉低至11.7V，TR2三极管Vc

1.9.

2.2灯灭时电路控制状态

图36 图37

图36表示：A点由高电平到低电平（即灯由开到关）时，B点的电压变化。图37表示：C点的电压随A点输出的电压变化。当芯片I/O输出由高电平（5V）变为低电平（0V）时，三极管Vb=Ve，TR1工作在截止状态，集电极与发射极截止，TR2基极电压12V，TR2三极管Vb=Ve，TR2截止，C点电源消失，负载无电源停止工作，照明灯灭。当照明灯灭时，各点也是稳态，无脉冲变化，直到I/O口有输出变化时才改变状态。

1.10电动切换阀驱动电路设计要求

1.10.1电路原理

图38 电动切换阀驱动电路原理示意图

MCU通过控制连接电动切换阀的I/O口电平，来控制电动切换阀四个通电相的电平，从而控制流过电机绕组中的电流（见图38）。当四个通电相的电平依次按一定顺序进行控制时，便可控制阀内部的

步进电机按一定方向进行运转（见图39），电机转子驱动滑块，改变连接阀体的出口管与进口管的接通或断开状态，从而控制制冷剂的流向。

图39 驱动回路

图40 励磁驱动

1.10.2器件选用

1.10.

2.1 U1：ULN2003

1.10.

2.2 C1：104瓷介电容，50V

1.11继电器驱动电路设计要求

1.11.1电路原理

图41 单路继电器驱动电路原理示意图

图42 多路继电器驱动电路原理示意图

继电器的输出回路在常态下为常开，当继电器输入回路即线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，衔铁就会在电磁力的作用下吸向铁芯，输出回路闭合，压缩机得电运转。继电器输入回路完全由主芯片的I/O口的输出来控制，当I/O口输出高电平(+5V)时，三极管Q1导通，图中继电器端口3电平拉低，继电器输入回路产生压降，电流流过继电器线圈。当I/O口输出低电平(0V)时，三极管Q1截止，继电器输入回路断路，端口3，4两端同为12V，没有电流流过线圈，继电器输出回路处于常态闭合状态。继电器控制大电流负载，主要有压缩机，加热器，以及制冰机上的电机等。当继电器控制的负载数量超个三个（包含三个），一般采用原理二进行设计，根据负载电流的大小来选择继电器。目前，冰箱上用压缩机功率不尽相同，但是10A继电器基本上能满足所有压缩机负载的需求，在应用压缩机这样的感性负载的时候，需增加RC吸收电路。如在应用加热器等较小负载时，可将RL1换成5A的继电器，RC吸收电路可不加，电路其余部分都相同。

1.11.2器件选用：

1.11.

2.1 Q1：9013 NPN 低频放大 50V 0.5A0.625W 。

1.11.

2.2 D1：1N4148 75V 150mA钳位二极管(为增强可靠性，也可考虑用耐压值更高的IN4007)，继电器的线圈和二极管并联连接，如果没有此二极管，则会发生大的反冲电压，耐压低的晶体管就会破损。另外，此反冲电压会给周边的电子电路带来很大的电磁放射噪声。

1.11.

2.3 R2，R3：根据不同的单片机选择阻值,阻值范围为2.2K到10K。

1.11.

2.4 RL1：继电器（常用的有欧姆龙，宏发10A 和5A的继电器），10A的继电器我们常用的较好品牌的继电器是欧姆龙 G5RL-1A （或宏发 JQX-14FF ）。

1.11.

2.5 R17：1W/120R C1：0.1uF/275V AC安规电容。R17，C1组成RC吸收电路。当继电器输出控制压缩机这类220V感性负载的时候，电机起停时会产生瞬间较大电流串扰，此处增加RC吸收电路，放在继电器旁，可有效抑制这种干扰。

1.11.

2.6 U1：ULN2003

1.11.

2.7 C25：104瓷介电容，50V

1.11.3注意事项

1.11.3.1继电器的线圈必须并联二极管，继电器开关切换的时候就有可能产生较大的反冲电压，这个反冲

电压有时达到30V以上，耐压比较低的晶体管承受不了就会损坏，从而导致电路失效。

1.11.3.2当负载为较大电流的感性负载时，必须增加RC吸收电路。R1,C1组成RC吸收电路。当继电器输出控制压缩机这类220V感性负载的时候，电机起停时会产生瞬间较大电流串扰，此处一定要增加RC 吸收电路，放在继电器旁，可有效抑制这种干扰。

1.12LED驱动和显示电路；

1.1

2.1电路原理

1.1

2.1.1对单颗LED的驱动

图1：灌电流方式驱动LED

此电路通过单片机I/O口直接驱动LED。当I/O口输出高电平时，LED两端等电位，无电流，LED 熄灭；当I/O口输出低电平时，电流从电源经R1、LED1、I/O口流进单片机，LED亮。LED的亮度与流经它的电流大小成正比，而电流大小由R1阻值决定。此驱动方式可称为灌电流驱动。

图2：拉电流方式驱动LED

此电路通过单片机I/O口直接驱动LED。当I/O口输出低电平时，LED两端等电位，无电流，LED 熄灭；当I/O口输出高电平时，电流从单片机I/O经R2、LED2流到地，LED亮。LED的亮度与流经它的电流大小成正比，而电流大小由R2阻值决定。此驱动方式可称为拉电流驱动。

以上两种驱动方式均可使LED正常工作。但考虑到部分单片机I/O口直接驱动能力有限，因此图1：灌电流方式驱动LED可扩展为：

图2：拉电流方式驱动LED可扩展为：

1.1

2.1.2LED 数码管的驱动

通常指LED 数码管就是7个LED 按日字形方式排列，然后固化在一个模型中。大部分数码管中还带有小数点，所以整个数码管中就由8个LED 组成，如图 3：数码管段分布。其中a,b,c,d,e,f,g,,h 分别表示数码管中的8个段。

数码管按连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管，所谓共阳极数码管即将内部所有LED 阳极连接在一起作为公共端。同理，共阴极数码管将内部所有LED 阴极连接在一起作为公共端。两种连接方式的数码管驱动电路也不同。

a 、共阳极数码管驱动

图 4：I/O 口直接驱动共阳极数码管

此电路中，将I/O 口控制的8段赋上合适的值，即亮的段赋0，不亮的段赋1。然后将公共端打开，则数码管即可显示相应的内容。例：如果要数码管显示1，则将b,c 段点亮，其他段熄灭；如果要数码管显示6，则将a,c,d,e,f,g 段点亮，其他段熄灭;依此类推。数码管的亮度由各段对应的限流电阻决定，

图 3：数码管段分布