TWM552546U - 交流風扇無段控制系統 - Google Patents

Description

交流風扇無段控制系統

本創作係為交流風扇無段控制系統，尤指可藉由改變信號輸入端之信號源工作週期Duty Cycle(或頻寬或頻率)，以改變第一開關裝置的輸出端的啟動信號，在風扇馬達所產生的平均功率也相應產生變化，藉以達成交流風扇無段變速控制的目的；再藉由第二開關裝置所設之功率金氧半場效電晶體(Power MOSFET)及其RC及二極體所產生之作用，大幅降低在前述啟動信號中之Off狀態下，由交流馬達所感應出來的反向電動勢雜訊，避免第一開關裝置之功率金氧半場效電晶體(Power MOSFET)承受過高的反向電動勢，達到降低第一開關裝置之功率金氧半場效電晶體(Power MOSFET)的工作溫度，延長元件壽命的效果。再者，由於輸入信號端之信號頻率可選擇大於20KHz高於人耳頻率的響應範圍，也因此使本系統之交流風扇馬達無論低速或高速運轉時均十分安靜，聽不到傳統的相位切割電流聲。

習知交流風扇，因為受限於控制方式，以TRIAC雙向閘流體(可控硅)對於輸入到交流風扇馬達之電源信號進行相位切割，雖然可以達到控制交流風扇的馬達轉速之目的，但是，因為正弦波的正、負半波均有被切割成部分OFF信號的範圍，使交流風扇馬達所生的相位切割電流聲過大，影響消費者的生活環境安寧，因此，對於家用電扇業者，均放棄以此種控制交流風扇轉速的方式。

其次，也有以篩選週期及停止輸出的方式，組成不同的波形，達到控制交流風扇的轉速的目的，這種方式不但無法組合出許多不同的轉速，更有甚者，由於風扇馬達有停止後再運轉的情況，因此會產生風扇馬達的震動噪音，嚴重影響消費者的生活環境安寧，家用電扇業者也不採用。

再者，市售3~6速的交流風扇，最常採用改變風速的方式，就是在風扇馬達各轉速線圈串接一只高耐壓，高容值電容器，以容抗(XC)來降低送至風扇馬達的電壓，達到降低馬達轉速的目的。惟其缺點為，每產生一轉速需配置一只電容器，不但電容數值要挑選，且昂貴的高耐壓電容，讓這種電容降壓方式的交流風扇控制系統，不僅零件採購不易，且成本大增，更如前所述，若要變化更多段數甚至無段調速，以串聯電容的變速方式，變成不實際或無法達成。

為此，本創作者，積多年各類產品的設計、製造與實際工作經驗，特針對習知交流風扇的轉速段數受限的問題，加以研究，乃創作本案。

本創作之目的，乃是在提供一種藉由改變信號輸入端之信號源，以改變第一開關裝置的輸出端的啟動信號，在風扇馬達所產生的平均功率也相應產生變化，藉以達成交流風扇無段變速控制的目的；其次，再藉由第二開關裝置所設之功率金氧半場效電晶體(Power MOSFET)及其RC及二極體所產生之作用，大幅降低在前述啟動信號中在Off狀態下，由交流馬達所感應出來的反向電動勢雜訊，避免第一開關裝置之功率金氧半場效電晶體(Power MOSFET)承受過高的反向電動勢，達到降低第一開關裝置之功率金氧半場效電晶體(Power MOSFET)的工作溫度，延長元件壽命的效果。再者，由於輸入信號端之信號頻 率可選擇大於20KHz，高於人耳頻率的響應範圍，也因此使本系統之交流風扇馬達無論低速或高速運轉時均十分安靜，聽不到傳統的相位切割電流聲。

為達前述目的，本創作之交流風扇無段控制系統，乃是於信號輸入端可藉由外接裝置(可以是單片機、微處理器MCU、控制電路或震盪器Oscillator)輸入需要之信號源(方波或脈衝)的波寬(或工作週期Duty Cycle)、頻率等，並藉由橋式整流裝置及第一開關裝置所設之功率金氧半場效電晶體(Power MOSFET)，將交流正弦波信號適當地切割成On-Off連續變化的啟動信號，在風扇馬達所產生的平均功率也相應產生變化，因此達到了交流風扇馬達無段變速控制的目的。其次，再藉由第二開關裝置所設之功率金氧半場效電晶體(Power MOSFET)及其並聯RC及二極體所產生之雜訊消除作用，大幅降低在前述啟動信號中之Off狀態下，由交流馬達所感應出來的反向電動勢雜訊，避免第一開關裝置之功率金氧半場效電晶體(Power MOSFET)承受過高的反向電動勢，達到降低第一開關裝置之功率金氧半場效電晶體(Power MOSFET)的工作溫度及延長元件壽命的效果。再者，由於輸入信號端之信號頻率可選擇大於20KHz，遠高於人耳的頻率響應範圍，也因此使本系統之交流風扇馬達無論低速或高速運轉時均十分安靜，聽不到傳統的相位切割電流聲。

1‧‧‧信號輸入端

2‧‧‧第一開關裝置

20‧‧‧功率金氧半場效電晶體

210、211‧‧‧輸出端

22‧‧‧二極體

23‧‧‧電阻

3‧‧‧第二開關裝置

30‧‧‧功率金氧半場效電晶體

310、311‧‧‧輸出端

320、321‧‧‧電阻

33‧‧‧電容

34‧‧‧二極體

4‧‧‧橋式整流裝置

5‧‧‧風扇馬達

6‧‧‧AC電源

圖1是本創作之方塊流程圖。

圖2是本創作之電路圖。

圖3A、3B、3C是本創作之各對應端的波形圖。

為讓 貴審查官更進一步了解本創作，茲依據圖是解說如下。如圖1及2，本創作之交流風扇無段控制系統，至少包含：信號輸入端1，可以藉由外接裝置，可以是單片機、微處理器MCU，控制電路或震盪器Oscillator，(非本創作之主張範圍，故圖中未示，並於說明中不再贅述，可為特定輸入裝置或控制電路、振盪器或微晶片裝置)輸入需要之兩組信號源，(可為方波或其他脈衝波)一組為正相控制信號送至第一開關裝置，另一組為反相控制信號送至第二開關裝置，並藉由前述外接裝置改變前述信號源的工作週期Duty Cycle或改變波寬或改變頻率，或同時改變波寬或頻率(如圖3A~3C之波形圖A、B所示)。

如圖1及2，位於前述信號輸入端1的後側並設第一開關裝置2，前述第一開關裝置2至少設一功率金氧半場效電晶體(Power MOSFET)20，藉由前述功率金氧半場效電晶體20得以對於前述信號輸入端1輸入的信號源(如圖3A~3C之波形A)及橋式整流裝置4對AC交流信號進行高速的功率開關(Switching)切換，，前述信號源經由前述第一開關裝置2的功率金氧半場效電晶體20的功率信號轉換後，可於第一開關裝置2的輸出端210、211輸出一啟動信號，前述啟動信號為正弦波的正半波形，並讓前述啟動信號的各波形被適當地切割成On-Off連續變化的啟動波形(如圖3A~3B之波形C)，以作為控制交流風扇馬達5的轉速啟動信號，亦即，本創作係藉由橋式整流裝置4及前述第一開關裝置2以控制交流風扇的馬達5的無段轉速。且再如前述，被適當地切割成On-Off連續變化的啟動波形，係經由前述信號源的變化而改變。如此，即可讓交流風扇產生無段變速的效果。前述第一開關裝置2設二極體22， 以並聯於前述功率金氧半場效電晶體20，以對於功率金氧半場效電晶體20產生逆向感應電壓的保護效果。及設電阻23，係串聯於前述功率金氧半場效電晶體20的閘極，是對於功率金氧半場效電晶體20提供所需要的工作偏壓。

如圖1及2，位於前述信號輸入端1的後側並設第二開關裝置3，前述第二開關裝置3至少設一功率金氧半場效電晶體(Power MOSFET)30，藉由前述功率金氧半場效電晶體20得以對於前述信號輸入端1輸入的信號源(如圖3A~3C之波形B)及橋式整流裝置4對AC交流信號進行高速的功率開關(Switching)切換，前述第二開關裝置3的功率金氧半場效電晶體30與前述第一開關裝置2的功率金氧半場效電晶體20係呈On-Off交互的運作關係(如圖3A~3C之波形A、B)。即當前述第一開關裝置2的輸出端210、211輸出切割成On-Off連續變化的啟動信號且處於Off狀態時，風扇馬達5感應出反電動勢，此時(如圖3A~3C之波形C)，前述第二開關裝置3及其並聯RC及二極體組合成反電動勢雜訊消除電路，即第二開關裝置3的輸出端310、311的除訊信號(降低反電動勢雜訊)(如圖3A~3C之波形D)，在啟動信號且處於Off狀態時，功率金氧半場效電晶體30被控制成導通，結合電阻320、並聯電容33、二極體34共同組合成反電動雜訊消除電路，降低在啟動信號且處於Off狀態時，風扇馬達5感應出的反電動勢雜訊。電阻321串聯於功率金氧半場效電晶體30的的閘極，是對於功率金氧半場效電晶體30提供所需要的工作偏壓。

如圖1及2，位於前述第一開關裝置2的前端並設橋式整流裝置4，以供應本系統電源，AC轉成全波DC使功率金氧半場效電晶體(Power MOSFET)20及30得以間接達成控制AC交流信號的目的。本系統並藉由交流風扇馬達5與交流AC電源6銜接(如風扇的電源線)，即可讓本系統正常運作。

綜上所述，本創作藉由第一開關裝置以轉換信號輸入端的信號源，讓流過交流風扇馬達的平均功率產生相應於輸入信號的變化，使具備無段變速之效果，再經由第二開關裝置及其RC及二極體，降低前述第一開關輸出On-Off連續的啟動信號於Off狀態時，來自交流馬達感應過來的反電動勢雜訊。再者，由於輸入信號端之信號頻率可選擇大於20KHz遠高於人耳的頻率響應範圍，也因此使本系統之交流風扇馬達無論低速或高速運轉時均十分安靜，聽不到傳統的相位切割電流聲。足證，本創作確實具備實用創新性等專利要件。

前述實施例或圖式並非限定本創作之態樣或使用方式，任何所屬技術領域中具有通常知識者之適當變化或修飾，皆應視為不脫離本創作之專利範疇。

1‧‧‧信號輸入端

6‧‧‧AC電源

2‧‧‧第一開關裝置

3‧‧‧第二開關裝置

4‧‧‧橋式整流裝置

5‧‧‧風扇馬達

Claims (7)

1. 一種交流風扇無段控制系統，至少包含：信號輸入端、第一開關裝置、第二開關裝置、橋式整流裝置與風扇馬達；前述信號輸入端可藉由外接裝置輸入提供需要之信號源的工作週期( Duty Cycle)，輸入需要之兩組信號源，其中一組信號源係為正相控制信號送至第一開關裝置，另一組為反相控制信號送至第二開關裝置，再藉由橋式整流裝置及第一開關裝置所設之功率金氧半場效電晶體將前述信號源進行AC交流功率開關 (Switching) 轉換，並於第一開關裝置的輸出端輸出啟動信號，前述啟動信號的被切割成連續On-Off的狀態，如此，可藉由改變前述信號輸入端之信號源的工作週期( Duty Cycle)，即可改變第一開關裝置的輸出端的啟動信號，使流過風扇馬達的功率產生相應於輸入信號的變化，藉以達到交流風扇無段變速的目的；再者，藉由第二開關裝置所設之功率金氧半場效電晶體與第一開關裝置所設之功率金氧半場效電晶體產生交互運作，當啟動信號處於Off馬達感應出反電動勢時，使第二開關裝置為On，一邊On另一邊Off的交互運作方式，並配合電阻、電容及二極體，達到降低馬達感應出的反電動勢的效果；前述輸入風扇馬達之信號的頻率係大於人耳的響應範圍，使本系統之交流風扇馬達無論低速或高速運轉時均十分安靜，聽不到傳統的相位切割電流聲。
2. 根據申請專利範圍第1項之交流風扇無段控制系統，其中前述第一開關裝置的輸出端所產生之啟動信號方式，係將啟動信號的各波形被切割成連續On-Off的狀態。
3. 根據申請專利範圍第1項之交流風扇無段控制系統，其中前述第二開關裝置的控制方式是以和上述第一開關裝置的控制方式，是形成On-Off互補交互控制的方式。
4. 根據申請專利範圍第1項之交流風扇無段控制系統，其中前述第二開關裝置的輸出端，結合並聯之電阻及電容，與串聯的二極體，達到降低馬達感應出反電動勢的效果。
5. 根據申請專利範圍第1至4項任一項所述之交流風扇無段控制系統，其中前述外接裝置輸得為單片機、微處理器(MCU)、控制電路或震盪器 (Oscillator)。
6. 根據申請專利範圍第1至4項任一項所述之交流風扇無段控制系統，其中前述信號源係為方波型脈衝波。
7. 根據申請專利範圍第1至4項任一項所述之交流風扇無段控制系統，其中前述輸入信號係大於20KHz，以遠高於人耳的響應範圍，使本系統之交流風扇馬達無論低速或高速運轉時均十分安靜，聽不到傳統的相位切割電流聲。