雙向可控硅的過零調(diào)功調(diào)速調(diào)光控制技術(shù)探討

陳振成

摘 要：雙向可控硅是一種大功率的電子器件，在工程中的應(yīng)用范圍非常廣泛。在交流設(shè)備中應(yīng)用的雙向可控硅采取過零觸發(fā)的方式。文章介紹了雙向可控硅的過零調(diào)功調(diào)速調(diào)光原理，并對(duì)過零調(diào)功調(diào)速調(diào)光控制技術(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究。

關(guān)鍵詞：雙向可控硅；過零調(diào)功調(diào)速調(diào)光；觸發(fā)電路；程序

中圖分類號(hào)：TN342+.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）18-0137-02

Abstract： Bidirectional thyristor is a kind of high power electronic device， which is widely used in many projects. The bidirectional thyristor used in alternating current （AC） devices adopts the mode of zero-crossing trigger. In this paper， the principle of zero-crossing adjustable light regulation for bidirectional thyristor is introduced， and the dimming control technology is designed and studied.

Keywords： bidirectional thyristor； zero-crossing adjustable speed dimming； trigger circuit； program

雙向可控硅也稱作雙向晶閘管，是一種功率半導(dǎo)體器件。雙向可控硅在單片控制系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，發(fā)揮著功率驅(qū)動(dòng)元器件的作用，也常作為調(diào)光器應(yīng)用于智能家居系統(tǒng)之中。雙向可控硅作為交流無觸點(diǎn)開關(guān)應(yīng)用于控制系統(tǒng)之中有非常突出的優(yōu)勢(shì)，不會(huì)發(fā)生反向耐壓的問題，電路的控制也并不復(fù)雜。通過光電耦合器把單片機(jī)的控制系統(tǒng)加載于可控硅的控制極當(dāng)中，能夠最大程度地縮小驅(qū)動(dòng)功率及可控硅在觸發(fā)的時(shí)候出現(xiàn)的干擾。我國大多電氣設(shè)備在處于工作狀態(tài)的時(shí)候都是用的50Hz頻率的交流電，這種交流電路的特點(diǎn)是每經(jīng)過10ms的時(shí)候電壓就過零點(diǎn)，雙向可控硅于觸發(fā)點(diǎn)所使用的電路方案大多為過零觸發(fā)電路。筆者所作的調(diào)功調(diào)速調(diào)光控制技術(shù)方案，在檢測(cè)到過零點(diǎn)的時(shí)候，先延遲一定的時(shí)間，然后使用可控硅作為驅(qū)動(dòng)，來調(diào)控交流電每0.5個(gè)周期的導(dǎo)通占空比，達(dá)到調(diào)功調(diào)速調(diào)光的目的。

1 雙向可控硅進(jìn)行過零調(diào)功調(diào)速調(diào)光控制的原理

雙向可控硅依據(jù)公式P=T×ω進(jìn)行過零調(diào)功調(diào)速調(diào)光。在這個(gè)公式里，P代表著電功率（kW），T代表著外部阻力矩（N·m），ω代表著角速度（rad·s-1）。根據(jù)P=T×ω這個(gè)公式，在其它外部條件沒有變化的情況下，即公式中的T在維持沒有變化的狀態(tài)下，在特定的時(shí)間之內(nèi)電功率發(fā)生的變動(dòng)就會(huì)引起角速度也出現(xiàn)變化，通過調(diào)節(jié)電功率就可達(dá)到調(diào)速的目標(biāo)。

過零調(diào)功進(jìn)行的時(shí)候，工作電壓表現(xiàn)為一個(gè)完全的正弦波形，過零導(dǎo)通和過零截止成為電壓顯著的特征。為了有效調(diào)節(jié)控制負(fù)載功率，過零調(diào)功必須在特定的時(shí)間之內(nèi)改變負(fù)載交流正弦波的數(shù)量。導(dǎo)通的觸發(fā)在雙向可控硅電壓過零與電流過零的情況下實(shí)現(xiàn)的，導(dǎo)通的時(shí)候，波形為完整的正弦波或半波，因此，雙向可控硅在調(diào)功調(diào)速的時(shí)候，它移相調(diào)壓的方式是沒有缺陷的，雙向可控硅的導(dǎo)通是在電壓過零狀態(tài)時(shí)達(dá)成的，而電壓過零狀態(tài)下的電路負(fù)載電流及其變化率都較小，這對(duì)雙向可控硅的正常工作不會(huì)造成不利的影響。

在將兩個(gè)晶閘管進(jìn)行并聯(lián)之后繼而串聯(lián)的交流電路中，晶閘管交流經(jīng)由改變單片機(jī)的編制程序來輸出功率，運(yùn)行時(shí)的頻率保持不變，這是交流電之中的電力調(diào)控。晶閘管對(duì)輸出的電壓波形進(jìn)行周期性的采樣，就會(huì)出現(xiàn)觸發(fā)延遲角，運(yùn)行之中觸發(fā)導(dǎo)通的周期、關(guān)斷周期的比例都和負(fù)載消耗的平均功率有直接相關(guān)性。為了進(jìn)行調(diào)光，需要把單片機(jī)作為主控芯片，在50Hz頻率的變化情況下，電路里的交流電被光電耦合器轉(zhuǎn)變?yōu)榉讲ㄐ盘?hào)來進(jìn)行過零點(diǎn)檢測(cè)，然后就可以把單片機(jī)控制信號(hào)變?yōu)殡p向可控硅控制極的觸發(fā)信號(hào)。

2 硬件電路的設(shè)計(jì)方案

檢測(cè)電壓在工作的時(shí)候?yàn)檎^零或者負(fù)過零，是硬件電路必須具有的功能。單片機(jī)可以利用控制門有效調(diào)節(jié)門控電路的電平，從而能夠有效控制雙向可控硅過零時(shí)觸發(fā)的脈沖個(gè)數(shù)。

2.1 過零檢測(cè)電路

使用Microchip公司的PIC16系列89C51單片機(jī)作為本研究設(shè)計(jì)中的主控芯片，采取型號(hào)為MOC3041的光電耦合器，工作頻率為50Hz，采用的雙向可控硅型號(hào)為BCR16LM。

使50Hz的交流電在經(jīng)由零點(diǎn)之時(shí)能夠確保取出脈沖，這是設(shè)計(jì)過零檢測(cè)電路的終極目標(biāo)。本研究設(shè)計(jì)經(jīng)由兩個(gè)光電耦合器來進(jìn)行過零控制，見圖1。

交流電源通過R12加載于兩個(gè)反并聯(lián)光電二極管之上，當(dāng)交流電源處于正、負(fù)半周狀態(tài)時(shí)，二極管D1與D2輪流實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通，由此，三極管T1與T2也會(huì)進(jìn)行輪流導(dǎo)通。導(dǎo)通之時(shí)，從V0端輸出低電平，在過零的一瞬間，會(huì)截止交流電源線路里的兩個(gè)二極管，而此刻V0端輸出的是高電平，接下來會(huì)有一個(gè)10ms周期的脈沖信號(hào)被輸送至89C51下INT0的引腳處，每隔1s會(huì)向單片機(jī)發(fā)出100次中斷的請(qǐng)求，以此來形成的中斷控制周期為100次/s。

本研究設(shè)計(jì)的過零檢測(cè)電路在電源電壓通過零點(diǎn)之時(shí)，即可產(chǎn)生準(zhǔn)確的過零脈沖，電路的性能比較穩(wěn)定，能使電器安全運(yùn)行。

2.2 雙向可控硅觸發(fā)電路

本雙向可控硅電路設(shè)計(jì)使用MOC3041過零光耦，可以進(jìn)行過零檢測(cè)和光電隔離，并且能夠過零觸發(fā)，線路的輸入與輸出通道進(jìn)行的雙向可控硅觸發(fā)并不需要同一時(shí)間，隔離-驅(qū)動(dòng)電路在雙向可控硅過零光耦的輸出通道里已得到很大的簡化。

雙向可控硅觸發(fā)電路的機(jī)制是：用戶設(shè)置參數(shù)后，單片機(jī)對(duì)之進(jìn)行響應(yīng)，于I/O口輸出高電平，反向器對(duì)輸出的高電平進(jìn)行反向處理，然后輸出低電平，對(duì)光電耦合器進(jìn)行導(dǎo)通，使光電耦合器能夠同時(shí)觸發(fā)雙向可控硅，因而導(dǎo)通整個(gè)電路，使其安全工作。

在特定的時(shí)間，負(fù)載獲取的功率可以用以下公式表示：P=UI

這個(gè)公式里的P代表負(fù)載下的功率（kW），n代表特定時(shí)間里雙向可控硅導(dǎo)通的正弦波數(shù)量，N代表特定時(shí)間里交流正弦波數(shù)量，U代表在一個(gè)電源周期里，雙向可控硅處于全導(dǎo)通時(shí)相應(yīng)電路電壓的有效值（V），I代表在一個(gè)電源周期里，雙向可控硅處于全導(dǎo)通時(shí)相應(yīng)電路電流的有效值（A）。這個(gè)公式說明，在電壓、電流及交流正弦波數(shù)量完全確定不變時(shí)，只要變化特定時(shí)間里雙向可控硅導(dǎo)通的正弦波數(shù)量，即可調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。

3 軟件的設(shè)計(jì)

本研究設(shè)計(jì)的軟件程序?yàn)殡p向可控硅的過零觸發(fā)，以單片機(jī)來控制雙向可控硅的通斷。單片機(jī)不僅在特定的控制周期里來控制雙向可控硅的導(dǎo)通，還能控制交流關(guān)斷狀態(tài)時(shí)完整全波或半波信號(hào)的數(shù)量，我們把控制周期設(shè)置為1s，調(diào)節(jié)負(fù)載功率的樞紐就是雙向可控硅1s內(nèi)導(dǎo)通正弦波的數(shù)量，以此來進(jìn)行調(diào)速調(diào)光。INT0信號(hào)可以就過零時(shí)工頻電壓做出反應(yīng)，故而在外中斷過零時(shí)的中斷程序，就支配控制門開啟或關(guān)閉，判斷特定時(shí)間里雙向可控硅導(dǎo)通正弦波的數(shù)量可通過中斷服務(wù)的次數(shù)來進(jìn)行。當(dāng)服務(wù)中斷1次之時(shí)，特定時(shí)間里雙向可控硅導(dǎo)通正弦波的數(shù)量n就計(jì)數(shù)（-1）。計(jì)數(shù)進(jìn)行時(shí)，當(dāng)n≠0，控制電平須確定在“1”，使將控制門依然保持打開；當(dāng)n=0，控制電平則須復(fù)位于“0”，關(guān)上控制門，由此即可中斷雙向可控硅過零觸發(fā)的脈沖。

本研究設(shè)計(jì)通過節(jié)制雙向可控硅的通斷，即可支配雙向可控硅過零，變化服務(wù)的次數(shù)，操縱特定時(shí)間里雙向可控硅導(dǎo)通正弦波的數(shù)量，從而由對(duì)控制量的掌握來進(jìn)行調(diào)功調(diào)速調(diào)光。

主循環(huán)控制程序：以初始化數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)單元為基礎(chǔ)，設(shè)置調(diào)功調(diào)速調(diào)光器參數(shù)，并轉(zhuǎn)化這些參數(shù)為特定時(shí)間里雙向可控硅導(dǎo)通正弦波的數(shù)量，明確中斷優(yōu)先權(quán)及開斷，使正弦波保持完整。單片機(jī)判斷電路負(fù)載之后須復(fù)位，假設(shè)有負(fù)載即開始主循環(huán)，并準(zhǔn)備中斷，當(dāng)工頻過零的時(shí)候，須同時(shí)把INT0進(jìn)行中斷，繼而明確更高一級(jí)的中斷源。

中斷服務(wù)程序：運(yùn)行中斷服務(wù)程序時(shí)，必須有力保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，把中斷標(biāo)志位置確定為INT0位置，嚴(yán)格禁止主程序改變參數(shù)。INT0中斷位置計(jì)數(shù)-1時(shí)，檢測(cè)雙向可控硅關(guān)斷與否，從而判斷是否關(guān)閉調(diào)功調(diào)速調(diào)光器，如果關(guān)閉，要清除INT0中斷位置的數(shù)據(jù)，全部數(shù)據(jù)都進(jìn)行初始化，使線路現(xiàn)場(chǎng)得到恢復(fù)，中斷進(jìn)行返回。當(dāng)外中斷過零之時(shí)，掌控雙向可控硅于1s的周期里導(dǎo)通正弦波的數(shù)量，得到1s周期交流正弦波的總量，在交流正弦波的總量N=100之時(shí)，清除INT0中斷位置的數(shù)據(jù)，全部數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化，線路現(xiàn)場(chǎng)得到恢復(fù)，中斷進(jìn)行返回。

4 結(jié)束語

本研究設(shè)計(jì)中，在每個(gè)特定的周期里，由雙向可控硅導(dǎo)通占據(jù)的比例來調(diào)控負(fù)載功率，這在功率較大的交流裝備（例如電爐及交流電機(jī)等）均能應(yīng)用，并且控制方法有安全保障。本研究設(shè)計(jì)的過零檢測(cè)與觸發(fā)電路，在進(jìn)行過零檢測(cè)時(shí)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)過零即可提出中斷請(qǐng)求，軟件程序簡單可行，值得同類產(chǎn)品進(jìn)行借鑒。

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