晶闸管过零触发电路

晶闸管过零触发电路
1、闸管过零触发电路结构及原理分析
1.1触发电路和过零触发电路的比较
在交流调压领域，尤其是应用于交、直流电机的电力拖动系统的交、直流调压电路，多采用移相触发电路，即使触发脉冲相对同步脉冲来说，产生一个相对延迟角，延迟量越大，晶闸管的导通角越小，输出电压越低。电路的实质是调整或控制触发脉冲出现的时刻，若使移相触发脉冲在电网周波的“峰顶位置”出现，晶闸管在电网电压过零点后的T2、T4时刻开通，电网电压的正弦波被“削掉一半”，输出电压的有效值为电源电压的一半。移相触发的结果，使完整的正弦波被 “部分砍掉”，形成“缺口波”，此种波形中谐波分量最大，富含奇、偶次（多种频率值的）谐波，易使电网中产生浪涌电压（电流）分量，造成对电网的污染、易对周过电气设备造成干扰。
我们可称为这种控制方式为“削波控制”，输出电压频率仍为50Hz，电压（电流）的连续性，还算不错。
即能实现调压，又能保持输出正弦波波形的完整，这是过零触发电路的最初思路。实现方法：
1）触发脉冲总是在电网过零点附近送出，使晶闸管在电网过零后即行输出，在整个电网周波内“完全开通”，电路输出为完整的正弦波形；
2）用门限控制信号来控制晶闸管的导通时间，即控制流过晶闸管周波数的多少，当使控制信号高、低电平时间比T1：T2=1：1时，晶闸管一半时间处于关断，一半时间处于开通，电源中的完整周波有一半为晶闸管所输出，输出电压的有效值也为电源电压的一半。
3）过零电路的触发脉冲，是由同步脉冲，不经移相，即直接触发晶闸管的，但取得的同步脉冲往往较“窄”，需要展宽处理，才能可靠触发晶闸管。
过零触发电路，晶闸管输出波形为完整的正弦波，晶闸管从过零点开始导通，然后在过零点自生关断，晶闸管承受的电流、电压冲击较小，输出电压的谐波分量少，不污染电网和造成干扰，这是其优点。这种控制方式可称之为“通、断控制”，输出为全压→输出电压为0→输出为全压→输出电压为0→……，输出电压（电流）的连续性很差，电源的通断频率，取决于门限控制信号的变化，因而适用范围更窄，仅适用于阻性负载，如电阻加热恒温控制等，不宜用于控制电力拖动系统。
1.2过零触发电路的结构形式
在一些需要频繁起停或工作场所特殊出于安全考虑，不允许产生接触器开断时的火花，常采用晶闸管功率器件，来代替接触器，用作电机起停控制，这种电路被称作无触点开关，在控制上非常简单。用继电器KA控制晶闸管的开、断，KA触点闭合时，产生由晶闸管阳极经D、R限流和限向元件，流入晶闸管栅、阴极的触发电流回路，晶闸管开通，KA触点断开，晶闸管截止。假设能精确地控制KA在电网电压过零时接通，则晶闸管开通时冲击电流最小，即成为过零触发控制电路。实际电路中，因继电器KA的滞后动作（电磁/机械转换动作过程），对其闭合时间，很难进行精准的控制，若换用电子器件代替KA，控制电路能在适当时刻发送触发脉冲，即能实现真正的过零触发控制。
晶闸管过零触发电路，主要由同步信号电路、门限控制信号电路、触发电路等几部分组成。同步信号电路用于采样电网过零信号，形成电网过零脉冲信号，有些电路是直接将同步脉冲用于触发脉冲，有些电路是经展宽处理，变为触发脉冲；门限控制信号电路，是触发脉冲的“可控通道”，控制流通脉冲数，也即时控制晶闸管的导通脉波数，达到过零调压控制的目的。另外，故障发生时，保护电路应送出一个“触发脉冲封锁”信号，使主电路晶闸管全部关断。

2、过零触发电路一
   下图4为模块化过零触发电路，将虚线框内电路密封成一个整体，即成为四线端模块元件，可称为交流固态继电器，或过零触发模块。在左侧输入端给出开关信号，右侧连接交流电源和负载，即成构成完整的过零触发交流开关或交流调压电路。
上图中，PC1光耦合器，输入端为发光二极管，输出侧为单向晶闸管，电阻R1、电容C1并联于PC1输出侧单向晶闸的栅、阴极，起到消噪作用，提高电路工作的可靠性。整流二极管D1~D4、电阻R5、R6与PC1输出侧单向晶闸管，形成双向晶闸管VT的触发电流通路，R5、R6为触发回路限流电阻。R7、C2为阻容尖峰电压吸收元件，保护晶闸管VT的安全。RL为负载。
电阻R2、R3、R4和晶体管VT1组成过零检测电路。D1~D4将输入交流电压的两个正、负半波整流为100Hz的脉动直流，以使PC1输出侧晶闸管在网正、负周波内均承受正向电压，同时，晶体管VT1只有在电网过零点附近因基极偏压不足，处于截止状态，PC1输入侧若外控制信号为高电平（产生输入电流），输出侧晶闸管受光触发而开通，电网过零后，VT1满足基极偏流条件，处于饱和导通状态，将PC1输出侧晶闸管的栅、阴极短路，不再接受输入端信号控制。换言之，在PC1输入信号为高电平的状态下，只有在电网电压过零点附近，PC1输出侧晶闸管具备导通条件，后级电路VT晶闸管只能在电网过零点附近得到触发电流而开通，形成过零触发控制。
光耦合器PC1输出侧晶闸管的开通，是三个条件共同作用的结果：
1）阳极、阴极须承受正向电压，因D1~D4的整流作用，使电网过零后的正、负半波期间，均承受正向电压；
2）VT1截止期间，也即是电网过零点附近，能接受控制信号被触发导通；
3）输入信号为高电平期间，也即是输入侧发光二极管有输入电流产生时，输出侧晶闸管才能形成光/电转换来的触发电流。
这里存在一个问题，所谓过零触发，是否在过零点，晶闸管VT即被触发？这是不可能的，晶闸管VT总是要稍微滞后于过零点才能被触发导通，晶闸管VT的开通，同样受到下面几个条件的制约：
1）晶闸管须承受一定的正向电阻值后，才能开通，闸管开通也存在一个“门坎电压”；
2）在电网过零期间施加的触发脉冲，如宽度不足或出现过早，晶闸管承受的正向电压值尚不能满足开通要求，开通电流达不到“擎住电流”值，则造成触发失败；
3）控制电路方面的原因，如本电路中VT1在电网过零后，在尚未满足发射结电压0.4V以上时，还处于截止或微导通状态，并不能将截止期完全对准电网过零点。
因而所谓的过零触发，不是绝对的对准一个过零点，理解为一个过零区，更为适宜，改变图4中R3、R4的阻值，可以设定“过零区”的大小。也可以将过零脉冲理解为移相角度极小的触发脉冲，但总会产生一个移相角度，是不可能绝对对准过零点的。
上文提到过，图4电路可构成完整的过零触发交流开关或交流调压电路，这取决于控制信号的类型。
当控制信号上图中a电路类型时，操作开关SA，输出电压形式也为交流开关电路，电路等效为无触点交流开关。SA闭合时，负载RL上得到全电压，电路接通；SA断开时，负载RL上电压为零，电路断开。
当控制电路如上图b电路时，输入控制信号为变化的H、L电平信号，该控制信号可由振荡电路生成，或仪表输出信号，调宽H、L信号的时间比例，即控制输出晶闸管的通、断时间比，此时的电路便为调压输出电路。输入的PWM信号，正是门限控制电压信号，高电平时触发电路“门开”，低电平时触发电路“门关”。这种控制信号，又可称作PWM可调宽信号（当然信号频率要低于50Hz），如使高电平脉冲的占比空产生1~99%的变化，则输出电压也挖于1~99%供电电源电压，负载所得到的功率也产生1~99%额定功率的变化，因而过零触发调压电路，又往往被称为调功电路（用于电阻负载的功率调节）。

3、晶闸管过零触发电路二
整机电路由同步信号电路、门限控制信号电路和触发脉冲电路组成，主电路采用晶闸管模块，内含两只单向晶闸管。若采用一只双向晶闸管，脉冲变压器可省掉一个二次绕组。
1）同步信号形成电路。电源变压器TB1的二次12V绕组，兼有供电电源和电网同步信号采样两种“职能”，12V绕组的正弦波电压信号，经D1~D4桥式整流电路整流后，变为100Hz的正向脉波信号，经电阻R1形成晶体管Q1的基极电流，从Q1集成极输出对应电网过零点的（高电平）脉冲信号，加到与非门U3的1脚。接于Q1基极的R1、C1既起到消噪和限流作用，也形成一定的时间常数，使Q1集电极输出的过零同步脉冲有一定展宽。

2）门限控制信号电路。由时基电路U2（NE555）及引脚外接元件组成固定振荡频率、输出脉宽可调的多谐振振荡器，从3脚输出的可调脉宽信号加到与非门电路U3的2脚。
本电路门限控制信号电路的振荡周期约为0.35s，固定振荡频率约为2.9Hz，RP1调至中间位置时，晶闸管SCR1、SCR2连续导通8个周波，然后截止8个周波的时间；最多导通脉冲数16个，截止脉冲波1个；反最少导通脉波数1个，截止脉波数16个，电路若为功率调节，则调功比1：16，输出可调电压范围5V~210V左右。
3）触发脉冲形成电路。U3（HC4011）数字集成电路内含四级与非门电路，本电路只用了两级。第一级与非门路，将输入同步脉冲信号与PWM脉冲进行与非比较，在门限信号为高电平期间，同步脉冲与门限信号进行相与运算，U3的3脚输出端变为低电平；第二级与非门电路的两个输入端，短接在一起，形成“非门”电路，对3脚输出信号倒相输出，输入脉冲功率放大器Q2的基极，产生脉冲变压器一次绕组的电流，经电磁感应，使TB2二次两个绕组，得到脉冲信号，驱动晶闸管模块内部的两只晶闸管，控制其调压输出。电路在正、负半波的两个过零点期间，输出两个触发信号，加到晶闸管模块内的两只管子的栅阴极上，使其在（电网过零点后）承受正向电压期间，依次开通。

   将图6电路与图7电路各点波形相对照，可以“形象地看见”过零触发电路的工作过程。


旷野之雪
2010年11月27日星期六