電力電子實驗設備觸發脈沖電路的改造設計

摘要由MCS-51系列單片機組成的數字觸發脈沖輸出電路，可以方便地做到多種觸發脈沖信號的輸出，容易擴展不同功能，易于調節移相控制角，能夠滿足電力電子技術實驗的不同要求，系統制作和程序的編寫難度也不大，能夠較好地解決模擬觸發脈沖電路的不穩定性。

關鍵詞 觸發脈沖；移相控制角；A/D轉換；同步

中圖分類號：O46 文獻標識碼：A 文章編號：1671-489X（2007）09－0060-03

1 引言

電力電子技術在實際應用中得到廣泛的應用，許多專業都開設了電力電子技術課程，在教學中要常常使用電力電子教學設備。電力電子技術實驗課程經常使用到觸發脈沖，但大多數電力電子實驗設備中的觸發脈沖電路存在一些問題：采用模擬電子電路，其輸出不太穩定；在調節觸發脈沖時，經常會出現移相控制角的非線性變化；電路的抗干擾能力較差，不利于用示波器觀察輸入輸出波形。利用單片機電路可以方便地輸出數字觸發脈沖信號，本文介紹基于MCS-51系列單片機的數字觸發脈沖電路的設計。

2 電力電子實驗設備常見的觸發脈沖類型

在電力電子技術中常用的觸發脈沖包含3種類型：單脈沖、單寬脈沖和雙窄脈沖。觸發脈沖在單相半波整流、單相全波整流、三相半波整流、三相半控橋整流和三相全控橋整流等電路中對晶閘管進行觸發，不同的電路對觸發脈沖有不同的要求，觸發脈沖的輸出組別數量也不同（表1）。

為了保證晶閘管的可靠觸發，要求觸發電路滿足以下要求：

2.1 觸發電路輸出的觸發脈沖應有足夠的電壓和功率

電子市場中常見的晶閘管型號較多，從常見晶閘管系列參數中我們可以查出門極觸發電壓UG≤4.0 V和觸發電流IG≤450 mA，因此輸出觸發脈沖要滿足此條件，以適應不同實驗的要求。

2.2 觸發脈沖的前沿要陡，觸發脈沖寬度應滿足要求

2.3 滿足主電路移相范圍要求

單相可控整流電路電阻負載與大電感負載接有續流二極管的電路其移相范圍均為180°，全控大電感負載不接續流管的移相范圍為90°。

2.4 觸發脈沖必須與晶閘管的陽極電壓取得同步

3基于單片機的觸發脈沖輸出系統結構

3.1系統組成

系統電路組成包含有：單片機芯片、移相控制角調節電路、同步脈沖整形、觸發脈沖類型選擇電路和觸發脈沖輸出及整形電路等。系統組成如圖1所示：電壓調節采用分壓電路經A/D轉換后產生的數據，來控制輸出觸發信號的移相角度；觸發脈沖輸出的類型由一組轉換開關輸入的二進制編碼來控制，通過以上對常用的觸發脈沖的統計，采用四組開關可以滿足。

3.2單片機芯片選擇

系統單片機芯片選擇采用89C51。89C51芯片內部有4 KB可編程Flash存儲器，芯片的使用資料多，價格便宜，易于購買。片內的存儲器對于編程完全夠用；它具有4個I/O口，可以非常方便的利用I/O口完成觸發脈沖的輸出和脈沖轉換控制開關的設置，可以大大減少系統的擴展，降低電路的復雜程度。

3.3同步信號的獲得

由于觸發脈沖的自然換相點要與三相電源的線電壓的過零點同步，所以要由同步脈沖形成電路產生同步脈沖，輸入的交流信號為U相線電壓。

電路如圖2所示：交流電經過降壓后，由比較器進行過零檢測，然后經過光電隔離經微分電路輸出脈沖信號，加到單片機外部中斷引腳去作為同步信號。

3.4 觸發脈沖的輸出

驅動電路主要由光電隔離和脈沖變壓器等電路組成，電路如圖3所示：不同的觸發脈沖由P2口輸出，輸出脈沖的類型受轉換開關控制，輸出的脈沖組數由脈沖類型需要決定。光耦合對于單片機系統與整流主電路起到很好的隔離作用，輸出脈沖變壓器可以滿足觸發脈沖與主電路中晶閘管觸發匹配。

3.5 移相控制角調節的設計

通過一個可變電位器對5 V進行分壓來實現移相控制角調節，0-5 V的模擬電壓輸入到ADC0804的VIN（+）腳，由ADC0804轉換為數字信號輸入到單片機中，經過軟件編程由P2口輸出不同移相控制角的脈沖。

ADC0804是8位CMOS逐次逼近型A/D轉換器，轉換的時間為100μs，存取時間為135μs，對應輸入電壓0-5.1 V轉換為256級8位二進制數值，移相控制角移相范圍可以由表1查得最大為0-180°，可以設定輸入電壓在0-3.6 V之間，ADC0804輸出的數值則為0-180之間，對應移相控制角的是0-180°。

4 程序設計

程序主要由主程序、同步中斷控制和各類型觸發脈沖輸出等程序組成，結構見圖4。

在編程中可以參考表1來確定觸發脈沖的脈沖寬度，同時還要考慮到移相控制角的控制要

轉換為脈沖的延時時間。例如：設系統的晶振為12 MHz，要獲得30°的移相控制角，則ADC0804模擬電壓輸入為0.60 V，ADC0804的數字輸出值為00011110，對應同步脈沖輸出的觸發脈沖就須延時1 667μs。

5 結束語

采用單片機控制觸發電路在實驗室環境下可以做到穩定運行，可以方便地進行功能的擴展，若擴展一些鍵盤顯示或通過串口通信與PC機相聯，能夠非常直觀的控制輸出觸發脈沖。雖然在環境惡劣的地方，單片機控制觸發電路安全性不高，在許多應用中成本控制沒有優勢，但在實驗室卻是一種非常好的手段。