雙向可控硅的過零調功調速調光控制技術探討

陳振成

摘 要：雙向可控硅是一種大功率的電子器件，在工程中的應用范圍非常廣泛。在交流設備中應用的雙向可控硅采取過零觸發的方式。文章介紹了雙向可控硅的過零調功調速調光原理，并對過零調功調速調光控制技術進行了設計研究。

關鍵詞：雙向可控硅；過零調功調速調光；觸發電路；程序

中圖分類號：TN342+.3 文獻標志碼：A 文章編號：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，是一種功率半導體器件。雙向可控硅在單片控制系統中應用廣泛，發揮著功率驅動元器件的作用，也常作為調光器應用于智能家居系統之中。雙向可控硅作為交流無觸點開關應用于控制系統之中有非常突出的優勢，不會發生反向耐壓的問題，電路的控制也并不復雜。通過光電耦合器把單片機的控制系統加載于可控硅的控制極當中，能夠最大程度地縮小驅動功率及可控硅在觸發的時候出現的干擾。我國大多電氣設備在處于工作狀態的時候都是用的50Hz頻率的交流電，這種交流電路的特點是每經過10ms的時候電壓就過零點，雙向可控硅于觸發點所使用的電路方案大多為過零觸發電路。筆者所作的調功調速調光控制技術方案，在檢測到過零點的時候，先延遲一定的時間，然后使用可控硅作為驅動，來調控交流電每0.5個周期的導通占空比，達到調功調速調光的目的。

1 雙向可控硅進行過零調功調速調光控制的原理

雙向可控硅依據公式P=T×ω進行過零調功調速調光。在這個公式里，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P=T×ω這個公式，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下，在特定的時間之內電功率發生的變動就會引起角速度也出現變化，通過調節電功率就可達到調速的目標。

過零調功進行的時候，工作電壓表現為一個完全的正弦波形，過零導通和過零截止成為電壓顯著的特征。為了有效調節控制負載功率，過零調功必須在特定的時間之內改變負載交流正弦波的數量。導通的觸發在雙向可控硅電壓過零與電流過零的情況下實現的，導通的時候，波形為完整的正弦波或半波，因此，雙向可控硅在調功調速的時候，它移相調壓的方式是沒有缺陷的，雙向可控硅的導通是在電壓過零狀態時達成的，而電壓過零狀態下的電路負載電流及其變化率都較小，這對雙向可控硅的正常工作不會造成不利的影響。

在將兩個晶閘管進行并聯之后繼而串聯的交流電路中，晶閘管交流經由改變單片機的編制程序來輸出功率，運行時的頻率保持不變，這是交流電之中的電力調控。晶閘管對輸出的電壓波形進行周期性的采樣，就會出現觸發延遲角，運行之中觸發導通的周期、關斷周期的比例都和負載消耗的平均功率有直接相關性。為了進行調光，需要把單片機作為主控芯片，在50Hz頻率的變化情況下，電路里的交流電被光電耦合器轉變為方波信號來進行過零點檢測，然后就可以把單片機控制信號變為雙向可控硅控制極的觸發信號。

2 硬件電路的設計方案

檢測電壓在工作的時候為正過零或者負過零，是硬件電路必須具有的功能。單片機可以利用控制門有效調節門控電路的電平，從而能夠有效控制雙向可控硅過零時觸發的脈沖個數。

2.1 過零檢測電路

使用Microchip公司的PIC16系列89C51單片機作為本研究設計中的主控芯片，采取型號為MOC3041的光電耦合器，工作頻率為50Hz，采用的雙向可控硅型號為BCR16LM。

使50Hz的交流電在經由零點之時能夠確保取出脈沖，這是設計過零檢測電路的終極目標。本研究設計經由兩個光電耦合器來進行過零控制，見圖1。

交流電源通過R12加載于兩個反并聯光電二極管之上，當交流電源處于正、負半周狀態時，二極管D1與D2輪流實現導通，由此，三極管T1與T2也會進行輪流導通。導通之時，從V0端輸出低電平，在過零的一瞬間，會截止交流電源線路里的兩個二極管，而此刻V0端輸出的是高電平，接下來會有一個10ms周期的脈沖信號被輸送至89C51下INT0的引腳處，每隔1s會向單片機發出100次中斷的請求，以此來形成的中斷控制周期為100次/s。

本研究設計的過零檢測電路在電源電壓通過零點之時，即可產生準確的過零脈沖，電路的性能比較穩定，能使電器安全運行。

2.2 雙向可控硅觸發電路

本雙向可控硅電路設計使用MOC3041過零光耦，可以進行過零檢測和光電隔離，并且能夠過零觸發，線路的輸入與輸出通道進行的雙向可控硅觸發并不需要同一時間，隔離-驅動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。

雙向可控硅觸發電路的機制是：用戶設置參數后，單片機對之進行響應，于I/O口輸出高電平，反向器對輸出的高電平進行反向處理，然后輸出低電平，對光電耦合器進行導通，使光電耦合器能夠同時觸發雙向可控硅，因而導通整個電路，使其安全工作。

在特定的時間，負載獲取的功率可以用以下公式表示：P=UI

這個公式里的P代表負載下的功率（kW），n代表特定時間里雙向可控硅導通的正弦波數量，N代表特定時間里交流正弦波數量，U代表在一個電源周期里，雙向可控硅處于全導通時相應電路電壓的有效值（V），I代表在一個電源周期里，雙向可控硅處于全導通時相應電路電流的有效值（A）。這個公式說明，在電壓、電流及交流正弦波數量完全確定不變時，只要變化特定時間里雙向可控硅導通的正弦波數量，即可調節電機轉速。

3 軟件的設計

本研究設計的軟件程序為雙向可控硅的過零觸發，以單片機來控制雙向可控硅的通斷。單片機不僅在特定的控制周期里來控制雙向可控硅的導通，還能控制交流關斷狀態時完整全波或半波信號的數量，我們把控制周期設置為1s，調節負載功率的樞紐就是雙向可控硅1s內導通正弦波的數量，以此來進行調速調光。INT0信號可以就過零時工頻電壓做出反應，故而在外中斷過零時的中斷程序，就支配控制門開啟或關閉，判斷特定時間里雙向可控硅導通正弦波的數量可通過中斷服務的次數來進行。當服務中斷1次之時，特定時間里雙向可控硅導通正弦波的數量n就計數（-1）。計數進行時，當n≠0，控制電平須確定在“1”，使將控制門依然保持打開；當n=0，控制電平則須復位于“0”，關上控制門，由此即可中斷雙向可控硅過零觸發的脈沖。

本研究設計通過節制雙向可控硅的通斷，即可支配雙向可控硅過零，變化服務的次數，操縱特定時間里雙向可控硅導通正弦波的數量，從而由對控制量的掌握來進行調功調速調光。

主循環控制程序：以初始化數據的存儲單元為基礎，設置調功調速調光器參數，并轉化這些參數為特定時間里雙向可控硅導通正弦波的數量，明確中斷優先權及開斷，使正弦波保持完整。單片機判斷電路負載之后須復位，假設有負載即開始主循環，并準備中斷，當工頻過零的時候，須同時把INT0進行中斷，繼而明確更高一級的中斷源。

中斷服務程序：運行中斷服務程序時，必須有力保護現場，把中斷標志位置確定為INT0位置，嚴格禁止主程序改變參數。INT0中斷位置計數-1時，檢測雙向可控硅關斷與否，從而判斷是否關閉調功調速調光器，如果關閉，要清除INT0中斷位置的數據，全部數據都進行初始化，使線路現場得到恢復，中斷進行返回。當外中斷過零之時，掌控雙向可控硅于1s的周期里導通正弦波的數量，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，清除INT0中斷位置的數據，全部數據進行初始化，線路現場得到恢復，中斷進行返回。

4 結束語

本研究設計中，在每個特定的周期里，由雙向可控硅導通占據的比例來調控負載功率，這在功率較大的交流裝備（例如電爐及交流電機等）均能應用，并且控制方法有安全保障。本研究設計的過零檢測與觸發電路，在進行過零檢測時，當發現過零即可提出中斷請求，軟件程序簡單可行，值得同類產品進行借鑒。

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