晶閘管過零觸發(fā)電路

1、閘管過零觸發(fā)電路結(jié)構(gòu)及原理分析 
1.1觸發(fā)電路和過零觸發(fā)電路的比較 
在交流調(diào)壓領(lǐng)域，尤其是應(yīng)用于交、直流電機(jī)的電力拖動系統(tǒng)的交、直流調(diào)壓電路，多采用移相觸發(fā)電路，即使觸發(fā)脈沖相對同步脈沖來說，產(chǎn)生一個相對延遲角，延遲量越大，晶閘管的導(dǎo)通角越小，輸出電壓越低。電路的實質(zhì)是調(diào)整或控制觸發(fā)脈沖出現(xiàn)的時刻，若使移相觸發(fā)脈沖在電網(wǎng)周波的“峰頂位置”出現(xiàn)，晶閘管在電網(wǎng)電壓過零點(diǎn)后的T2、T4時刻開通，電網(wǎng)電壓的正弦波被“削掉一半”，輸出電壓的有效值為電源電壓的一半。移相觸發(fā)的結(jié)果，使完整的正弦波被 “部分砍掉”，形成“缺口波”，此種波形中諧波分量最大，富含奇、偶次（多種頻率值的）諧波，易使電網(wǎng)中產(chǎn)生浪涌電壓（電流）分量，造成對電網(wǎng)的污染、易對周過電氣設(shè)備造成干擾。 
我們可稱為這種控制方式為“削波控制”，輸出電壓頻率仍為50Hz，電壓（電流）的連續(xù)性，還算不錯。

圖1移相觸發(fā)與過零觸發(fā)的波形比較 
即能實現(xiàn)調(diào)壓，又能保持輸出正弦波波形的完整，這是過零觸發(fā)電路的最初思路。實現(xiàn)方法： 
1）觸發(fā)脈沖總是在電網(wǎng)過零點(diǎn)附近送出，使晶閘管在電網(wǎng)過零后即行輸出，在整個電網(wǎng)周波內(nèi)“完全開通”，電路輸出為完整的正弦波形； 
2）用門限控制信號來控制晶閘管的導(dǎo)通時間，即控制流過晶閘管周波數(shù)的多少，當(dāng)使控制信號高、低電平時間比T1：T2=1：1時，晶閘管一半時間處于關(guān)斷，一半時間處于開通，電源中的完整周波有一半為晶閘管所輸出，輸出電壓的有效值也為電源電壓的一半。 
3）過零電路的觸發(fā)脈沖，是由同步脈沖，不經(jīng)移相，即直接觸發(fā)晶閘管的，但取得的同步脈沖往往較“窄”，需要展寬處理，才能可靠觸發(fā)晶閘管。過零觸發(fā)電路，晶閘管輸出波形為完整的正弦波，晶閘管從過零點(diǎn)開始導(dǎo)通，然后在過零點(diǎn)自生關(guān)斷，晶閘管承受的電流、電壓沖擊較小，輸出電壓的諧波分量少，不污染電網(wǎng)和造成干擾，這是其優(yōu)點(diǎn)。這種控制方式可稱之為“通、斷控制”，輸出為全壓→輸出電壓為0→輸出為全壓→輸出電壓為0→??，輸出電壓（電流）的連續(xù)性很差，電源的通斷頻率，取決于門限控制信號的變化，因而適用范圍更窄，僅適用于阻性負(fù)載，如電阻加熱恒溫控制等，不宜用于控制電力拖動系統(tǒng)。 
1.2過零觸發(fā)電路的結(jié)構(gòu)形式 
在一些需要頻繁起?；蚬ぷ鲌鏊厥獬鲇诎踩紤]，不允許產(chǎn)生接觸器開斷時的火花，常采用晶閘管功率器件，來代替接觸器，用作電機(jī)起?？刂?，這種電路被稱作無觸點(diǎn)開關(guān)，在控制上非常簡單。用繼電器KA控制晶閘管的開、斷，KA觸點(diǎn)閉合時，產(chǎn)生由晶閘管陽極經(jīng)D、R限流和限向元件，流入晶閘管柵、陰極的觸發(fā)電流回路，晶閘管開通，KA觸點(diǎn)斷開，晶閘管截止。假設(shè)能精確地控制KA在電網(wǎng)電壓過零時接通，則晶閘管開通時沖擊電流最小，即成為過零觸發(fā)控制電路。實際電路中，因繼電器KA的滯后動作（電磁/機(jī)械轉(zhuǎn)換動作過程），對其閉合時間，很難進(jìn)行精準(zhǔn)的控制，若換用電子器件代替KA，控制電路能在適當(dāng)時刻發(fā)送觸發(fā)脈沖，即能實現(xiàn)真正的過零觸發(fā)控制。

晶閘管過零觸發(fā)電路，主要由同步信號電路、門限控制信號電路、觸發(fā)電路等幾部分組成。同步信號電路用于采樣電網(wǎng)過零信號，形成電網(wǎng)過零脈沖信號，有些電路是直接將同步脈沖用于觸發(fā)脈沖，有些電路是經(jīng)展寬處理，變?yōu)橛|發(fā)脈沖；門限控制信號電路，是觸發(fā)脈沖的“可控通道”，控制流通脈沖數(shù)，也即時控制晶閘管的導(dǎo)通脈波數(shù)，達(dá)到過零調(diào)壓控制的目的。另外，晶閘管過零觸發(fā)電路，主要由同步信號電路、門限控制信號電路、觸發(fā)電路等幾部分組成。同步信號電路用于采樣電網(wǎng)過零信號，形成電網(wǎng)過零脈沖信號，有些電路是直接將同步脈沖用于觸發(fā)脈沖，有些電路是經(jīng)展寬處理，變?yōu)橛|發(fā)脈沖；門限控制信號電路，是觸發(fā)脈沖的“可控通道”，控制流通脈沖數(shù)，也即時控制晶閘管的導(dǎo)通脈波數(shù)，達(dá)到過零調(diào)壓控制的目的。另外，

圖4 模塊化過零觸發(fā)電路 
上圖中，PC1光耦合器，輸入端為發(fā)光二極管，輸出側(cè)為單向晶閘管，電阻R1、電容C1并聯(lián)于PC1輸出側(cè)單向晶閘的柵、陰極，起到消噪作用，提高電路工作的可靠性。整流二極管D1~D4、電阻R5、R6與PC1輸出側(cè)單向晶閘管，形成雙向晶閘管VT的觸發(fā)電流通路，R5、R6為觸發(fā)回路限流電阻。R7、C2為阻容尖峰電壓吸收元件，保護(hù)晶閘管VT的安全。RL為負(fù)載。 
電阻R2、R3、R4和晶體管VT1組成過零檢測電路。D1~D4將輸入交流電壓的兩個正、負(fù)半波整流為100Hz的脈動直流，以使PC1輸出側(cè)晶閘管在網(wǎng)正、負(fù)周波內(nèi)均承受正向電壓，同時，晶體管VT1只有在電網(wǎng)過零點(diǎn)附近因基極偏壓不足，處于截止?fàn)顟B(tài)，PC1輸入側(cè)若外控制信號為高電平（產(chǎn)生輸入電流），輸出側(cè)晶閘管受光觸發(fā)而開通，電網(wǎng)過零后，VT1滿足基極偏流條件，處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，將PC1輸出側(cè)晶閘管的柵、陰極短路，不再接受輸入端信號控制。換言之，在PC1輸入信號為高電平的狀態(tài)下，只有在電網(wǎng)電壓過零點(diǎn)附近，PC1輸出側(cè)晶閘管具備導(dǎo)通條件，后級電路VT晶閘管只能在電網(wǎng)過零點(diǎn)附近得到觸發(fā)電流而開通，形成過零觸發(fā)控制。 
光耦合器PC1輸出側(cè)晶閘管的開通，是三個條件共同作用的結(jié)果： 
1）陽極、陰極須承受正向電壓，因D1~D4的整流作用，使電網(wǎng)過零后的正、負(fù)半波期間，均承受正向電壓； 
2）VT1截止期間，也即是電網(wǎng)過零點(diǎn)附近，能接受控制信號被觸發(fā)導(dǎo)通； 
3）輸入信號為高電平期間，也即是輸入側(cè)發(fā)光二極管有輸入電流產(chǎn)生時，輸出側(cè)晶閘管才能形成光/電轉(zhuǎn)換來的觸發(fā)電流。 
這里存在一個問題，所謂過零觸發(fā)，是否在過零點(diǎn)，晶閘管VT即被觸發(fā)？這是不可能的，
晶閘管VT總是要稍微滯后于過零點(diǎn)才能被觸發(fā)導(dǎo)通，晶閘管VT的開通，同樣受到下面幾個條件的制約： 
1）晶閘管須承受一定的正向電阻值后，才能開通，閘管開通也存在一個“門坎電壓”； 2）在電網(wǎng)過零期間施加的觸發(fā)脈沖，如寬度不足或出現(xiàn)過早，晶閘管承受的正向電壓值尚不能滿足開通要求，開通電流達(dá)不到“擎住電流”值，則造成觸發(fā)失??； 
3）控制電路方面的原因，如本電路中VT1在電網(wǎng)過零后，在尚未滿足發(fā)射結(jié)電壓0.4V以上時，還處于截止或微導(dǎo)通狀態(tài)，并不能將截止期完全對準(zhǔn)電網(wǎng)過零點(diǎn)。 
因而所謂的過零觸發(fā)，不是絕對的對準(zhǔn)一個過零點(diǎn)，理解為一個過零區(qū)，更為適宜，改變圖4中R3、R4的阻值，可以設(shè)定“過零區(qū)”的大小。也可以將過零脈沖理解為移相角度極小的觸發(fā)脈沖，但總會產(chǎn)生一個移相角度，是不可能絕對對準(zhǔn)過零點(diǎn)的。 
上文提到過，圖4電路可構(gòu)成完整的過零觸發(fā)交流開關(guān)或交流調(diào)壓電路，這取決于控制信號的類型。 

圖5 過零觸發(fā)電路的控制信號方式 
晶閘管VT總是要稍微滯后于過零點(diǎn)才能被觸發(fā)導(dǎo)通，晶閘管VT的開通，同樣受到下面幾個條件的制約： 
1）晶閘管須承受一定的正向電阻值后，才能開通，閘管開通也存在一個“門坎電壓”； 2）在電網(wǎng)過零期間施加的觸發(fā)脈沖，如寬度不足或出現(xiàn)過早，晶閘管承受的正向電壓值尚不能滿足開通要求，開通電流達(dá)不到“擎住電流”值，則造成觸發(fā)失??； 
3）控制電路方面的原因，如本電路中VT1在電網(wǎng)過零后，在尚未滿足發(fā)射結(jié)電壓0.4V以上時，還處于截止或微導(dǎo)通狀態(tài)，并不能將截止期完全對準(zhǔn)電網(wǎng)過零點(diǎn)。 
因而所謂的過零觸發(fā)，不是絕對的對準(zhǔn)一個過零點(diǎn)，理解為一個過零區(qū)，更為適宜，改變圖4中R3、R4的阻值，可以設(shè)定“過零區(qū)”的大小。也可以將過零脈沖理解為移相角度極小的觸發(fā)脈沖，但總會產(chǎn)生一個移相角度，是不可能絕對對準(zhǔn)過零點(diǎn)的。 
上文提到過，圖4電路可構(gòu)成完整的過零觸發(fā)交流開關(guān)或交流調(diào)壓電路，這取決于控制信號的類型。 
 

當(dāng)控制信號上圖中a電路類型時，操作開關(guān)SA，輸出電壓形式也為交流開關(guān)電路，電路等效為無觸點(diǎn)交流開關(guān)。SA閉合時，負(fù)載RL上得到全電壓，電路接通；SA斷開時，負(fù)載RL上電壓為零，電路斷開。 
當(dāng)控制電路如上圖b電路時，輸入控制信號為變化的H、L電平信號，該控制信號可由振蕩電路生成，或儀表輸出信號，調(diào)寬H、L信號的時間比例，即控制輸出晶閘管的通、斷時間比，此時的電路便為調(diào)壓輸出電路。輸入的PWM信號，正是門限控制電壓信號，高電平時觸發(fā)電路“門開”，低電平時觸發(fā)電路“門關(guān)”。這種控制信號，又可稱作PWM可調(diào)寬信號（當(dāng)然信號頻率要低于50Hz），如使高電平脈沖的占比空產(chǎn)生1~99%的變化，則輸出電壓也挖于1~99%供電電源電壓，負(fù)載所得到的功率也產(chǎn)生1~99%額定功率的變化，因而過零觸發(fā)調(diào)壓電路，又往往被稱為調(diào)功電路（用于電阻負(fù)載的功率調(diào)節(jié)）。 3、晶閘管過零觸發(fā)電路二 
整機(jī)電路由同步信號電路、門限控制信號電路和觸發(fā)脈沖電路組成，主電路采用晶閘管模塊，內(nèi)含兩只單向晶閘管。若采用一只雙向晶閘管，脈沖變壓器可省掉一個二次繞組。
1）同步信號形成電路。電源變壓器TB1的二次12V繞組，兼有供電電源和電網(wǎng)同步信號采樣兩種“職能”，12V繞組的正弦波電壓信號，經(jīng)D1~D4橋式整流電路整流后，變?yōu)?00Hz的正向脈波信號，經(jīng)電阻R1形成晶體管Q1的基極電流，從Q1集成極輸出對應(yīng)電網(wǎng)過零點(diǎn)的（高電平）脈沖信號，加到與非門U2的1腳。接于Q1基極的R1、C1既起到消噪和限流作用，也形成一定的時間常數(shù)，使Q1集電極輸出的過零同步脈沖有一定展寬。

2）門限控制信號電路。由時基電路U1（NE555）及引腳外接元件組成固定振蕩頻率、輸出脈寬可調(diào)的多諧振振蕩器，從3腳輸出的可調(diào)脈寬信號加到與非門電路U2的2腳。 本電路門限控制信號電路的振蕩周期約為0.35s，固定振蕩頻率約為2.9Hz，RP1調(diào)至中間位置時，晶閘管SCR1、SCR2連續(xù)導(dǎo)通8個周波，然后截止8個周波的時間；最多導(dǎo)通脈沖數(shù)16個，截止脈沖波1個；反最少導(dǎo)通脈波數(shù)1個，截止脈波數(shù)16個，電路若為功率調(diào)節(jié)，則調(diào)功比1：16，輸出可調(diào)電壓范圍5V~210V左右。 
3）觸發(fā)脈沖形成電路。U2（HC4011）數(shù)字集成電路內(nèi)含四級與非門電路，本電路只用了兩級。第一級與非門路，將輸入同步脈沖信號與PWM脈沖進(jìn)行與非比較，在門限信號為高電平期間，同步脈沖與門限信號進(jìn)行相與運(yùn)算，U2的3腳輸出端變?yōu)榈碗娖?；第二級與非門電路的兩個輸入端，短接在一起，形成“非門”電路，對3腳輸出信號倒相輸出，輸入脈沖功率放大器Q2的基極，產(chǎn)生脈沖變壓器一次繞組的電流，經(jīng)電磁感應(yīng)，使TB2二次兩個繞組，得到脈沖信號，驅(qū)動晶閘管模塊內(nèi)部的兩只晶閘管，控制其調(diào)壓輸出。電路在正、負(fù)半波的兩個過零點(diǎn)期間，輸出兩個觸發(fā)信號，加到晶閘管模塊內(nèi)的兩只管子的柵陰極上，使其在（電網(wǎng)過零點(diǎn)后）承受正向電壓期間，依次開通。  
    將圖6電路與圖7電路各點(diǎn)波形相對照，可以“形象地看見”過零觸發(fā)電路的工作過程。