廣東理工學(xué)院電氣工程系 王天鳳

雙向可控硅調(diào)功電路的實現(xiàn)與應(yīng)用

廣東理工學(xué)院電氣工程系 王天鳳

針對單向可控元件觸發(fā)導(dǎo)通型交流調(diào)功電路可調(diào)度小、精度低、無法執(zhí)行自動控制算法等缺陷，本文設(shè)計了一種基于單片機控制雙向晶閘管的交流調(diào)功電路，測試表明該電路可以大范圍、精確、動態(tài)地調(diào)節(jié)交流電的導(dǎo)通角，可作為一個極低成本的交流功率智能控制實驗平臺用于《電力電子技術(shù)》、《單片機控制》、《自動控制》等課程的教學(xué)。

電容降壓；過零檢測；雙向可控硅

1.引言

晶閘管可控整流技術(shù)是《電工基礎(chǔ)》、《電力電子技術(shù)》等電類專業(yè)課的重要內(nèi)容，學(xué)生必須接受必要的實驗實訓(xùn)教學(xué)才能掌握該技術(shù)的基本原理和技能。然而在教學(xué)實踐中使用的成套電工教學(xué)設(shè)備價格很高，且不太適合教學(xué)需要,為此，本文設(shè)計了“基于單片機的交流調(diào)功電路”作為教學(xué)實驗儀器，其原理為利用89C2051單片機內(nèi)部比較器得到交流電壓的過零時刻，以此定時控制晶閘管的導(dǎo)通角導(dǎo)通時間，通過調(diào)節(jié)導(dǎo)通角觸發(fā)時間和頻率達(dá)到調(diào)節(jié)負(fù)載所消耗的平均功率。本設(shè)計包括220V交流電的電容降壓整流穩(wěn)壓電路、單片機控制雙向晶閘管調(diào)功電路、按鍵輸入和數(shù)碼管顯示4個部分。

2.調(diào)功原理簡介

把兩個晶閘管反并聯(lián)后串聯(lián)在交流電路中，通過單片機編程改變晶閘管的交流輸出，而頻率保持不變，此種方法稱為交流電力調(diào)控。晶閘管的觸發(fā)延遲角實際是對輸出電壓波形進(jìn)行周期性的采樣，而觸發(fā)導(dǎo)通周期與關(guān)斷周期的比例決定了負(fù)載消耗的平均功率。

3.基于單片機的交流調(diào)功電路的電路原理

3.1 220V交流電源的電容降壓整流穩(wěn)壓電路

圖1 降壓電路

圖1的電路分析如下：容抗Xc為Xc=1/(2πfC），因此流過電容C1的充電電流Ic為Ic=U/Xc；降壓電容C1的容量C與負(fù)載電流Io的關(guān)系可近似為C=14.5Io，C為uF級，Io為A級。

降壓電容C1的充放電電流IC等于負(fù)載的電流Io。在電壓頻率恒定的情況下，電容的容量與容抗成反比關(guān)系，則C1的容量決定充、放電電流的大小。當(dāng)滿足了負(fù)載電流IO時，剩下的電流流經(jīng)穩(wěn)壓管D1，因此在穩(wěn)壓管最大允許電流的選擇上應(yīng)采用大于(IC-IO)的，以保證正常可靠工作。C1的耐壓值應(yīng)大于2-3倍的電源電壓，并且必須采用無極性的電容。R1的作用是給降壓電容提供電流回路以泄放掉多余的電荷，被稱為泄放電阻，阻值選擇1MΩ。值得注意的是，電容降壓屬于非隔離降壓，只適用于低壓和負(fù)載穩(wěn)定的場合，在使用過程中也必須注意安全。220V經(jīng)過電容降壓和整流之后得到15V的直流電，經(jīng)過LM7805穩(wěn)壓集成電路得到+5V的輸出以供單片機使用。

3.2 交流電過零檢測

單片機內(nèi)部自帶的比較器可檢測得出正弦交流電壓的過零時刻。如圖2所示，89C2051單片機內(nèi)附有比較器，輸入端分別為P1.0和P1.1，令單片機P1.1引腳為0V，即參考電壓，P1.0引腳接需檢測的電壓，輸入電壓的變化由零轉(zhuǎn)為正時，比較器輸出高電平；輸入電壓變化由正轉(zhuǎn)為零時，比較器輸出低電平，比較器輸出的結(jié)果存入P3.6對應(yīng)的寄存器，即在單片機內(nèi)部，P3.6在89C2051外部無引腳。

圖2 過零檢測電路

3.3 單片機控制晶閘管觸發(fā)

觸發(fā)電路如圖3所示，經(jīng)過89C2051單片機內(nèi)部比較器檢測出零點后，把結(jié)果存入內(nèi)部寄存器并作為電平信號用于啟動單片機內(nèi)部的定時器計時始點，通過程序調(diào)節(jié)控制定時器的定時時間，作為驅(qū)動雙向可控硅導(dǎo)通角的觸發(fā)時間，觸發(fā)頻率可任意選取，此電路在測試時調(diào)節(jié)到交流電源頻率的2-5倍，分幾個等級測試。晶閘管的觸發(fā)延遲角實際是對輸出電壓波形進(jìn)行周期性的采樣，而觸發(fā)導(dǎo)通周期與關(guān)斷周期的比例決定了負(fù)載消耗的平均功率。

圖3 雙向晶閘管的脈沖觸發(fā)電路

4.結(jié)論

89C2051單片機控制軟件設(shè)置了10個功率等級，上課時可以接一個220V、25W的白熾燈泡演示調(diào)功的效果。測試表明，該電路可以大范圍、精確、動態(tài)地調(diào)節(jié)交流電的導(dǎo)通角，可用作《電工基礎(chǔ)》、《電力電子技術(shù)》、《單片機控制》等課程的演示教具或?qū)W生綜合實訓(xùn)案例。

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王天鳳（1988—），女，大學(xué)本科，助教，教學(xué)領(lǐng)域：應(yīng)用電子技術(shù)。