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交流稳压电源工程师向你解释什么是晶体闸流管的过零触发?

晶闸管(可控硅)是使用比较普遍的电子元件。它不仅在军工、电子、化工、机械等各个领域都有广泛应用,而且在交流稳压电源方面,亦常见它的身影。

交流稳压电源工程师向你解释什么是晶体闸流管的过零触发?

       众所周知,晶闸管主要用于调压(调功)和可控整流。根据它的内部结构(图1)的原理可知,只要它加有正向电压,并在控制极g端也加以正向电压或正向脉冲时,它就会被”触发”而导通。

交流稳压电源工程师向你解释什么是晶体闸流管的过零触发?

       晶闸管常用的触发方式大致有RC移相触发、晶体管脉冲移相触发、双基极二极管(单结晶体管)移相触发等。在输出电流不大的场合,往往优先采用双基极二极管。因为双基极二极管触发方式的交流稳压电源电路十分简单,本身功耗极小,但移相范却很宽。交流稳压电源电路见图2,这里除双基极二极管外,另外只用了一只电容和三只电阻。

       图中电源取自电源变压器的一个独立绕组,经整流并“削波”,是同步于供电电源的脉动直流电。它通过R1向电容C慢慢充电,使电容两端电压逐步升高,至达到双基极二极管的”峰点电压”时,e和b1间电阻突然变小,电容上面积累的电荷就经过R3在一瞬之间放尽。于是在C和R3上都形成一个脉冲式的电压降。如将它引入晶闸管的控制极,就可使之导通。只要改变对C充电的速度,就可以控制脉冲在半个电源周期内的位置,也就是改变晶闸管的导通角。

       晶闸管移相触发由于线路简单、可以连续无级调压且输出平稳,所以被广泛采用。但是它也具有一个严重的缺点。即是仅适宜用于小功率的设备。当用于大功率大电流设备时,则会在晶闸管的导通瞬间(对50Hz供电之反并联晶闸管而言,重复频率为100次/秒),负载电流在微秒级时间内从零突然转入满负载,此阶跃电流能展开成其幅值反比于频率的无限能谱。其主要能量,则集中在广播射频段(故又称射频干扰)。此射频能量经过电源输电线路的多次反射,无异将电源系统变成了一个庞大的天线系统,向周围空间发射。干扰一定范围内的广播接收设备和电子仪器及使用电子元器件的其它设备。

       晶闸管移相触发方式除有上述缺陷之外,在负载电流跃变的瞬间,电源将产生很大的漏抗压降,使电源的电压波形产生缺囗,引起由同一台电力变压器供电的其它晶闸管装置的误动作,使其控制失灵。这一现象,业内人士称之谓”台间干扰”。当然,为了消除这种干扰,可以在每台设备的电源输入端加设滤波装置,但要增加一定成本而且也很难彻底解决。

       鉴于晶闸管的移相触发方式具有上述缺陷,所以,在功率较大的工业生产设备上,往往采用另外一种触发方式即过零触法方式(简称零触发)。

       “零触发”,顾名思义,就是在交流电源电压的”零点”附近,向晶闸管的控制极上施加触发电压使之导通、从而令整个周波全导通的一种触发方式。可以想像,在交流电源正、负半周期的初始端,其瞬间实际电压都极低。若在此时令其导通,对电源而言,虽然也有类似移相触发那样的电流跃变,但其变化的幅值却是微乎其微,可以忽略不计。因此,就从根本上消除了干扰的来源。

       在零触发交流稳压电源电路中,对设备功率的调节是用增、减通电周波数的方法来达到的。例如,在1秒钟之内,全截止为零输出;50个周波导通为满功率输出;25个周波导通为半功率输出等等。

       此外,零触发还有一个较大的优点:就是功率因数可接近于1。因为它只有截止和全导通两种状态。所以,对设备而言,即使处于极小功率的输入(即导通的周波数极少)时,但对电源而言,每一个导通的周波却是全导通的。而移相触发则不然,在导通角较小时,其功率因数很低。

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       多年前,我公司新造了一台电热设备,用于较高档次产品的淬火加热。考虑到此产品对温度的准确性有一定要求,所以决定自行设计制造一台与之配套的控温仪器。其中就采用了晶闸管的过零触发技术。设计制造仪表中的零触发逻辑方框图见图3所示。

       因为调节器送来的信号是在0~10mV之间变化的模拟量,所以要先经过一个模-数转换的中间环节,把信号转变成每秒0~50个脉冲(相应)的数字量。也就是说,输入信号等于零时该转换器的输出脉冲数也等于零;但如输入信号变成2V的话,则该转涣器的输出就变为10个脉冲;依此类推,输入信号为10V时,就变为全输出50个脉冲了。

       当每一个脉冲输入到单稳态记忆单元时,就使之翻转成“置位”状态。在每一个脉冲之后的电源电压过零瞬间,由过“过零检测器”发来的过零脉冲信号再使双稳态翻转到“复位”状态,同时又送脉冲信号至功放级进行展宽和放大。最后再送到晶闸管的控制极和阴极之间,触发晶闸管。

       本交流稳压电源电路的晶闸管部份,是采用了“主从跟随”形式。当第一只晶闸管被触发导通之后,即通过一些阻容元件自动再去触发与之反向并联的另一只晶闸管。保证了一个周波内电源正、反方向的全导通。供电变压器中就不会出现直流分量了。

       过零检测的作用是检测到电源电压过零的“时段”并在此时输出一个过零脉冲,使双稳态复位,以保证功放级输出的触发脉冲正好出现在电源正向过零之时。而双稳态由“复位”状态转成“置位”状态时不输出脉冲。

       因此,本交流稳压电源电路的触发脉冲,其出现之时是由过零检测器决定。而触发脉冲的个数则是由模-数转换器的输出脉冲数决定的。只要模-数转换器具有较好的线性,就可以保征输出脉冲数和输入信号的大小成良好的线性关系。具体原理交流稳压电源电路见图4和图6。

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       图4是本触发器的具体交流稳压电源电路原理图的前半部份(凡未注明型号的二极管和三极管,都系普通管)。。由T1~T3及其周围阻容元件R1~R7以及C1等组成模-数转换器。其中T1作倒相兼阻抗变换;T2起可变电阻的作用并和T3组成弛张振荡器。使T2的电流放大系数与其等效电阻之乘积β Re甚大于信号源内阻,其振荡频率便能和输入电压成正比,从而输出与输入之间便具有良好的线性关系。

R8、C2为退耦滤波网络。

       T4与D2~D4、C3~C4以及R11~R13等元件构成“过零检测器”,其中R12、C4为滤波网络,用以滤除80V同步电源的杂波,提高交流稳压电源电路的抗干扰性能。但因RC网络有延迟相位的作用,故在它前面必须加设相位校正交流稳压电源电路C3和R11。C3是一只1μ和0.47μF无极性电容并联构成。调整0.47μF部份(在0.33到0.47之间),使T4在同步电源正向过零前0.2mS左右导通。R13是T4的上偏流电阻,二只隧道二极管构成“下偏流电阻”由隧道二极管的特性可知,当在它的限流电阻R13前面所加的电压升高到某一数值时,它就会从原先的低内阻状态突然转变为高内阻状态、从而使T4立即由截止转为导通。

       这样,在T4集电极电阻R9与R10上就流过较大的电流。于是在该二电阻的连接处的矩形波就形成了陡削的下降沿,经过C5、R18、R19微分之后,变为脉宽为50μS左右的负向尖脉冲送到下一级双稳态交流稳压电源电路的T5基极。D5的作用是削除由上升沿形成的正向尖脉冲。

       在交流稳压电源电路中,还有一只与隧道二极管反向并联的2CK19,其作用是使同步电源的负半周短路,只让正半周电压加到T4的基极上。

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       T5、T6与R16、R17、R19、R20四只电阻构成了互补式双稳态交流稳压电源电路。它和一般双稳态交流稳压电源电路的区别是两管同时导通或两管同时截止(见图5分析)。

       由过零检测器引入的负向尖脉冲加于T5的基极上,使T5导通,就有电流流经R16、R17。在R17上产生一个上正下负的电压降。此电压降加于T6基极发射极之间,使T6也获得偏流而导通起来。T6导通后,R19上的电压降就使T5更加导通。周而复始,以至撤去外加信号,二管都能保持饱和状态。

       但是,当模-数转换器有一定幅值的负脉冲到来之时,就抵消了R17上的正向电压,使T6的偏流消失而截止。T6截止后,R19上的压降亦随之消失。于是T5、T6便都回复为截止状态了。

       在T6由导通转为截止之时,由下降沿形成的负向脉冲。经C6、R21、R22再送入功放级进行功率放大。

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       功率放大和晶闸管主回路部份见图6。

       T7、D8、R24和脉冲变压器构成功率放大级。起波形展宽和功率放大作用。可以输出空载幅值为6V、宽度为1.1mS 左右较大能量的宽脉冲。

       这种交流稳压电源电路,实际是一种单稳态间歇振荡器。它的输出功率虽大,但也有一个缺点,就是抗干扰的能力较差。因此,我们在T7的基极上串入了一只二极管,把T7的死区电压提高0.7V左右,它的抗干扰性能得到了大幅提高。

       脉冲变压器采用采用MX2000/GU26罐形磁心。。三个绕组的匝数为200:600:200。要注意各绕组的同名端,否则将无法起振。改变脉冲变压器的匝数比或调节R23均可改变脉冲宽度。若要使脉冲宽度增大,可以适当减小R23,或适当增加基极绕组的圈数。

       与脉冲变压器主绕组并接的二极管D8,用来保护功放管T7。加了此二极管后,T7就不会在转入截止瞬间被脉冲变压器的浪涌电压击坏。和二极管串联的电阻R24,有一定阻尼作用。

       触发晶闸管的触发脉冲由脉冲变压器次级输出。经过47Ω隔离电阻送到SCR1。R27(和R28)作为晶闸管的偏置电阻,也具有抗干扰的作用。串入了R25后,可以减少负载变更时影响脉冲宽度。

       在电源正半周之初,由脉冲变压器送来的触发脉冲信号首先使晶闸管SCR1导通。SCR1导通后,其内阻接近为零。一方面负载中有电流流过而使炉子加热升温,同时电容C9也会由此经D10和SCR1进行充电。其极性是左负右正。及至正半周电源达到过零瞬间,SCR1因失电而转为截止。于是C9将会经R29、R28进行快速放电,分别在这二只电阻上产生脉冲式电压降。在R28上的极性是下正上负,正好满足SCR2的触发条件。而这一时刻,正是电源刚进入负半周之际,也满足晶闸管必须阳极加正电压、阴极加负电压的要求。所以SCR2就导通并直到下半周结束。接着,电源进入下一个周期,如果还有输入脉冲的话,则再重复上述过程。

       像这种第一只晶闸管导通后接着与之反向并联的另一晶闸管跟着自行导通的触发方式,就称为“主从触发”方式。

       由于本交流稳压电源电路用于纯电阻性负载,不会出现换向时的过电压情况,所以未在晶闸管两端另加RC保护,而只是在电源的输入端加了R30和C10。在一定程度上已经限制了电压上升率。

       本交流稳压电源电路采用了氖管作电源指示。主要是便于观察两只晶闸管的导通状况。如果内中有一只晶闸管不导通时,它的相应的一个电极就不会发光。

       实际使用本触发器时,个别地区可能有电源电压较严重的不稳定的现象,从而产生或大或小的附加扰动,影响被控对象温度的质量。因此,最好还要引入一个电源电压的负反馈,来消除其影响。因为这一内容非本文讨论范围,就不再予以展开了。

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