基于TCA785移相觸發(fā)器控制雙向可控硅電路原理

1、0 引言磁粉探傷機由于其結(jié)構(gòu)相對簡單、檢測速度快、成本低、對環(huán)境污染較小等特點，已廣泛應(yīng)用于航空、機械、汽車、內(nèi)燃機、鐵道、船泊等部門。由于某些車輪輪對熒光磁粉探傷機的退磁不穩(wěn)定，故需要對周向電流電路控制系統(tǒng)中的可控硅調(diào)壓方案進(jìn)行改進(jìn)。目前，在生產(chǎn)中使用的磁粉探傷設(shè)備中，周向電流多采用2只可控硅反向并聯(lián)組成調(diào)壓電路。而本文則給出了采用TCA785移相觸發(fā)器對可控硅實現(xiàn)調(diào)壓的方法。1 可控硅調(diào)壓原理和觸發(fā)方式可控硅具有體積小、重量輕、耐壓高、價格低廉、控制靈敏和使用壽命長等優(yōu)點，它使半導(dǎo)體器件的應(yīng)用從弱電領(lǐng)域進(jìn)入強電領(lǐng)域，而且廣泛應(yīng)用于整流、逆變和調(diào)壓等大功率電子電路中?？煽毓枋且环N有源開關(guān)器件

2、，平時它保持在非導(dǎo)通狀態(tài)，直到一個較小的控制信號對其觸發(fā)(或稱“點火”)使其導(dǎo)通，而且一旦導(dǎo)通后，即使撤離觸發(fā)信號，它也保持導(dǎo)通，而要使其關(guān)斷，可在其陽極與陰極間加上反向電壓或?qū)⒘鬟^可控硅二極管的電流減少到某一個閥值以下。磁粉探傷機的磁化電路絕大多采用可控硅調(diào)壓方式來控制周向磁化電流。11 可控硅調(diào)壓原理可控硅導(dǎo)通和關(guān)斷的條件是：當(dāng)陽極電位高于陰極電位且控制極有足夠的正向電壓和電流時，即可實現(xiàn)從關(guān)斷到導(dǎo)通；而陽極電位高于陰極電位且陽極電流大于維持電流時，可維持可控硅的導(dǎo)通：陽極電位低于陰極電位或陽極電流小于維持電流時，可控硅便從導(dǎo)通狀態(tài)變?yōu)殛P(guān)斷。產(chǎn)生觸發(fā)脈沖是可控硅導(dǎo)通的必要條件之一，其質(zhì)量將

3、直接對可控硅的工作情況和性能造成影響。因此，產(chǎn)生觸發(fā)信號的觸發(fā)電路的可靠性直接關(guān)系到可控硅調(diào)壓裝置的質(zhì)量。12 可控硅的觸發(fā)方式用可控硅實現(xiàn)交流調(diào)壓通常有兩種觸發(fā)方式，即過零觸發(fā)方式和移相觸發(fā)方式。過零觸發(fā)是在電源電壓零點附近觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通，并通過改變設(shè)定周期內(nèi)晶閘管導(dǎo)通的周波數(shù)來實現(xiàn)交流調(diào)壓?？煽毓瓒ㄖ芷谶^零觸發(fā)工作波形如圖l所示。 圖1 中，Tc為控制信號的周期，t1和t2分別為可控硅的通、斷時間，且Tc=t1+t2。該電路是通過改變可控硅的通斷時間，即改變通斷的周波數(shù)來實現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)。通?？刂齐娐废劝沿?fù)載與輸入電壓U在周期Tc時間接通t1秒(通n個周波)，然后再斷開t2秒(斷m個周波)，即

4、通過改變通斷時間來調(diào)節(jié)負(fù)載的輸出電壓。移相觸發(fā)是通過改變導(dǎo)通角來實現(xiàn)調(diào)壓。圖2所示就是觸發(fā)脈沖的移相觸發(fā)角分別為45°、90°和135°時的導(dǎo)通情況， 由圖2可知，負(fù)載兩端的電壓是隨移相觸發(fā)角的變化而變化的。移相觸發(fā)在可控硅的每個正或負(fù)周期中都有保持通斷的部分，即輸出連續(xù)可調(diào)，故能適應(yīng)各種負(fù)載，但在控制過程中，會對電網(wǎng)產(chǎn)生電磁干擾。根據(jù)負(fù)載性質(zhì)、使用條件和周圍環(huán)境，本設(shè)計選擇移相觸發(fā)作為可控硅的觸發(fā)控制方式。2 可控硅移相觸發(fā)器電路的設(shè)計隨著集成電路制作技術(shù)的提高，集成觸發(fā)器克服了分立元件觸發(fā)器的缺點，因而得到廣泛的應(yīng)用。本文采用集成觸發(fā)電路TCA785來改造現(xiàn)有

5、設(shè)備，以提高設(shè)備性能。21 TCA785移相觸發(fā)器簡介TCA785移相觸發(fā)器屬單片移相觸發(fā)器，為雙列直插式16腳大規(guī)模集成電路，與其它芯片相比，TCA785具有輸出脈沖整齊度好、移相范圍寬、輸出脈沖寬且可人為調(diào)節(jié)等優(yōu)點，所以適用范圍更為廣泛。22 TCA785的工作原理TCA785的原理如圖3所示，其中腳11接移相控制電平V11，腳6接調(diào)制信號，腳5接同步信號，腳12通過電容接地，腳9和10分別接鋸齒波斜率電阻和電容，腳15和14為脈沖輸出端Q1和Q2。同步電壓VSYNC經(jīng)電阻R5到零點鑒相器ZD，當(dāng)ZD檢測出其過零點后，可送同步寄存器SR寄存，并由SR控制鋸齒波發(fā)生器RG，RG的電容C10由

6、電阻R9決定的恒流源SC充電，當(dāng)電容C10的鋸齒波電壓V10大于移相控制電壓V11時，便產(chǎn)生一個脈沖信號到輸出邏輯單元，并在引腳14(Q1)、引腳15(Q2)產(chǎn)生觸發(fā)脈沖。可以看出：觸發(fā)脈沖的移相受移相控制電壓V11大小的控制，觸發(fā)脈沖Q1、Q2可在0°180°范圍內(nèi)移相，且管腳14、 15輸出脈沖相位差180°。TCA785的主要引腳波形如圖4所示。其中5腳為外界同步信號端，用于檢測交流電壓過零點。10腳為片內(nèi)產(chǎn)生的同步鋸齒波其斜坡最大及最小值由9、10兩腳的外界電阻與電容決定。通過與ll腳的控制電壓相比較，可在15和14腳輸出同步的脈沖信號，因此，改變1l腳的

7、控制電壓，就可以實現(xiàn)移相控制。脈沖的寬度則由12腳的外接電容值決定，當(dāng)選擇雙窄脈沖的驅(qū)動方式時，12腳應(yīng)接150 pF電容。實際上，有幾十個微秒的脈沖寬度即可使晶閘管正常導(dǎo)通。 引腳8(VREF)：TCA785自身輸出的高穩(wěn)定基準(zhǔn)電壓端。負(fù)載能力為驅(qū)動10塊CMOS集成電路，隨著TCA785應(yīng)用的工作電源電壓VS及其輸出脈沖頻率的不同，VREF的變化范圍為2.83.4V，當(dāng)TCA785應(yīng)用的工作電源電壓為15V，輸出脈沖頻率為50Hz時，VREF的典型值為3.1V，如用戶電路中不需要應(yīng)用VREF，則該端可以開路。引腳7(QZ)和3(QV)：TCA785輸出的兩個邏輯脈沖信號端。其高電平脈沖幅值

8、最大為VS-2V，高電平最大負(fù)載能力為10mA。QZ為窄脈沖信號，它的頻率為輸出脈沖Q2與Q1或Q1與Q2的兩倍，是Q1與Q2或Q1與Q2的或信號，QV為寬脈沖信號，它的寬度為移相控制角+180°，它與Q1、Q2或Q1、Q2同步，頻率與Q1、Q2或Q1、Q2相同，該兩邏輯脈沖信號可用來提供給用戶的控制電路作為同步信號或其它用途的信號，不用時可開路。23 可控硅移相觸發(fā)電路的設(shè)計本控制系統(tǒng)的控制對象為CJW-4000型車輪輪對磁粉探傷機，它由電源控制系統(tǒng)、進(jìn)出輪系統(tǒng)、噴淋磁化系統(tǒng)、熒光燈系統(tǒng)、磁選液噴淋回收系統(tǒng)以及暗室等組成。設(shè)備控制電路采用可編程控制器PLC集中控制。車輪輪對熒光磁粉

9、探傷機的可控硅移相觸發(fā)電路如圖5所示。該電路應(yīng)用TCA785輸出的Q1和Q2 (即14、15腳的輸出)脈沖分別在交流電源的正負(fù)半周來直接觸發(fā)晶閘管，移相控制電壓U11來自外接的直流電源V1(此處用+15 V)，在其有效范圍內(nèi)(02 VV1-2 V)內(nèi)連續(xù)變化時，脈沖輸出Q1和Q2的相位即可在0°180°范圍內(nèi)移相。由于從同步變壓器過來的信號都是正弦信號，而且TCA785是利用檢測過零的原理來實現(xiàn)同步的，因此，如果正弦波的幅值過小，那么就不能提供清晰的過零點，同時電磁干擾也可能導(dǎo)致過零點檢測錯誤，但是，正弦波的幅值過大又會超過芯片的同步電壓輸入范圍，所以應(yīng)將同步信號整形成方波

10、。如圖 5中腳l f接地)和腳5之間就是利用反并限幅二極管(管壓降為l V左右)來將正弦波變?yōu)榉讲?。引腳5外接220 k的電阻后，可直接接220 V AC的同步電壓信號，以用于檢測交流電壓的過零點，同時對地端接兩個正、反向并聯(lián)的限幅二極管，以起保護作用。引腳12是輸出脈沖Q1和Q2的脈寬控制端。其應(yīng)用范圍為1504700 pF。引腳6是脈沖信號禁止端?？赏ㄟ^阻值10 k的電阻R2接+15 V電源。當(dāng)該端電壓小于25 V時，輸出脈沖被封鎖；而當(dāng)該端電壓大于4 V時，封鎖功能不起作用。因此，該腳可作為主電路的可控硅過流、過熱保護使用。lO腳為芯片產(chǎn)生的同步鋸齒波的斜率最大及最小值由9、10兩腳的外接電阻和電容決定，然后通過與1l腳的控制電壓相比較，便可在15和14腳輸出同步脈沖，以改變11腳的控制電壓，從而實現(xiàn)移相控制。ll腳可通過電容接+15 V電源。3 TCA785應(yīng)用中應(yīng)注意的問題TCA785移相觸發(fā)器采用的是負(fù)邏輯工作方式，即控制