雙向可控硅調功電路的實現與應用

廣東理工學院電氣工程系 王天鳳

雙向可控硅調功電路的實現與應用

廣東理工學院電氣工程系 王天鳳

針對單向可控元件觸發導通型交流調功電路可調度小、精度低、無法執行自動控制算法等缺陷，本文設計了一種基于單片機控制雙向晶閘管的交流調功電路，測試表明該電路可以大范圍、精確、動態地調節交流電的導通角，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》、《單片機控制》、《自動控制》等課程的教學。

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是《電工基礎》、《電力電子技術》等電類專業課的重要內容，學生必須接受必要的實驗實訓教學才能掌握該技術的基本原理和技能。然而在教學實踐中使用的成套電工教學設備價格很高，且不太適合教學需要,為此，本文設計了“基于單片機的交流調功電路”作為教學實驗儀器，其原理為利用89C2051單片機內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通角導通時間，通過調節導通角觸發時間和頻率達到調節負載所消耗的平均功率。本設計包括220V交流電的電容降壓整流穩壓電路、單片機控制雙向晶閘管調功電路、按鍵輸入和數碼管顯示4個部分。

2.調功原理簡介

把兩個晶閘管反并聯后串聯在交流電路中，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控。晶閘管的觸發延遲角實際是對輸出電壓波形進行周期性的采樣，而觸發導通周期與關斷周期的比例決定了負載消耗的平均功率。

3.基于單片機的交流調功電路的電路原理

3.1 220V交流電源的電容降壓整流穩壓電路

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與負載電流Io的關系可近似為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系，則C1的容量決定充、放電電流的大小。當滿足了負載電流IO時，剩下的電流流經穩壓管D1，因此在穩壓管最大允許電流的選擇上應采用大于(IC-IO)的，以保證正常可靠工作。C1的耐壓值應大于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，只適用于低壓和負載穩定的場合，在使用過程中也必須注意安全。220V經過電容降壓和整流之后得到15V的直流電，經過LM7805穩壓集成電路得到+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為正時，比較器輸出高電平；輸入電壓變化由正轉為零時，比較器輸出低電平，比較器輸出的結果存入P3.6對應的寄存器，即在單片機內部，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

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

圖3 雙向晶閘管的脈沖觸發電路

4.結論

89C2051單片機控制軟件設置了10個功率等級，上課時可以接一個220V、25W的白熾燈泡演示調功的效果。測試表明，該電路可以大范圍、精確、動態地調節交流電的導通角，可用作《電工基礎》、《電力電子技術》、《單片機控制》等課程的演示教具或學生綜合實訓案例。

[1]趙乃卓,伍江超.雙向可控硅實現過零調功調光方法分析[J].電子技術,2013(01).

[2]黃賢超,宓方瑋.用51單片機測旋轉編碼器線數[A].四川省電子學會傳感器技術第九屆學術年會論文集[C].2005.

[3]喬樹通,伍小杰.交流調功電路的諧波分析與抑制[J].電氣應用,2006,25.

[4]王志剛,蔡龍喜,張麗華.新型實用過零觸發調功器[J].電子技術應用,1996(08).

王天鳳（1988—），女，大學本科，助教，教學領域：應用電子技術。