一種基于TCF792的晶閘管整流電路的設(shè)計(jì)

1 引言

　　TCF792A、CF792B是單相、三相通用數(shù)字相位控制觸發(fā)電路。該系列器件具有單相同步輸入信號(hào)和數(shù)字分頻移相120°，可適應(yīng)單相、三相觸發(fā)電路。TCF792A主要適用于10～500 Hz寬范圍的頻率調(diào)節(jié)(需外接20 MHz晶體振蕩器，超出500 Hz需特殊訂貨)；而TCF792B主要適用于50 Hz工頻范圍的頻率調(diào)節(jié)(無(wú)需外接晶體振蕩器)。兩者均可選擇矩形波或調(diào)制波輸出，且脈寬可調(diào)。在電路功能上，該系列觸發(fā)電路全面兼容于TC787，TC788，TC790A，TC790B，TCA785和KJ004，KJ04l，KJ04等單相、三相移相觸發(fā)電路，且價(jià)格低廉。由于采用電壓控制脈寬，無(wú)需移相電容，因此可方便構(gòu)成幅度可變、脈寬調(diào)制(PWM)的逆變電源觸發(fā)電路。此外，由于它增加了同步信號(hào)滯后補(bǔ)償功能，其補(bǔ)償范圍為0°~60°，因此可通過(guò)深度濾波去除強(qiáng)干擾信號(hào)，還可通過(guò)調(diào)整補(bǔ)償角度，精確判別同步信號(hào)的零點(diǎn)。該功能的增加不僅能使其用作精確的過(guò)零開(kāi)關(guān)，還能簡(jiǎn)化整流變壓器的接線組別，用于任意相的整流電路等。另外，通過(guò)選擇傳統(tǒng)的鋸齒波線性輸出或余弦函數(shù)輸出兩種方式可控制該系列器件的觸發(fā)角度。當(dāng)采用余弦函數(shù)輸出時(shí)，其整流輸出電壓與控制電壓呈線形關(guān)系。該系列器件既可用于單相、三相半控和全控橋晶閘管整流觸發(fā)和單、三相交流調(diào)壓反并聯(lián)和雙向晶閘管觸發(fā)，也可用于晶體管類變頻變壓逆變等控制電路。由于其采用的角度為控制單位，因此可有效防止由頻率變化而引起的失控和顛覆現(xiàn)象。

　　2 TCF792原理

　　圖1給出TCF792的原理結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。該器件的供電電壓為5 V，其輸入輸出端口兼容于TTL電平，因此能簡(jiǎn)單方便地與其他數(shù)字電路連接。TCF792的同步信號(hào)采用方波，由引腳7輸入，其下降沿應(yīng)為A相相電壓由負(fù)變正的過(guò)零同步點(diǎn)。

　　該周期信號(hào)經(jīng)180倍頻后，形成2°周期寬度的脈沖信號(hào)，然后進(jìn)入數(shù)字運(yùn)算控制單元形成2°，4°，60°，120°，180°等控制信號(hào)。由此產(chǎn)生調(diào)制波脈沖、相位分配等信號(hào)。移相角控制電壓、脈寬控制電壓、滯后相位補(bǔ)償電壓分別由多路開(kāi)關(guān)切換后進(jìn)人10位A/D轉(zhuǎn)換電路．其分辨率達(dá)0．05％，可以滿足工業(yè)控制需要。轉(zhuǎn)換后的數(shù)值送入運(yùn)算控制單元，其運(yùn)算節(jié)拍由振蕩器產(chǎn)生。振蕩器分內(nèi)部振蕩器和外部振蕩電路。TCF792A選用外部晶體振蕩電路；TCF792B采用內(nèi)部振蕩電路，并由生產(chǎn)商在制造時(shí)固定。全控雙脈沖或半控單脈沖、矩形波或調(diào)制波、鋸齒波形或余弦函數(shù)波形(指移相角度與控制電壓關(guān)系曲線)、正相序輸出或反相序輸出分別由引腳15，17，18，19控制。若引腳16接地，將閉鎖所有輸出，一般用于過(guò)載或短路保護(hù)。器件內(nèi)既含自動(dòng)上電復(fù)位電路，也設(shè)置有硬件看門狗電路。當(dāng)電路干擾打亂數(shù)字電路運(yùn)行節(jié)拍時(shí)，起糾正作用，使輸出電路迅速恢復(fù)正常工作。

　　TCF792采用標(biāo)淮的DIP20和SOP20封裝。其功能及使用方法如下：引腳1為RST，用于復(fù)位，且通過(guò)1 kΩ電阻接地。引腳2為+A，引腳3為一A，分別用于脈沖輸出(低電平有效，灌電流最大20 mA，內(nèi)含弱上拉電阻)。引腳4為XTL2，其中TCF792B不接晶體振蕩器；TCF792A接20 MHz晶體振蕩器。引腳5為XTLl，用作晶體振蕩器的輸入端。引腳6為+B，脈沖輸出(低電平有效，灌電流最大20 mA，內(nèi)含上拉電阻)。引腳7為Tb，用于同步信號(hào)輸入端(方波輸入，下降沿有效，以Va正半波起始點(diǎn)為下降沿的基準(zhǔn))。引腳8為一B，引腳9為+C，引腳11為一C，分別用于脈沖輸出(低電平有效，灌電流最大20 mA，內(nèi)含弱上拉電阻)。引腳10為GND。引腳12為Vk，用作控制電壓電位輸入端，其輸入范圍在0～Vcc，線性對(duì)應(yīng)的控制移相角為2°～178°。引腳13為Mk，脈寬電壓電位輸入端，當(dāng)選擇矩形波脈沖時(shí)，輸入范圍為0~Vcc，線性對(duì)應(yīng)的脈寬相角為2°～178°；當(dāng)選擇調(diào)制脈沖時(shí)，輸入范圍為0~Vcc，線性對(duì)應(yīng)的脈寬相角為0°~60°。引腳14為Xb，用作相位補(bǔ)償電位輸入端，輸入范圍為0～Vcc，線性對(duì)應(yīng)的前移控制脈沖角度為0°~60°，該端口接地時(shí)無(wú)補(bǔ)償。引腳15為Bk，該端口懸空或接10 kΩ上拉電阻時(shí)為三相全控雙脈沖輸出，即觸發(fā)該相時(shí)，可同時(shí)向上一次觸發(fā)端口補(bǔ)發(fā)一個(gè)脈沖；該端口接地時(shí)為三相半控單脈沖輸出。引腳16為Jz，該端口懸空或10 kΩ接上拉電阻時(shí)為正常輸出；該端口接地時(shí)為禁止輸出，所有輸出脈沖端口均為高電平，響應(yīng)時(shí)間小于60°。引腳17為Tz，該端口懸空或接10 kΩ上拉電阻時(shí)為矩形波輸出；該端口接地時(shí)為調(diào)制脈沖輸出，調(diào)制波周期為4°，占空比為500%。引腳18為Cos，該端口懸空或接10 kΩ上拉電阻時(shí)，輸出和輸入為鋸齒波關(guān)系；該端口接地時(shí)選擇余弦函數(shù)，輸出移相角α與控制電壓Vk的關(guān)系為α=argcos[(Vcc一2Vk)/Vcc]，整流輸出電壓與控制電壓呈線性關(guān)系。引腳19為Fx，該端口懸空或接10 kΩ上拉電阻時(shí)為正序輸出，即+A，一C，+B，一A，+C，一B；該端口接地時(shí)，為反序輸出，即+A，一B，+C，一A，+B，一C。引腳20為Vcc，Vcc為5．5～3．8 V；功耗為4～7 mA；極限電壓為5．5 V。值得說(shuō)明的是：①任何端口電壓的極限范圍為一0.3V~Vcc，兼容TTL電平；工業(yè)級(jí)溫度范圍為-40℃～+85℃；高抗靜電(ESD)保護(hù)；抗4 kV快速脈沖干擾測(cè)試；抗干擾能力極強(qiáng)；三相不對(duì)稱度小于0．5°。②數(shù)字電路應(yīng)注意抗干擾設(shè)計(jì)，盡可能采用光耦隔離設(shè)計(jì)。

　　3 三相全波半控整流電路

　　圖2給出工頻三相晶閘管全波半控整流電路原理接線圖。其中，電網(wǎng)電壓Uac經(jīng)R1，R2，R3與VD1，VD2削波后，進(jìn)入R4輸入電壓比較器的負(fù)輸入端，當(dāng)Uac為正半波時(shí)，比較器輸出零電平；當(dāng)Uac為負(fù)半波時(shí)，比較器輸出高電平，從而將正弦波輸出變換為方波輸出，Uac的輸入范圍為5～400 V。光電耦合器U2用作電路隔離，起抗干擾作用。電容器C1起濾除Uac信號(hào)中過(guò)零點(diǎn)附近的毛刺，其數(shù)值可依實(shí)際波形中毛刺的大小而定。由于濾波產(chǎn)生的相位滯后，可調(diào)整RW2的輸出至引腳14進(jìn)行電位補(bǔ)償。TCF7928的引腳2為+A輸出信號(hào)，低電平有效。光電耦合器U3用作電路隔離，其意義同U2。U2的右邊為脈沖放大電路，其參數(shù)可依晶閘管型號(hào)進(jìn)行調(diào)整。脈寬可由RW1調(diào)整，其調(diào)整范圍為0°～180°，實(shí)際約調(diào)至200Us即可。觸發(fā)角控制電壓輸入端Vk(引腳12)上的電位通過(guò)R20上的壓降取得，其值取決于光電耦合器U4的輸出電流。光電耦合器采用線形PC817一A，其輸出電流與輸入電流成正比。晶體管VT2與R21構(gòu)成恒流源電路，其大小受基極電位控制。圖2中的Uac經(jīng)整流、阻容分壓濾波，加在RW3兩端，用以調(diào)節(jié)RW3，可改變輸入至VT2的基極電位，進(jìn)而改變移相觸發(fā)角，調(diào)節(jié)晶閘管整流輸出電壓。利用5 V和18 V電源對(duì)電路隔離，有利于對(duì)器件的抗干擾能力。其引腳15接地，選擇半控單脈沖；引腳18接地，選擇余弦函數(shù)輸出。輸出移相角α與控制電壓Vk的關(guān)系式為：

　　由式(3)可見(jiàn)，Ud與Vk成線性函數(shù)關(guān)系。值得注意的是：舉例中，RW3兩端的電壓并未采用穩(wěn)壓電源，而是取Uac經(jīng)整流降壓后的電壓。由上述公式可知，當(dāng)Uac下降時(shí)，Ud下降，此時(shí)Vk也成比例下降，而Vk下降將使控制角減小，從而補(bǔ)償了因Uac下降引起的整流電壓下降。假設(shè)正常運(yùn)行時(shí)觸發(fā)角為90°，當(dāng)電網(wǎng)電壓下降10％，則經(jīng)計(jì)算，其Ud僅下降l％?？梢?jiàn)它具有一定的恒壓整流作用，且電路原理簡(jiǎn)單。

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　通過(guò)上例可見(jiàn)，TCF792數(shù)字相位控制電路具有高精、易用、可靠、無(wú)需調(diào)試的優(yōu)點(diǎn)，外圍元件少且性能優(yōu)良。同時(shí)由于采用單相同步信號(hào)，使其應(yīng)用與單相觸發(fā)電路一樣方便，便于觸發(fā)板設(shè)計(jì)。因此它將成為新一代的數(shù)字移相電路。