双向可控硅触发电路在砌块成型机中的应用研究

杨德沛，曾盛绰，周文景，黄海秋

（广西大学 机械工程学院，广西 南宁530004）

一般来说，微机控制系统控制器输出功率较小，只能输出低电平、小电流信号，而被控对象通常是大功率设备，要求高电压、大电流控制[1]。本文研究的基于PIC单片机控制的混凝土砌块成型机系统是一个典型的微机控制系统，其主要机械动作由各种交流电机相互协调工作完成的，交流电机以交流接触器作为驱动器。为了实现PIC单片机和各交流接触器之间的功率转换，本系统选用双向可控硅作为开关器件，一方面，可通过PIC单片机控制双向可控硅的通断时间，控制各交流接触器的动作，达到了弱电对强电控制的目的[2]；另一方面，双向可控硅是一种无触点开关器件，在电路断开瞬间不会造成接点间的电火花或者电弧干扰，且对抑制瞬变噪声有明显的效果。双向可控硅的触发电路有多种，本文研究的是一种通用可靠的触发电路及其在PIC单片机控制的混凝土砌块成型机中的应用。

1 双向可控硅的特点及触发电路要求

双向可控硅是在普通可控硅的基础上发展起来的，其是一种双向三端器件，外部引出三个极，内部是一种N—P—N—P—N型五层结构，可看成由两个P—N—P—N型结构的普通可控硅反极性并联组成（见图1），其特性曲线如图2所示。其能够实现弱电到强电、小功率到大功率的转换，具有无火花、动作快、寿命长、可靠性高[3]以及简化电路等优点，被广泛应用于各种控制领域。

图1 双向可控硅结构

图2 特性曲线

由于双向可控硅具有双向导通的特性，在其主电极上无论施加正向电压或者反向电压，也不管触发信号是正极性还是负极性，其都能被触发导通，因此其有四种触发模式，如图3所示。双向可控硅的关断，则需把负载电流降到维持电流IH之下，且该电流需保持一段时间，直至载流子基本从PN结中撤出，在导通半周的终点实现关断，否则在两主电极之间的电压再度上升之前，双向可控硅不能切换至完全关断的状态，就有可能在没有门极电流作用的情况下，回复导通状态。因此，确保双向可控硅状态正确的切换，是我们在实际控制应用中应考虑的重点之一。

图3 双向可控硅四种导通模式

2 触发电路的设计

在实际工业控制中，常见的双向可控硅触发方式有两种[4~5]：一种是采用移相触发方式，如图4（a）所示，该触发方式改变了正常的波形，会对工厂电网产生冲击和干扰，并且在闭环控制时，难以保证正负半波面积相等，可能导致直流分量生成，当控制角较小时，功率因数较低；另外一种是采用过零触发方式，如图4（b）所示，利用通断比控制交流调压，在电源电压过零时就控制双向可控硅导通和截止，即控制角为零，通过控制门控信号高电平时间T2，控制可控硅导通时间，这样可以在负载上得到完整的正弦波，既不会造成电网的干扰，又能可靠地触发双向可控硅。因此，本文研究的混凝土砌块成型机控制系统的双向可控硅触发方式选择过零触发。

图4 双向可控硅移相触发和过零触发比较

单相电网中常用的过零触发方式有以下两种：

（1）直接从单相电网中取出过零脉冲

电路如图5所示。单相电压经全波整流桥BG整流后变成全波整流电压，考虑到电网可能出现强干扰信号，因此本电路采用两级限幅,由R2和D1将电压降至14 V左右，再经电阻R3和稳压管D2二次限幅，送至三极管TQ进行放大、倒相，从三极管的集电极取出过零脉冲。该脉冲信号与PIC单片机发出的门控信号经与门比较，当门控电压为高电平时，输出过零脉冲，以此驱动双向可控硅通断，达到控制交流接触器目的。R1为泄放电阻，电路用C1，C2，C3进行滤波。

图5 直接从单相电网中取出过零脉冲

（2）专用双向可控硅集成驱动电路

MOC3061系列过零触发隔离双向晶闸管驱动器(如图6)是一种专用于驱动双向可控硅的驱动器件，采用光电耦合方式，不但具有隔离功能，而且还可以作为开关器件用于输出通道，直接用于高压及大电流工作场合。其最大的特点是内部集成了过零检测电路，极大地减少了触发电路的外围器件，减少功率耗散，且能用TTL电平驱动，很容易与微处理器接口，进行各种自动控制设备的实时控制，非常适合用作本系统的双向可控硅触发电路。

图6 MOC3061过零触发隔离双向晶闸管驱动器

通过比较以上两种过零触发方式，第一种直接从电网取出过零脉冲，容易引入噪声干扰，而且使用元器件较多，可靠性不足；第二种使用光电隔离，电路简单，更容易与单片机进行联机控制，且相对可靠，因此本系统主要研究的是第二种过零触发方式。

3 在基于PIC单片机控制的混凝土砌块成型机中的应用研究

在砌块成型机系统中，交流接触器及其驱动的交流电机属于电感性负载，常伴有干扰电网和自干扰的现象。因为当双向可控硅控制交流接触器电路断开或闭合时，接触器线圈中的电流通路被突然切断，电压变化率极大，会产生一个很高的感应电压，该电压通过电源的内阻加在开关触点的两端，然后一次次放电，直到低于放电所必须的电压为止。这一过程将产生极大的具有很高幅度和很宽频率的脉冲束，叠加在供电电压上，并且把干扰传给供电线或以辐射形式传向周围空间，形成一个很强的噪声源。在这种电子噪声充斥的工作环境中，若干扰电压超过双向可控硅的导通电压VGT，并有足够的门极电流，就会发生假触发，导致双向可控硅切换，甚至造成严重后果。因此，在设计双向可控硅的触发电路时，一定要将这个噪声考虑在内。

另外，电感性负载的电压和电流波形间存在相位差(电压超前电流)，当负载电流为0时，电压为反向电压，加上感性负载的自感电动势e1，使得双向可控硅承受电压远超过电源电压，容易被击穿。当负载电流过零时双向可控硅发生切换，由于相位差电压并不为零，这时双向可控硅须立即阻断该电压。在这过程中产生的切换电压上升率dV/dt若超过允许的dVCOM/dt，会迫使双向可控硅回复导通状态，这就可能导致双向可控硅切换失败。因此，应在T1和T2之间接上RC吸收电路，一方面吸收交流线圈产生的感应电动势e1，另一方面限制切换产生的电压上升率，还可以防止电源中带来的尖峰电压、浪涌电流对双向可控硅的冲击和干扰，防止假触发的出现。一般要取R1选用能承受浪涌电流的碳膜电阻，阻值约为几欧到几十欧，C1取0.01μF~1.0μF。电阻功率可按以下公式计算：

MOC3061的发光器件是一个砷化镓二极管，在5~15 mA的正向电流下发出足够强度的红外光。输出部分是一个光敏双向晶闸管，其主电极间的电压接近零时，在红外光作用下能双向导通。因此，为了保证MOC3061的光敏双向晶闸管可靠触发，设计电路时应保证砷化镓二极管的正向电流大于或者等于其触发电流IFT=15 mA，在本系统中，可取IFT与最大IF之间的值。在输入回路上还可引入一个普通LED指示灯，与MOC3061内部砷化镓二极管一样，它们导通的压降都约为1.4 V，所以计输入限流电阻算如下：

由于MOC3061的输出端峰值重复浪涌电流IP最大值不能超1A，因此输出端须串一个电阻R以限制当电路空载时的电流。本系统连接的负载是电感性负载，考虑电感的影响，触发外部双向可控硅的时间会延长，流经MOC3061输出端的电流会增加，所以输出端限流电阻计算如下：

式中，VP为交流电路峰值电压，在引入R之后，MOC3061就有了一个最小触发电压，若输出端电压低于该电压，外部双向可控硅不能被触发导通，直到输出端电压高于该最小触发电压值才导通。还必须注意，MOC3061在输出关断的状态下也有小于或等于500μA的漏电流通过，为了消除这个漏电流输出对双向可控硅门极的影响而导致误触发，在门极与T1极之间加入一个RG=300欧的电阻，还可并上一个0.01 F的电容，这样就可以降低双向可控硅的门极灵敏度。

经反复研究实验，最终确定基于PIC单片机控制的双向可控硅可靠触发电路如图7所示。

图7 基于PIC单片机控制的双向可控硅可靠触发电路图

图中MOC3061输入电流设计为17mA，R2和C2的作用也是抑制交流接触器通断时产生的瞬变噪声。当PIC单片机控制端输出低电平，在输出端电压过零时，MOC3061内部的过零检测电路发出触发信号，光敏双向晶闸管导通，接着驱动的双向可控硅也导通。反之，单片机输出高电平时，双向可控硅关断。在实际生产中，将此电路成功应用到广西润工机械有限公司生产的QTM系列全自动混凝土砌块成型机系统中，控制流程如图8所示。该电路实现了用PIC单片机控制各路双向可控硅驱动的交流接触器协调工作，从而实现了对该系统的自动控制，电路触发可靠，生产检验效果良好，达到了预期的控制目的。

图8 砌块成型机控制系统基本流程

4 结束语

双向可控硅过零触发电路具有避免移相触发电路对电网造成污染和对周围电气设备造成干扰的缺点，因此广泛应用于各种微机控制系统中。本文介绍的基于PIC单片机控制的双向可控硅触发电路，利用MOC3061系列过零触发隔离双向晶闸管驱动器作为驱动元件，电路简单，触发可靠，容易与PIC单片机接口连接，进行混凝土砌块成型机的实时控制，成功实现了用低电压/小电流控制高电压/大电流的负载，使生产过程控制的精确度比以前有了很大提高，从而也提高了设备的性能指标和运行效率。

[1]王幸之，王 雷.单片机应用系统电磁干扰与抗干扰技术[M].北京:北京航空航天大学出版社，2006.

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[3]黄利生.可控硅过零触发电路在炉温控制中的应用[J].金属制品，2001，27(6):28-32.

[4]樊月珍，毛恩荣.双向可控硅过零调功调速的技术实现方法[J].中国农业大学学报，2004，9(6):56-59.

[5]王岫光，王晓军.在单片机控制系统中实现晶闸管的过零控制[J].微机与应用，2001(6):25-27.