双向可控硅调功电路的实现与应用

广东理工学院电气工程系 王天凤

双向可控硅调功电路的实现与应用

广东理工学院电气工程系 王天凤

针对单向可控元件触发导通型交流调功电路可调度小、精度低、无法执行自动控制算法等缺陷，本文设计了一种基于单片机控制双向晶闸管的交流调功电路，测试表明该电路可以大范围、精确、动态地调节交流电的导通角，可作为一个极低成本的交流功率智能控制实验平台用于《电力电子技术》、《单片机控制》、《自动控制》等课程的教学。

电容降压；过零检测；双向可控硅

1.引言

晶闸管可控整流技术是《电工基础》、《电力电子技术》等电类专业课的重要内容，学生必须接受必要的实验实训教学才能掌握该技术的基本原理和技能。然而在教学实践中使用的成套电工教学设备价格很高，且不太适合教学需要,为此，本文设计了“基于单片机的交流调功电路”作为教学实验仪器，其原理为利用89C2051单片机内部比较器得到交流电压的过零时刻，以此定时控制晶闸管的导通角导通时间，通过调节导通角触发时间和频率达到调节负载所消耗的平均功率。本设计包括220V交流电的电容降压整流稳压电路、单片机控制双向晶闸管调功电路、按键输入和数码管显示4个部分。

2.调功原理简介

把两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，通过单片机编程改变晶闸管的交流输出，而频率保持不变，此种方法称为交流电力调控。晶闸管的触发延迟角实际是对输出电压波形进行周期性的采样，而触发导通周期与关断周期的比例决定了负载消耗的平均功率。

3.基于单片机的交流调功电路的电路原理

3.1 220V交流电源的电容降压整流稳压电路

图1 降压电路

图1的电路分析如下：容抗Xc为Xc=1/(2πfC），因此流过电容C1的充电电流Ic为Ic=U/Xc；降压电容C1的容量C与负载电流Io的关系可近似为C=14.5Io，C为uF级，Io为A级。

降压电容C1的充放电电流IC等于负载的电流Io。在电压频率恒定的情况下，电容的容量与容抗成反比关系，则C1的容量决定充、放电电流的大小。当满足了负载电流IO时，剩下的电流流经稳压管D1，因此在稳压管最大允许电流的选择上应采用大于(IC-IO)的，以保证正常可靠工作。C1的耐压值应大于2-3倍的电源电压，并且必须采用无极性的电容。R1的作用是给降压电容提供电流回路以泄放掉多余的电荷，被称为泄放电阻，阻值选择1MΩ。值得注意的是，电容降压属于非隔离降压，只适用于低压和负载稳定的场合，在使用过程中也必须注意安全。220V经过电容降压和整流之后得到15V的直流电，经过LM7805稳压集成电路得到+5V的输出以供单片机使用。

3.2 交流电过零检测

单片机内部自带的比较器可检测得出正弦交流电压的过零时刻。如图2所示，89C2051单片机内附有比较器，输入端分别为P1.0和P1.1，令单片机P1.1引脚为0V，即参考电压，P1.0引脚接需检测的电压，输入电压的变化由零转为正时，比较器输出高电平；输入电压变化由正转为零时，比较器输出低电平，比较器输出的结果存入P3.6对应的寄存器，即在单片机内部，P3.6在89C2051外部无引脚。

图2 过零检测电路

3.3 单片机控制晶闸管触发

触发电路如图3所示，经过89C2051单片机内部比较器检测出零点后，把结果存入内部寄存器并作为电平信号用于启动单片机内部的定时器计时始点，通过程序调节控制定时器的定时时间，作为驱动双向可控硅导通角的触发时间，触发频率可任意选取，此电路在测试时调节到交流电源频率的2-5倍，分几个等级测试。晶闸管的触发延迟角实际是对输出电压波形进行周期性的采样，而触发导通周期与关断周期的比例决定了负载消耗的平均功率。

图3 双向晶闸管的脉冲触发电路

4.结论

89C2051单片机控制软件设置了10个功率等级，上课时可以接一个220V、25W的白炽灯泡演示调功的效果。测试表明，该电路可以大范围、精确、动态地调节交流电的导通角，可用作《电工基础》、《电力电子技术》、《单片机控制》等课程的演示教具或学生综合实训案例。

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王天凤（1988—），女，大学本科，助教，教学领域：应用电子技术。