晶閘管過零觸發電路

1、閘管過零觸發電路結構及原理分析 
1.1觸發電路和過零觸發電路的比較 
在交流調壓領域，尤其是應用于交、直流電機的電力拖動系統的交、直流調壓電路，多采用移相觸發電路，即使觸發脈沖相對同步脈沖來說，產生一個相對延遲角，延遲量越大，晶閘管的導通角越小，輸出電壓越低。電路的實質是調整或控制觸發脈沖出現的時刻，若使移相觸發脈沖在電網周波的“峰頂位置”出現，晶閘管在電網電壓過零點后的T2、T4時刻開通，電網電壓的正弦波被“削掉一半”，輸出電壓的有效值為電源電壓的一半。移相觸發的結果，使完整的正弦波被 “部分砍掉”，形成“缺口波”，此種波形中諧波分量最大，富含奇、偶次（多種頻率值的）諧波，易使電網中產生浪涌電壓（電流）分量，造成對電網的污染、易對周過電氣設備造成干擾。 
我們可稱為這種控制方式為“削波控制”，輸出電壓頻率仍為50Hz，電壓（電流）的連續性，還算不錯。

圖1移相觸發與過零觸發的波形比較 
即能實現調壓，又能保持輸出正弦波波形的完整，這是過零觸發電路的最初思路。實現方法： 
1）觸發脈沖總是在電網過零點附近送出，使晶閘管在電網過零后即行輸出，在整個電網周波內“完全開通”，電路輸出為完整的正弦波形； 
2）用門限控制信號來控制晶閘管的導通時間，即控制流過晶閘管周波數的多少，當使控制信號高、低電平時間比T1：T2=1：1時，晶閘管一半時間處于關斷，一半時間處于開通，電源中的完整周波有一半為晶閘管所輸出，輸出電壓的有效值也為電源電壓的一半。 
3）過零電路的觸發脈沖，是由同步脈沖，不經移相，即直接觸發晶閘管的，但取得的同步脈沖往往較“窄”，需要展寬處理，才能可靠觸發晶閘管。過零觸發電路，晶閘管輸出波形為完整的正弦波，晶閘管從過零點開始導通，然后在過零點自生關斷，晶閘管承受的電流、電壓沖擊較小，輸出電壓的諧波分量少，不污染電網和造成干擾，這是其優點。這種控制方式可稱之為“通、斷控制”，輸出為全壓→輸出電壓為0→輸出為全壓→輸出電壓為0→??，輸出電壓（電流）的連續性很差，電源的通斷頻率，取決于門限控制信號的變化，因而適用范圍更窄，僅適用于阻性負載，如電阻加熱恒溫控制等，不宜用于控制電力拖動系統。 
1.2過零觸發電路的結構形式 
在一些需要頻繁起停或工作場所特殊出于安全考慮，不允許產生接觸器開斷時的火花，常采用晶閘管功率器件，來代替接觸器，用作電機起停控制，這種電路被稱作無觸點開關，在控制上非常簡單。用繼電器KA控制晶閘管的開、斷，KA觸點閉合時，產生由晶閘管陽極經D、R限流和限向元件，流入晶閘管柵、陰極的觸發電流回路，晶閘管開通，KA觸點斷開，晶閘管截止。假設能精確地控制KA在電網電壓過零時接通，則晶閘管開通時沖擊電流最小，即成為過零觸發控制電路。實際電路中，因繼電器KA的滯后動作（電磁/機械轉換動作過程），對其閉合時間，很難進行精準的控制，若換用電子器件代替KA，控制電路能在適當時刻發送觸發脈沖，即能實現真正的過零觸發控制。

晶閘管過零觸發電路，主要由同步信號電路、門限控制信號電路、觸發電路等幾部分組成。同步信號電路用于采樣電網過零信號，形成電網過零脈沖信號，有些電路是直接將同步脈沖用于觸發脈沖，有些電路是經展寬處理，變為觸發脈沖；門限控制信號電路，是觸發脈沖的“可控通道”，控制流通脈沖數，也即時控制晶閘管的導通脈波數，達到過零調壓控制的目的。另外，晶閘管過零觸發電路，主要由同步信號電路、門限控制信號電路、觸發電路等幾部分組成。同步信號電路用于采樣電網過零信號，形成電網過零脈沖信號，有些電路是直接將同步脈沖用于觸發脈沖，有些電路是經展寬處理，變為觸發脈沖；門限控制信號電路，是觸發脈沖的“可控通道”，控制流通脈沖數，也即時控制晶閘管的導通脈波數，達到過零調壓控制的目的。另外，

圖4 模塊化過零觸發電路 
上圖中，PC1光耦合器，輸入端為發光二極管，輸出側為單向晶閘管，電阻R1、電容C1并聯于PC1輸出側單向晶閘的柵、陰極，起到消噪作用，提高電路工作的可靠性。整流二極管D1~D4、電阻R5、R6與PC1輸出側單向晶閘管，形成雙向晶閘管VT的觸發電流通路，R5、R6為觸發回路限流電阻。R7、C2為阻容尖峰電壓吸收元件，保護晶閘管VT的安全。RL為負載。 
電阻R2、R3、R4和晶體管VT1組成過零檢測電路。D1~D4將輸入交流電壓的兩個正、負半波整流為100Hz的脈動直流，以使PC1輸出側晶閘管在網正、負周波內均承受正向電壓，同時，晶體管VT1只有在電網過零點附近因基極偏壓不足，處于截止狀態，PC1輸入側若外控制信號為高電平（產生輸入電流），輸出側晶閘管受光觸發而開通，電網過零后，VT1滿足基極偏流條件，處于飽和導通狀態，將PC1輸出側晶閘管的柵、陰極短路，不再接受輸入端信號控制。換言之，在PC1輸入信號為高電平的狀態下，只有在電網電壓過零點附近，PC1輸出側晶閘管具備導通條件，后級電路VT晶閘管只能在電網過零點附近得到觸發電流而開通，形成過零觸發控制。 
光耦合器PC1輸出側晶閘管的開通，是三個條件共同作用的結果： 
1）陽極、陰極須承受正向電壓，因D1~D4的整流作用，使電網過零后的正、負半波期間，均承受正向電壓； 
2）VT1截止期間，也即是電網過零點附近，能接受控制信號被觸發導通； 
3）輸入信號為高電平期間，也即是輸入側發光二極管有輸入電流產生時，輸出側晶閘管才能形成光/電轉換來的觸發電流。 
這里存在一個問題，所謂過零觸發，是否在過零點，晶閘管VT即被觸發？這是不可能的，
晶閘管VT總是要稍微滯后于過零點才能被觸發導通，晶閘管VT的開通，同樣受到下面幾個條件的制約： 
1）晶閘管須承受一定的正向電阻值后，才能開通，閘管開通也存在一個“門坎電壓”； 2）在電網過零期間施加的觸發脈沖，如寬度不足或出現過早，晶閘管承受的正向電壓值尚不能滿足開通要求，開通電流達不到“擎住電流”值，則造成觸發失敗； 
3）控制電路方面的原因，如本電路中VT1在電網過零后，在尚未滿足發射結電壓0.4V以上時，還處于截止或微導通狀態，并不能將截止期完全對準電網過零點。 
因而所謂的過零觸發，不是絕對的對準一個過零點，理解為一個過零區，更為適宜，改變圖4中R3、R4的阻值，可以設定“過零區”的大小。也可以將過零脈沖理解為移相角度極小的觸發脈沖，但總會產生一個移相角度，是不可能絕對對準過零點的。 
上文提到過，圖4電路可構成完整的過零觸發交流開關或交流調壓電路，這取決于控制信號的類型。 

圖5 過零觸發電路的控制信號方式 
晶閘管VT總是要稍微滯后于過零點才能被觸發導通，晶閘管VT的開通，同樣受到下面幾個條件的制約： 
1）晶閘管須承受一定的正向電阻值后，才能開通，閘管開通也存在一個“門坎電壓”； 2）在電網過零期間施加的觸發脈沖，如寬度不足或出現過早，晶閘管承受的正向電壓值尚不能滿足開通要求，開通電流達不到“擎住電流”值，則造成觸發失敗； 
3）控制電路方面的原因，如本電路中VT1在電網過零后，在尚未滿足發射結電壓0.4V以上時，還處于截止或微導通狀態，并不能將截止期完全對準電網過零點。 
因而所謂的過零觸發，不是絕對的對準一個過零點，理解為一個過零區，更為適宜，改變圖4中R3、R4的阻值，可以設定“過零區”的大小。也可以將過零脈沖理解為移相角度極小的觸發脈沖，但總會產生一個移相角度，是不可能絕對對準過零點的。 
上文提到過，圖4電路可構成完整的過零觸發交流開關或交流調壓電路，這取決于控制信號的類型。 
 

當控制信號上圖中a電路類型時，操作開關SA，輸出電壓形式也為交流開關電路，電路等效為無觸點交流開關。SA閉合時，負載RL上得到全電壓，電路接通；SA斷開時，負載RL上電壓為零，電路斷開。 
當控制電路如上圖b電路時，輸入控制信號為變化的H、L電平信號，該控制信號可由振蕩電路生成，或儀表輸出信號，調寬H、L信號的時間比例，即控制輸出晶閘管的通、斷時間比，此時的電路便為調壓輸出電路。輸入的PWM信號，正是門限控制電壓信號，高電平時觸發電路“門開”，低電平時觸發電路“門關”。這種控制信號，又可稱作PWM可調寬信號（當然信號頻率要低于50Hz），如使高電平脈沖的占比空產生1~99%的變化，則輸出電壓也挖于1~99%供電電源電壓，負載所得到的功率也產生1~99%額定功率的變化，因而過零觸發調壓電路，又往往被稱為調功電路（用于電阻負載的功率調節）。 3、晶閘管過零觸發電路二 
整機電路由同步信號電路、門限控制信號電路和觸發脈沖電路組成，主電路采用晶閘管模塊，內含兩只單向晶閘管。若采用一只雙向晶閘管，脈沖變壓器可省掉一個二次繞組。
1）同步信號形成電路。電源變壓器TB1的二次12V繞組，兼有供電電源和電網同步信號采樣兩種“職能”，12V繞組的正弦波電壓信號，經D1~D4橋式整流電路整流后，變為100Hz的正向脈波信號，經電阻R1形成晶體管Q1的基極電流，從Q1集成極輸出對應電網過零點的（高電平）脈沖信號，加到與非門U2的1腳。接于Q1基極的R1、C1既起到消噪和限流作用，也形成一定的時間常數，使Q1集電極輸出的過零同步脈沖有一定展寬。

2）門限控制信號電路。由時基電路U1（NE555）及引腳外接元件組成固定振蕩頻率、輸出脈寬可調的多諧振振蕩器，從3腳輸出的可調脈寬信號加到與非門電路U2的2腳。 本電路門限控制信號電路的振蕩周期約為0.35s，固定振蕩頻率約為2.9Hz，RP1調至中間位置時，晶閘管SCR1、SCR2連續導通8個周波，然后截止8個周波的時間；最多導通脈沖數16個，截止脈沖波1個；反最少導通脈波數1個，截止脈波數16個，電路若為功率調節，則調功比1：16，輸出可調電壓范圍5V~210V左右。 
3）觸發脈沖形成電路。U2（HC4011）數字集成電路內含四級與非門電路，本電路只用了兩級。第一級與非門路，將輸入同步脈沖信號與PWM脈沖進行與非比較，在門限信號為高電平期間，同步脈沖與門限信號進行相與運算，U2的3腳輸出端變為低電平；第二級與非門電路的兩個輸入端，短接在一起，形成“非門”電路，對3腳輸出信號倒相輸出，輸入脈沖功率放大器Q2的基極，產生脈沖變壓器一次繞組的電流，經電磁感應，使TB2二次兩個繞組，得到脈沖信號，驅動晶閘管模塊內部的兩只晶閘管，控制其調壓輸出。電路在正、負半波的兩個過零點期間，輸出兩個觸發信號，加到晶閘管模塊內的兩只管子的柵陰極上，使其在（電網過零點后）承受正向電壓期間，依次開通。  
    將圖6電路與圖7電路各點波形相對照，可以“形象地看見”過零觸發電路的工作過程。