巧妙的过零关断电路构思--“正弦切波”交流调压设计
电路一点通 2024-10-17
【任务】某烘漆房因生产工艺要求,须根据环境温度调整烘漆温度,即需使加热管功率可调。加热管供电电压为220V 50Hz市电,试设计一个交流输出可调的电路给加热管供电(交流降压调节输出)。

【构思】交流调压的方式有很多:自耦变压器调压(价格较高、体积大、难维护),RC调压(功率低、安全性差),变频器调压(价格昂贵、对外干扰大、大材小用),基于电力电子元件的调压(成本低,体积小,现场制作快)。基于以上各类交流调压方式的优缺点,选择电力电子元件进行电路构思。

首先想到的是,交流回路串入双向可控硅可非常方便地控制交流电压,其工作原理类似于开闸泄水,闸的开度越大则水越大,反之越小。于是有下图的初步构造:


为使双向可控硅(也叫晶闸管,但总感觉是叫“精扎管”,因此不喜)有条件地导通,从而调节施加给负载的电压,接下来要精心设计双向可控硅(上图U1)的触发电路。我们知道,双向可控硅的工作原理是:当可控硅的主电极T1,T2之间有一定压差(依具体管子参数)时,如果给门极G一个脉冲,可控硅将导通,我们不妨利用RC充电电路来实现可控硅的导通条件(电容电压达到可控硅的触发门限,且T1T2间压差超过某一阈值)。双向可控硅的关断条件:T1,T2之间压差接近零(正弦波零点附近),且门极G无电流(无电压)。关断条件中的过零好办,正弦波的零点自动会到来,而要是G极电压在正弦波过零点的时候刚好为零,这有点难,要有过零检测电路才行。为尽量使电路简单,想到一个巧妙的办法:当双向可控硅导通后,T1与T2相当于短接,进而短接RC(电容上的电荷已在前面触发时放完),使门极G在可控硅导通期间一直没有电压,只要坐等正弦波零点的到来即可关断可控硅。因此,RC电路必须与T1T2并联——再次强调,这非常巧妙,应仔细体会这个设计思想。说了这么多,可用下图表示成果:


上面的电路并非尽善尽美,为了有效控制触发门限(防止误触发),应在门极G之前增加一个双向二极管(交流,当然用双向的管子)。如下图:


为方便调节电压,应增加一个电位器调节RC充电时间,从而控制到达触发门限电压的时间,这相当于改变了可控硅的导通时间。示意如下图:


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