巧用TCA785構(gòu)成適應(yīng)寬頻率范圍的晶閘管觸發(fā)器

摘要：介紹了一種應(yīng)用TCA785及頻率／電壓變換器構(gòu)成的三相同步電壓頻率自適應(yīng)觸發(fā)器，該觸發(fā)器可自動(dòng)跟蹤同步輸入電壓頻率的大范圍變化。不但詳細(xì)介紹了該觸發(fā)器的工作原理和工作波形，而且給出了其實(shí)用效果。
關(guān)鍵詞：TCA785；頻率自適應(yīng)；觸發(fā)器

0 引言
    觸發(fā)器是晶閘管類電力電子設(shè)備中必不可少的單元。自從1957年晶閘管問(wèn)世至今，經(jīng)過(guò)近50年的研究和探索，伴隨著晶閘管容量的不斷增大，派生器件的日益增多，有關(guān)晶閘管觸發(fā)器的研究也在不斷發(fā)展，盡管如今可供電力電子行業(yè)工程技術(shù)人員使用的晶閘管觸發(fā)器種類繁多，但從大的方面可把它們歸納為模擬式、數(shù)字式、數(shù)?；旌鲜?大類。對(duì)模擬式晶閘管觸發(fā)器來(lái)說(shuō)，常用的又可分為正弦波同步和鋸齒波同步的兩大家族。采用正弦波同步的觸發(fā)器，由于對(duì)同步信號(hào)幅值和正弦波的波形要求較嚴(yán)，如今已較少應(yīng)用，而鋸齒波同步的模擬式觸發(fā)器在當(dāng)今晶閘管電力電子設(shè)備中獲得了甚為廣泛的應(yīng)用。然而這種觸發(fā)器由于是通過(guò)恒流源對(duì)電容充電來(lái)得到鋸齒波的，往往電容和恒流源輸出電流在觸發(fā)器制作過(guò)程中便設(shè)定為定值，當(dāng)同步電壓頻率降低時(shí)，則鋸齒波寬度增加，充電時(shí)間變長(zhǎng)，造成鋸齒波幅值增高，相反當(dāng)同步電壓頻率升高時(shí)，鋸齒波寬度變窄，充電時(shí)間變短，造成鋸齒波幅值降低，因此，當(dāng)移相控制電壓一定時(shí)，由于同步電壓頻率變化，導(dǎo)致輸出觸發(fā)脈沖的控制角不相同，便很難達(dá)到穩(wěn)定輸出的要求，自然很難適應(yīng)同步電壓頻率的變化，本文介紹的新型晶閘管觸發(fā)器可以彌補(bǔ)這些不足。

l 實(shí)現(xiàn)適應(yīng)寬頻率范圍觸發(fā)器的關(guān)鍵
    常規(guī)模擬式鋸齒波同步觸發(fā)器不能適應(yīng)同步電壓頻率寬范圍變化的根本原因在于，這種觸發(fā)器是以恒流源給定值電容充電來(lái)形成鋸齒波的，因而當(dāng)同步電壓頻率大范圍變化時(shí)，給該電容充電的時(shí)間便有較大的變化，導(dǎo)致了鋸齒波幅值隨頻率變化而大幅度變化，這種觸發(fā)器要適應(yīng)同步電壓的寬范圍變化，必須保證鋸齒波的寬度跟隨同步電壓的頻率變化。要求鋸齒波的幅值保持恒定，可以通過(guò)兩種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)：一是維持恒流源輸出電流不變，而使電容的電容量跟隨同步電壓頻率變化，當(dāng)同步電壓頻率增加時(shí)，使電容的電容量減小，而當(dāng)同步電壓頻率降低時(shí)，使電容的電容量增加，從而實(shí)現(xiàn)電壓的幅值不變；另一種辦法是保持電容的電容量不變，而使給電容充電的恒流源輸出電流隨同步電壓的頻率變化，當(dāng)同步電壓頻率增加時(shí)，使該恒流源輸出電流增加，而當(dāng)同步電壓頻率降低時(shí)，使該恒流源輸出電流減小。實(shí)際上要實(shí)現(xiàn)電容量隨同步電壓頻率連續(xù)變化的可變電容是極為困難的，而構(gòu)成輸出電流隨同步電壓頻率連續(xù)變化的恒流源卻較容易，本文介紹的寬頻率范圍晶閘管觸發(fā)器正是按后者來(lái)T作的。

2 適應(yīng)寬頻率范圍的單相晶閘管觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)電路
    圖1給出了可適應(yīng)寬頻率范圍的單相晶閘管觸發(fā)器的電路原理圖，從圖l可知，該觸發(fā)器共使用了一片LM324四運(yùn)算放大器、一個(gè)LM331頻率／電壓變換器和一個(gè)單相晶閘管觸發(fā)器集成電路TCA785，圖2給出了該觸發(fā)器各主要部分的工作波形，其工作原理可分析如下。

2.1 比較器
    圖1中運(yùn)算放大器(LM324的A單元)用作比較器，其作用是把正弦波同步電壓與零電平比較變?yōu)橥芷诘姆讲ㄐ盘?hào)，經(jīng)此處理使觸發(fā)器的工作與同步電壓的幅值和正弦波的波形失真與否沒(méi)有多大關(guān)系。

2.2 頻率／電壓變換器
    LM33l為標(biāo)準(zhǔn)的頻率／電壓及電壓／頻率變換器集成電路，圖l中的用法為頻率／電壓變換器，它與運(yùn)算放大器LM324的B單元一起構(gòu)成精度較高、線性度很好的頻率／電壓變換器電路。該電路通過(guò)電容C1把比較器A輸出的方波微分成疊加有微分尖脈沖的電壓信號(hào)(為了保證頻率／電壓變換器的分辨率，電容C1不宜過(guò)大，且應(yīng)隨頻率增高電容量有所減小)，LM331在內(nèi)部把此頻率信號(hào)轉(zhuǎn)化為與同步電壓頻率成比例的電壓信號(hào)，并從腳l輸出，頻率／電壓變換器輸出電壓的高低除與同步電壓的頻率fT成正比外，還與圖1中的電阻R4與電容C2成正比，該頻率／電壓變換器的轉(zhuǎn)換精度與電容C2的取值有關(guān)，當(dāng)頻率較高時(shí)，則電容C2的取值應(yīng)相應(yīng)減小，否則高頻段將失真，不利于提高轉(zhuǎn)換的線性度。

2.3 恒流源
    圖1中運(yùn)算放大器LM324的D單元構(gòu)成恒流源，使用中為保證恒流源的線性度，應(yīng)充分保證電阻R16與R17阻值不小于R14與R15的10倍，且R14與R15、R16與R17兩兩之間阻值誤差要盡可能地小，只有這樣才能保證鋸齒波的線性度，調(diào)試時(shí)有時(shí)測(cè)得的鋸齒波為下凹的，這是由于R14與R15或R16與R17兩個(gè)電阻之間阻值有較大的差值造成的。

2.4 觸發(fā)脈沖形成
    圖1中專用集成電路TCA785擔(dān)當(dāng)觸發(fā)脈沖的形成環(huán)節(jié)，它的腳13接高電平則輸出為窄脈沖，脈沖的寬度由腳12所接的電容Cp決定，腳11為移相電壓輸入端，腳5為同步電壓輸入端，腳15與腳14分別為對(duì)應(yīng)同步電壓負(fù)正半周的觸發(fā)脈沖輸出端，在TCA785的內(nèi)部集成了給腳10外接的電容充電的恒流源，該恒流源輸出電流的大小由其引腳9對(duì)接地端(引腳1)所接電阻的大小唯一決定，圖l中引腳9懸空，相當(dāng)于內(nèi)部恒流源的輸出電流為零，因而通過(guò)外部恒流源給電容CT充電形成鋸齒波，這是該觸發(fā)器最巧妙的地方，該鋸齒波與腳11輸入的移相控制電壓進(jìn)行比較，從而形成移相觸發(fā)脈沖。圖1中C4與C為抗干擾電容，而整流管D1與D2是因?yàn)門CA785單電源工作用來(lái)削波的，也就是說(shuō)TCA785單電源工作時(shí)要求的同步電壓峰值為±O．7V。

2.5 鋸齒波幅值調(diào)節(jié)用放大器
    圖1中LM324的C單元構(gòu)成反相輸入放大器，用以來(lái)對(duì)頻率／電壓變換器的輸出電壓進(jìn)行放大，電位器Rp用來(lái)調(diào)節(jié)恒流源輸入電壓的大小，也就調(diào)整了給電容C7充電電流的大小，進(jìn)而調(diào)整了鋸齒波的幅值。

    可適應(yīng)同步電壓寬頻率范圍的單相晶閘管觸發(fā)器的主要工作波形，如圖2所示。

3 適應(yīng)寬頻率范圍的三相晶閘管觸發(fā)器
    圖3給出了應(yīng)用圖1所示的單相晶閘管觸發(fā)器構(gòu)成的三相晶閘管觸發(fā)器的原理圖，圖3中為提高頻率／電壓轉(zhuǎn)換器的分辨率，由C1、C2、C3構(gòu)成或門，使頻率／電壓變換器的輸入頻率相對(duì)圖l提高3倍，圖3中每個(gè)虛線框內(nèi)的電路與圖l中虛線框內(nèi)的電路相同，6路雙脈沖形成器集成電路KJ04l在此處用來(lái)把三相6路單脈沖變換成為6路相位彼此瓦差60°的雙窄脈沖，圖4給出了圖3所示的三相晶閘管觸發(fā)器的工作波形圖。

4 實(shí)用效果
    圖3所示的晶閘管觸發(fā)器已由陜西高科電力電子有限責(zé)任公司批量生產(chǎn)，并已成功地應(yīng)用于該公司為某研究單位核聚變模擬試驗(yàn)裝置(HL一2A磁場(chǎng)電源裝置)配套牛產(chǎn)的8臺(tái)晶閘管可控整流電源(容量為lOOOV／12kA與600V／12 kA各4臺(tái))中。該晶閘管電源由采用飛輪儲(chǔ)能的發(fā)電機(jī)供電，在供電的過(guò)程中，由于飛輪儲(chǔ)存能量的下降，因而使發(fā)電機(jī)輸出交流電壓的頻率在80～120Hz范圍內(nèi)變化，但用戶負(fù)載又要求在給定控制信號(hào)一定時(shí)，輸出直流電壓不隨交流輸入電壓頻率而變化，因而對(duì)觸發(fā)器的頻率跟蹤性能提出了很高的要求。

    圖5~圖7分別給出了在同一移相控制電壓Vk下，同步電壓頻率分別為50Hz、80Hz、100Hz時(shí)，同步電壓(上)與同步鋸齒波(中)及輸出觸發(fā)脈沖(下)的對(duì)應(yīng)關(guān)系示圖，從圖5~圖7可明顯看出同步電壓頻率從50Hz到100Hz大范圍變化時(shí)，同步鋸齒波的幅值(9．7 V)與觸發(fā)控制角始終保持在相對(duì)同步鋸齒波中間位置90°不變，經(jīng)實(shí)測(cè)，當(dāng)同步輸入電壓的頻率在30～160Hz范圍內(nèi)變化時(shí)，該觸發(fā)器的鋸齒波幅值及同一移相給定電壓下的觸發(fā)脈沖相位都保持不變，完全勝任了同步電壓頻率的寬范圍變化，更應(yīng)提到的是，由于工作現(xiàn)場(chǎng)二十幾臺(tái)大直流電源同時(shí)運(yùn)行，磁場(chǎng)干擾及電場(chǎng)干擾都極為嚴(yán)重，該觸發(fā)器的抗干擾性能亦得到了檢驗(yàn)。

5 結(jié)語(yǔ)
    1)與鋸齒波同步的晶閘管觸發(fā)器適應(yīng)同步電壓頻率大范圍變化的關(guān)鍵，是保證同步鋸齒波的頻率跟蹤同步電壓頻率，但其幅值應(yīng)保持恒定不變。
    2)實(shí)現(xiàn)變頻率恒幅值鋸齒波的核心是構(gòu)成線性度優(yōu)良的頻率／電壓變換器，以該頻率／電壓變換器的輸出形成高精度恒流源，給電容線性充電。
    3)TCA785是一個(gè)專用觸發(fā)脈沖形成器集成電路，它可應(yīng)用內(nèi)部恒流源給外接電容充電，也可把內(nèi)部恒流源的電流設(shè)定為零，應(yīng)用外部恒流源給外接電容充電形成鋸齒波，這給應(yīng)用TCA785構(gòu)成適應(yīng)寬頻率范圍變化的晶閘管觸發(fā)器奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
    4)理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證都證明了文中介紹的觸發(fā)器之可行性與實(shí)用性及魯棒性，勿須贅述，其應(yīng)用前景將是十分廣闊的。