一种基于TCF792的晶闸管整流电路的设计

      1 引言

　　TCF792A、CF792B是单相、三相通用数字相位控制触发电路。该系列器件具有单相同步输入信号和数字分频移相120°，可适应单相、三相触发电路。TCF792A主要适用于10～500 Hz宽范围的频率调节(需外接20 MHz晶体振荡器，超出500 Hz需特殊订货)；而TCF792B主要适用于50 Hz工频范围的频率调节(无需外接晶体振荡器)。两者均可选择矩形波或调制波输出，且脉宽可调。在电路功能上，该系列触发电路全面兼容于TC787，TC788，TC790A，TC790B，TCA785和KJ004，KJ04l，KJ04等单相、三相移相触发电路，且价格低廉。由于采用电压控制脉宽，无需移相电容，因此可方便构成幅度可变、脉宽调制(PWM)的逆变电源触发电路。此外，由于它增加了同步信号滞后补偿功能，其补偿范围为0°~60°，因此可通过深度滤波去除强干扰信号，还可通过调整补偿角度，精确判别同步信号的零点。该功能的增加不仅能使其用作精确的过零开关，还能简化整流变压器的接线组别，用于任意相的整流电路等。另外，通过选择传统的锯齿波线性输出或余弦函数输出两种方式可控制该系列器件的触发角度。当采用余弦函数输出时，其整流输出电压与控制电压呈线形关系。该系列器件既可用于单相、三相半控和全控桥晶闸管整流触发和单、三相交流调压反并联和双向晶闸管触发，也可用于晶体管类变频变压逆变等控制电路。由于其采用的角度为控制单位，因此可有效防止由频率变化而引起的失控和颠覆现象。

　　2 TCF792原理

　　图1给出TCF792的原理结构简图。该器件的供电电压为5 V，其输入输出端口兼容于TTL电平，因此能简单方便地与其他数字电路连接。TCF792的同步信号采用方波，由引脚7输入，其下降沿应为A相相电压由负变正的过零同步点。

　　该周期信号经180倍频后，形成2°周期宽度的脉冲信号，然后进入数字运算控制单元形成2°，4°，60°，120°，180°等控制信号。由此产生调制波脉冲、相位分配等信号。移相角控制电压、脉宽控制电压、滞后相位补偿电压分别由多路开关切换后进人10位A/D转换电路．其分辨率达0．05％，可以满足工业控制需要。转换后的数值送入运算控制单元，其运算节拍由振荡器产生。振荡器分内部振荡器和外部振荡电路。TCF792A选用外部晶体振荡电路；TCF792B采用内部振荡电路，并由生产商在制造时固定。全控双脉冲或半控单脉冲、矩形波或调制波、锯齿波形或余弦函数波形(指移相角度与控制电压关系曲线)、正相序输出或反相序输出分别由引脚15，17，18，19控制。若引脚16接地，将闭锁所有输出，一般用于过载或短路保护。器件内既含自动上电复位电路，也设置有硬件看门狗电路。当电路干扰打乱数字电路运行节拍时，起纠正作用，使输出电路迅速恢复正常工作。

　　TCF792采用标淮的DIP20和SOP20封装。其功能及使用方法如下：引脚1为RST，用于复位，且通过1 kΩ电阻接地。引脚2为+A，引脚3为一A，分别用于脉冲输出(低电平有效，灌电流最大20 mA，内含弱上拉电阻)。引脚4为XTL2，其中TCF792B不接晶体振荡器；TCF792A接20 MHz晶体振荡器。引脚5为XTLl，用作晶体振荡器的输入端。引脚6为+B，脉冲输出(低电平有效，灌电流最大20 mA，内含上拉电阻)。引脚7为Tb，用于同步信号输入端(方波输入，下降沿有效，以Va正半波起始点为下降沿的基准)。引脚8为一B，引脚9为+C，引脚11为一C，分别用于脉冲输出(低电平有效，灌电流最大20 mA，内含弱上拉电阻)。引脚10为GND。引脚12为Vk，用作控制电压电位输入端，其输入范围在0～Vcc，线性对应的控制移相角为2°～178°。引脚13为Mk，脉宽电压电位输入端，当选择矩形波脉冲时，输入范围为0~Vcc，线性对应的脉宽相角为2°～178°；当选择调制脉冲时，输入范围为0~Vcc，线性对应的脉宽相角为0°~60°。引脚14为Xb，用作相位补偿电位输入端，输入范围为0～Vcc，线性对应的前移控制脉冲角度为0°~60°，该端口接地时无补偿。引脚15为Bk，该端口悬空或接10 kΩ上拉电阻时为三相全控双脉冲输出，即触发该相时，可同时向上一次触发端口补发一个脉冲；该端口接地时为三相半控单脉冲输出。引脚16为Jz，该端口悬空或10 kΩ接上拉电阻时为正常输出；该端口接地时为禁止输出，所有输出脉冲端口均为高电平，响应时间小于60°。引脚17为Tz，该端口悬空或接10 kΩ上拉电阻时为矩形波输出；该端口接地时为调制脉冲输出，调制波周期为4°，占空比为500%。引脚18为Cos，该端口悬空或接10 kΩ上拉电阻时，输出和输入为锯齿波关系；该端口接地时选择余弦函数，输出移相角α与控制电压Vk的关系为α=argcos[(Vcc一2Vk)/Vcc]，整流输出电压与控制电压呈线性关系。引脚19为Fx，该端口悬空或接10 kΩ上拉电阻时为正序输出，即+A，一C，+B，一A，+C，一B；该端口接地时，为反序输出，即+A，一B，+C，一A，+B，一C。引脚20为Vcc，Vcc为5．5～3．8 V；功耗为4～7 mA；极限电压为5．5 V。值得说明的是：①任何端口电压的极限范围为一0.3V~Vcc，兼容TTL电平；工业级温度范围为-40℃～+85℃；高抗静电(ESD)保护；抗4 kV快速脉冲干扰测试；抗干扰能力极强；三相不对称度小于0．5°。②数字电路应注意抗干扰设计，尽可能采用光耦隔离设计。

　　3 三相全波半控整流电路

　　图2给出工频三相晶闸管全波半控整流电路原理接线图。其中，电网电压Uac经R1，R2，R3与VD1，VD2削波后，进入R4输入电压比较器的负输入端，当Uac为正半波时，比较器输出零电平；当Uac为负半波时，比较器输出高电平，从而将正弦波输出变换为方波输出，Uac的输入范围为5～400 V。光电耦合器U2用作电路隔离，起抗干扰作用。电容器C1起滤除Uac信号中过零点附近的毛刺，其数值可依实际波形中毛刺的大小而定。由于滤波产生的相位滞后，可调整RW2的输出至引脚14进行电位补偿。TCF7928的引脚2为+A输出信号，低电平有效。光电耦合器U3用作电路隔离，其意义同U2。U2的右边为脉冲放大电路，其参数可依晶闸管型号进行调整。脉宽可由RW1调整，其调整范围为0°～180°，实际约调至200Us即可。触发角控制电压输入端Vk(引脚12)上的电位通过R20上的压降取得，其值取决于光电耦合器U4的输出电流。光电耦合器采用线形PC817一A，其输出电流与输入电流成正比。晶体管VT2与R21构成恒流源电路，其大小受基极电位控制。图2中的Uac经整流、阻容分压滤波，加在RW3两端，用以调节RW3，可改变输入至VT2的基极电位，进而改变移相触发角，调节晶闸管整流输出电压。利用5 V和18 V电源对电路隔离，有利于对器件的抗干扰能力。其引脚15接地，选择半控单脉冲；引脚18接地，选择余弦函数输出。输出移相角α与控制电压Vk的关系式为：

　　由式(3)可见，Ud与Vk成线性函数关系。值得注意的是：举例中，RW3两端的电压并未采用稳压电源，而是取Uac经整流降压后的电压。由上述公式可知，当Uac下降时，Ud下降，此时Vk也成比例下降，而Vk下降将使控制角减小，从而补偿了因Uac下降引起的整流电压下降。假设正常运行时触发角为90°，当电网电压下降10％，则经计算，其Ud仅下降l％。可见它具有一定的恒压整流作用，且电路原理简单。

　　4 结语

　　通过上例可见，TCF792数字相位控制电路具有高精、易用、可靠、无需调试的优点，外围元件少且性能优良。同时由于采用单相同步信号，使其应用与单相触发电路一样方便，便于触发板设计。因此它将成为新一代的数字移相电路。