陈振成
摘 要：双向可控硅是一种大功率的电子器件，在工程中的应用范围非常广泛。在交流设备中应用的双向可控硅采取过零触发的方式。文章介绍了双向可控硅的过零调功调速调光原理，并对过零调功调速调光控制技术进行了设计研究。
关键词：双向可控硅；过零调功调速调光；触发电路；程序
中图分类号：TN342+.3 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）18-0137-02
Abstract： Bidirectional thyristor is a kind of high power electronic device， which is widely used in many projects. The bidirectional thyristor used in alternating current （AC） devices adopts the mode of zero-crossing trigger. In this paper， the principle of zero-crossing adjustable light regulation for bidirectional thyristor is introduced， and the dimming control technology is designed and studied.
Keywords： bidirectional thyristor； zero-crossing adjustable speed dimming； trigger circuit； program
双向可控硅也称作双向晶闸管，是一种功率半导体器件。双向可控硅在单片控制系统中应用广泛，发挥着功率驱动元器件的作用，也常作为调光器应用于智能家居系统之中。双向可控硅作为交流无触点开关应用于控制系统之中有非常突出的优势，不会发生反向耐压的问题，电路的控制也并不复杂。通过光电耦合器把单片机的控制系统加载于可控硅的控制极当中，能够最大程度地缩小驱动功率及可控硅在触发的时候出现的干扰。我国大多电气设备在处于工作状态的时候都是用的50Hz频率的交流电，这种交流电路的特点是每经过10ms的时候电压就过零点，双向可控硅于触发点所使用的电路方案大多为过零触发电路。笔者所作的调功调速调光控制技术方案，在检测到过零点的时候，先延迟一定的时间，然后使用可控硅作为驱动，来调控交流电每0.5个周期的导通占空比，达到调功调速调光的目的。
1 双向可控硅进行过零调功调速调光控制的原理
双向可控硅依据公式P=T×ω进行过零调功调速调光。在这个公式里，P代表着电功率（kW），T代表着外部阻力矩（N·m），ω代表着角速度（rad·s-1）。根据P=T×ω这个公式，在其它外部条件没有变化的情况下，即公式中的T在维持没有变化的状态下，在特定的时间之内电功率发生的变动就会引起角速度也出现变化，通过调节电功率就可达到调速的目标。
过零调功进行的时候，工作电压表现为一个完全的正弦波形，过零导通和过零截止成为电压显着的特征。为了有效调节控制负载功率，过零调功必须在特定的时间之内改变负载交流正弦波的数量。导通的触发在双向可控硅电压过零与电流过零的情况下实现的，导通的时候，波形为完整的正弦波或半波，因此，双向可控硅在调功调速的时候，它移相调压的方式是没有缺陷的，双向可控硅的导通是在电压过零状态时达成的，而电压过零状态下的电路负载电流及其变化率都较小，这对双向可控硅的正常工作不会造成不利的影响。
在将两个晶闸管进行并联之后继而串联的交流电路中，晶闸管交流经由改变单片机的编制程序来输出功率，运行时的频率保持不变，这是交流电之中的电力调控。晶闸管对输出的电压波形进行周期性的采样，就会出现触发延迟角，运行之中触发导通的周期、关断周期的比例都和负载消耗的平均功率有直接相关性。为了进行调光，需要把单片机作为主控芯片，在50Hz频率的变化情况下，电路里的交流电被光电耦合器转变为方波信号来进行过零点检测，然后就可以把单片机控制信号变为双向可控硅控制极的触发信号。
2 硬件电路的设计方案
检测电压在工作的时候为正过零或者负过零，是硬件电路必须具有的功能。单片机可以利用控制门有效调节门控电路的电平，从而能够有效控制双向可控硅过零时触发的脉冲个数。
2.1 过零检测电路
使用Microchip公司的PIC16系列89C51单片机作为本研究设计中的主控芯片，采取型号为MOC3041的光电耦合器，工作频率为50Hz，采用的双向可控硅型号为BCR16LM。
使50Hz的交流电在经由零点之时能够确保取出脉冲，这是设计过零检测电路的终极目标。本研究设计经由两个光电耦合器来进行过零控制，见图1。
交流电源通过R12加载于两个反并联光电二极管之上，当交流电源处于正、负半周状态时，二极管D1与D2轮流实现导通，由此，三极管T1与T2也会进行轮流导通。导通之时，从V0端输出低电平，在过零的一瞬间，会截止交流电源线路里的两个二极管，而此刻V0端输出的是高电平，接下来会有一个10ms周期的脉冲信号被输送至89C51下INT0的引脚处，每隔1s会向单片机发出100次中断的请求，以此来形成的中断控制周期为100次/s。
本研究设计的过零检测电路在电源电压通过零点之时，即可产生准确的过零脉冲，电路的性能比较稳定，能使电器安全运行。
2.2 双向可控硅触发电路
本双向可控硅电路设计使用MOC3041过零光耦，可以进行过零检测和光电隔离，并且能够过零触发，线路的输入与输出通道进行的双向可控硅触发并不需要同一时间，隔离-驱动电路在双向可控硅过零光耦的输出通道里已得到很大的简化。
双向可控硅触发电路的机制是：用户设置参数后，单片机对之进行响应，于I/O口输出高电平，反向器对输出的高电平进行反向处理，然后输出低电平，对光电耦合器进行导通，使光电耦合器能够同时触发双向可控硅，因而导通整个电路，使其安全工作。
在特定的时间，负载获取的功率可以用以下公式表示：P=UI
这个公式里的P代表负载下的功率（kW），n代表特定时间里双向可控硅导通的正弦波数量，N代表特定时间里交流正弦波数量，U代表在一个电源周期里，双向可控硅处于全导通时相应电路电压的有效值（V），I代表在一个电源周期里，双向可控硅处于全导通时相应电路电流的有效值（A）。这个公式说明，在电压、电流及交流正弦波数量完全确定不变时，只要变化特定时间里双向可控硅导通的正弦波数量，即可调节电机转速。
3 软件的设计
本研究设计的软件程序为双向可控硅的过零触发，以单片机来控制双向可控硅的通断。单片机不仅在特定的控制周期里来控制双向可控硅的导通，还能控制交流关断状态时完整全波或半波信号的数量，我们把控制周期设置为1s，调节负载功率的枢纽就是双向可控硅1s内导通正弦波的数量，以此来进行调速调光。INT0信号可以就过零时工频电压做出反应，故而在外中断过零时的中断程序，就支配控制门开启或关闭，判断特定时间里双向可控硅导通正弦波的数量可通过中断服务的次数来进行。当服务中断1次之时，特定时间里双向可控硅导通正弦波的数量n就计数（-1）。计数进行时，当n≠0，控制电平须确定在“1”，使将控制门依然保持打开；当n=0，控制电平则须复位于“0”，关上控制门，由此即可中断双向可控硅过零触发的脉冲。
本研究设计通过节制双向可控硅的通断，即可支配双向可控硅过零，变化服务的次数，操纵特定时间里双向可控硅导通正弦波的数量，从而由对控制量的掌握来进行调功调速调光。
主循环控制程序：以初始化数据的存储单元为基础，设置调功调速调光器参数，并转化这些参数为特定时间里双向可控硅导通正弦波的数量，明确中断优先权及开断，使正弦波保持完整。单片机判断电路负载之后须复位，假设有负载即开始主循环，并准备中断，当工频过零的时候，须同时把INT0进行中断，继而明确更高一级的中断源。
中断服务程序：运行中断服务程序时，必须有力保护现场，把中断标志位置确定为INT0位置，严格禁止主程序改变参数。INT0中断位置计数-1时，检测双向可控硅关断与否，从而判断是否关闭调功调速调光器，如果关闭，要清除INT0中断位置的数据，全部数据都进行初始化，使线路现场得到恢复，中断进行返回。当外中断过零之时，掌控双向可控硅于1s的周期里导通正弦波的数量，得到1s周期交流正弦波的总量，在交流正弦波的总量N=100之时，清除INT0中断位置的数据，全部数据进行初始化，线路现场得到恢复，中断进行返回。
4 结束语
本研究设计中，在每个特定的周期里，由双向可控硅导通占据的比例来调控负载功率，这在功率较大的交流装备（例如电炉及交流电机等）均能应用，并且控制方法有安全保障。本研究设计的过零检测与触发电路，在进行过零检测时，当发现过零即可提出中断请求，软件程序简单可行，值得同类产品进行借鉴。
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