单向可控硅过零触发器的设计

1、苏州大学本科生毕业论文（设计）目录摘要1前言2第一章基本原理31.1 可控硅的结构与工作原理31.1.1可控硅结构31.1.2可控硅工作原理31.1.3 可控硅工作状态的转换61.2 可控硅的触发电路71.2.1 门极触发信号的种类71.2.2 可控硅对门极触发电路的要求71.3 交流调压原理8第二章单向可控硅过零触发器的结构设计102.1 结构框图102.2 部件功能10第三章硬件设计113.1 过零检测电路113.2 键盘电路133.3 驱动电路133.4 显示电路14第四章 软件设计164.1 中断程序164.2 LED显示程序174.3 键盘程序17第五章 总结19参考文献20致谢词2

2、1单向可控硅过零触发器的设计指导老师：朱桂荣 作者：周浩宇 专业：06测控【摘要】电力电子技术中，可控硅已被广泛用于控制电路中。利用单向可控硅具有可控开关作用的特性，通过控制可控硅通断比来实现功率的调节。可控硅通断比的控制是由单片机实现的，单片机根据其键盘的输入值进行计算后控制输入可控硅门极的过零脉冲个数进行控制的。【关键字】可控硅 单片机 过零触发【Abstract】Among the electric and electronic technology, silicon controlled rectifier extensive among control circuit already

3、. Vtilize one-way silicon controlled rectifier with controlled switch function characteristic, through coherent to realize regulation of power coming while being broken to control silicon controlled rectifier. the coherent broken of the Silicon controlled rectifier is controlled from what one-chip c

4、omputer realize, one-chip computer go on after calculating is it import silicon controlled rectifier door passing according to introduction value of keyboard their zero pulse number is it control to go on very much to controlling. 【Keywords】SCR(silicon controlled rectifier) one-chip computer over ze

5、ro is touched off 前言电力电子技术，又称功率电子学。它主要研究各种电力半导体器件，以及由这些电力电子器件来构成各式各样的电路或装置，以高效地完成对电能的变换和控制。它既是电子学在强电（高电压、大电流）或电工领域的一个分支，又是电工学在弱电（低电压、小电流）或电子领域的一个分支，或者说是强弱电相结合的新领域。电力电子技术的发展与控制技术的发展紧密相关。控制电路经历了由分立元件到集成电路的发展阶段1。现在已有专为各种控制功能设计的专用集成电路，使电力电子装置的控制电路大为简化。特别是微处理器和微型计算机的引入，且它们的位数成倍增加，运算速度随之提高，功能不断完善，使控制技术发生了

6、根本的变化，即控制不仅依赖硬件电路，而且可利用软件编程，即方便又灵活，可使各种新颖、复杂的控制策略和方案得到实现，并具有自诊断功能，甚至能获得有一定智能的电力电子装置。总之，同一电子电路或装置由于控制技术的提高，可以使电路或装置达到更为完善的水平5。晶闸管（thyristor）是具有可控开关特性的半导体器件的总称。它包括普通晶闸管（通常称为可控硅）及各种派生元件，如双向晶闸管、逆导晶闸管、快速晶闸管、光控晶闸管、可关断晶闸管、静电感应晶闸管等。在这些器件中出现最早和目前应用得最广泛的是可控硅（silicon controlled rectifier, SCR），因此习惯上不加说明的晶闸管就指的

7、是普通晶闸管，即可控硅4。晶闸管是一种大功率的半导体器件，从研究成功到现在仅几十年的时间，然而在此间，器件的制造和应用技术的发展很快。它具有体积小，重量轻，效率高和使用方便等优点，对于实现生产过程自动化，提高生产效率，降低成本等方面都有显著的效果。晶闸管既有单向导电的整流作用，又有可以控制的开关作用，可用很微小的功率控制较大的功率，是一种常用的可控整流元件4。第一章 基本原理1.1 可控硅的结构与工作原理1.1.1可控硅结构可控硅是一种功率半导体器件，如图1.1（a）所示。它的管心由半导体材料构成p-n-p-n四层结构，在这四层结构间形成三个p-n结j1,j2,j3;有三个引出端，其中两个是功

8、率引出端，分别称阳极A(anode)和阴极K(cathode)，另一个是控制引出端，称门极G(gate)。图1.1中(b)和(c)分别是P型门极、阴极侧受控和N型门极、阳极侧受控可控硅的电路符号，当没有必要规定控制极的类型时，可用图(d)符号表示三极晶体闸流管（即可控硅）4。图1.1 晶闸管的结构及电路符号可控硅的外壳有螺旋型、模块型和平板型等多种形式，前者多为小容量（200A以下），后者用于大容量。使用时都必须配装合适的散热器和适当的冷却措施，如风冷却或水冷却等。1.1.2可控硅工作原理可控硅是一种可控的单向导电开关，其反向始终能承受电压，即具有反向阻断特性；正向则可以有两个稳定的工作状态，

9、即呈高阻抗的阻断工作状态（简称断态）和呈低阻抗的导通工作状态（简称通态）。那么，这两种工作状态在什么条件下成立以及它们在什么条件下相互转换，这是我们首先要讨论的问题。1）p-n结p型半导体材料的多数载流子是空穴；n型半导体材料的多数载流子是电子。它们的结合面形成p-n结，如图1.2(a)。当外加一个电压E，若其正端接p，负载接n（图1.2(b)），则在外电压的作用下，空穴和电子流向结j。在结j处，空穴和电子相结合而中和。失去的空穴和电子由电源E得到补充。这样不断结合和补充的过程形成电流，p-n结呈低阻导通特性，或者说，p-n结正向偏置时导通。当外加电源E正端接n，负端接p时，在外加电压作用下，

10、p型的空穴和n型的电子均背离结j，它们不可能在那里结合，于是p型、n型中的主要载流子被耗尽（图1.2（c）,在这种情况下，p-n结呈高阻阻断状态，或者说p-n结反向偏置时阻断，只有很小的漏电流。图1.2 p-n结2）可控硅的阻断工作状态当可控硅门极G与外电路断开时，则可控硅在它的两个方向上均呈阻断工作状态（图1.3（a）、(b)）。图1.3(a)可控硅阳极A加正电压，阴极K加负电压（称可控硅正向偏置）。具有四层结构的可控硅可以看成是三个二极管的串联，即三个结j1、j2、j3可以看成是三个二极管，这时j1、j3正偏，而j2反偏，故可控硅呈阻断状态。图1.3（b）是阳极加负电压，阴极加正电压（称可

11、控硅反向偏置），这时是j2正偏，而j1、j3是反偏，故可控硅亦呈阻断状态。图1.3 晶闸管阻断工作状态由此可见，当可控硅门极没有控制信号时（无注入电流），不论可控硅是加正向偏置还是反向偏置，可控硅均呈高阻阻断工作状态，相当于开关断开。3）可控硅的导通工作状态对可控硅正向导通工作状态的解释，可用可控硅的双晶体三极管模型分析。图1.4（a）为可控硅结构，若将其中间部分分为两部分并用导体连接起来，则变为图1.4（b）。图1.4（b）可视为两只复合晶体三极管，即p-n-p型晶体三极管VT1和n-p-n型晶体三极管VT2，见图1.4(c)。在正向偏置下，由图可得电流方程 (1.1) (1.2)式中：VT

12、1的共基极电流放大系数（）；VT2的共基极电流放大系数（）；门极电流。图1.4 晶闸管等效电路为VT1、VT2的漏电流；、分别为VT1的集电极和发射极电流；、分别为VT2的集电极和发射极电流。将式（1.2）代入式（1.1）可得 (1.3)、由可控硅制造工艺所决定，并随、变化，其关系曲线如图1.5所示。从式（1.3）可见，当门极电流为零时，则 （1.4） 图1.5 与发射极电流变化关系由于很小，在很小漏电流情况下，1，则，电路处于阻断状态，这与前述载流子运动的原理一致。当存在门极电流时，从图1.4（c）可看出，注入将使增加，从而使增加；的增加则相继引起和的增加，而的增加又使和增加，这是一个强烈的

13、正反馈过程。在电流增加的同时，、也随之增加，当1，则两晶体三极管处于饱和导通，即可控硅由阻断转为导通。可控硅导通以后，由于两晶体三极管间的正反馈作用，依然保持导通，且处于深度饱和状态1.15，而与门极电流是否继续提供无关。即门极信号只需控制可控硅的正向导通时刻，而一旦导通，门极信号即使失去了，可控硅依然保持导通。当可控硅加反向偏置时，由于晶体管VT1VT2在反偏时的电流放大系数很小即使存在门极电流I也不能使其导通。由于两个等效晶体管的电流放大系数很小，可使用较厚的基片。因此可获比普通晶体三极管高得多的耐压（最高可达10KV）；又由于可控硅对门极流有正反馈（再生）作用，因此它可获得极高的电流增益

14、（）和功率增益（）1.1.3 可控硅工作状态的转换可控硅的“断态”和“通态”两种工作状态之间的转换条件如下：1）关断转化为导通的条件 晶闸管在电路中使用时，只有同时具备以下两个条件能使其达到导通状态：一是阳极电位比阴极电位高，二是控制极有足够的正向触发电压。2）维持导通的条件 晶闸管一旦导通后，只要继续保持阳极电位高于阴极电位及阳极电流大于维持电流，晶闸管的导通即能维持下去3）从导通转化为关断条件 晶闸管在导通状态下，若将阳极电流减小到维持电流以下，或者阳极电位低于阴极电位时，晶闸管就立即从原导通状态转为关断状态。1.2 可控硅的触发电路1.2.1 门极触发信号的种类 门极触发信号的种类有直流

15、信号、交流信号和脉冲信号。1） 直流信号如在晶闸管门极与阴极间加直流电压，则晶闸管加正向电压时将导通。这种方式在实际中应用极少，因为晶闸管在其导通后就不需要门极信号继续存在。若采用直流信号将使晶闸管门极损耗增加，有可能超过门极功耗，在晶闸管反向电压时，门极直流电压将使反向漏电流增加，也有可能使晶闸管损坏。2） 交流信号在晶闸管门极与阴极间加入交流电压，当交流电压大于门极触发电压时，晶闸管导通。改变交流电压的幅值，可改变触发延迟角。此种形式也存在许多缺点，如：在温度变化和交流电压幅值波动时，其触发延迟角就不稳定；由改变交流电压幅值来调节延迟角。延迟角的变化范围较小，精度低等。3） 脉冲信号脉冲信

16、号有尖脉冲、宽脉冲、脉冲列、双脉冲和强触发脉冲。在晶闸管门极触发电路中使用脉冲信号，不仅便于控制脉冲出现时刻，降低晶闸管门极功耗；还可通过变压器的双绕组或多绕组输出，实现信号间的绝缘隔离和同步传输。因此脉冲信号有多种形式并得到了广泛的应用。1.2.2 可控硅对门极触发电路的要求1）触发脉冲应有一定的幅值和功率触发电路提供的触发脉冲功率要使所有同等容量合格元件均能可靠触发而又不至于使元件损坏。所加触发脉冲的幅值要大于该元件的触发电压，而小于最大容许门极电压。不触发时，触发电路的输出不得大于元件的不触发电压。2） 发脉冲要有一定的宽度当用窄脉冲控制时，脉冲宽度至少要大于阳极电流上升到住电流的时间，

17、否则当触发脉冲消失，晶闸管将又恢复阻断（一般可定为1ms左右，但至少应大于6us）。3） 脉冲前沿要陡晶闸管元件门极参数较分散，触发脉冲陡峭的前沿可使触发延迟角稳定，减小门极参数分散对延迟角的影响。另外，触发脉冲前沿越陡，元件开通时间越短，从而可提供精确的触发延迟角。4）发脉冲要与主电路同步并有一定的移相范围在整流和有源逆变等由交流电源供电的电路中，为了使每一周波重复在相同的相位触发，触发信号必须与主电路交流电源电压同步。同时触发延迟角应能根据控制信号的要求改变，即延迟角应有一定的移动范围。1.3 交流调压原理在晶闸管交流调压系统中，按控制方式来分，通常有移相触发和晶闸管过零触发两种。前者通过

18、改变晶闸管导通角的大小来改变负载上的电压（或功率），输给负载的电压（电流）是缺角正弦波，功率因数低，包含有许多高次谐波，会产生对电网和无线电的射频干扰，晶闸管设备之间也会因为这种干扰而产生误动作。所用的晶闸管设备功率越大，造成的干扰愈严重。后者则是利用晶闸管作为交流开关，在交流电压（或电流）过零触发导通，通过控制通断比来实现功率调整，负载上得到的电压（或电流）总是完整的正弦波，从而避免了前一种方法的缺点。晶闸管过零触发控制方式是在设定的周期范围内，将电路接通几个周波，然后断开几个周波，通过改变晶闸管在设定周期内通断周波的比例，来调节负载两端的功率。这种方式相当于相位控制时的a=0,所以也称为“

19、过零触发”。由于晶闸管是在电源电压过零时就被触发导通，所以负载上得到的是完整的正弦波，调节的是在设定周期内的通断比（亦称占空比）。对感性负载，为了防止过大的暂态电流，有时也采用电流过零触发。过零触发可以有全周波连续式和全周波间隔式两种如图1.6（a）和（b）2。图1.6 过零触发的两种波形图中各表示四种通断比。为设定周的期，它是交流电源周期T（50Hz时 T=200ms）的整数倍，N为内导通周波数，则调功器的输出电压有效值 （1.5）输出功率 （1.6）式中：Un和Pn为设定周期内全部周波都导通时的输出有效值电压和输出功率。可见，只要改变导通周波数N，就可以改变输出电压和功率。通断控制方式晶闸

20、管在电压过零的瞬间开通，波形为正弦，电网功率因数高，克服了相位控制时会产生谐波干扰的缺点，但调功器输出电压为连续波，只适用于有较大时间常数的负载，而且晶闸管导通时间是以交流电的周期为基本单位，所以输出电压和功率的调节不太平滑。一个设定周期中所包含的正弦波个数M越多，即M=/T越大，则过零触发调功的最小量化单位（Pn/M）就越小，即功率调节的分辨率越高，能达到的调功稳态精度也就越高第二章 单向可控硅过零触发器的结构设计2.1 结构框图系统的结构框图如图2.1所示，系统由五部分组成：单片机8051，过零检测电路，驱动电路，键盘和显示设备。 过零检测 显示设备 8051 驱动电路 键盘 SSR图2.

21、1结构框图2.2 部件功能各部分的作用或功能：过零检测系统的作用是生成与电压同步过零脉冲，并把此脉冲作为单片机8051计数器开始计数的时间基准；单片机8051集成块的主要作用是运算，它根据键盘的输入来确定占空比，计算和控制输入驱动电路的过零脉冲数（即输入可控硅门极的过零脉冲数）并将其通断比传给显示系统；显示系统是由两LED数码显示块和74LS273锁存器组成，它的作用是显示负载的开度值（或占空比）；驱动系统采用光电耦合器，其作用起到保护系统不受电磁波的干扰，保证系统的稳定性和可靠性。第三章 硬件设计3.1 过零检测电路过零检测是数字电路触发器的同步环节，它将交流同步电压过零点时刻以脉冲形式输出

22、，作为计数器开始计数的时间基准2。过零检测电路的电路图如图3.1所示图3.1过零检测工作过程：过零检测系统的输入端由一个变压器组成，将输入为220V的交流电压变为只有6V的交流电压，以便以后的处理工作。当输入端有交流电压输入时，a端有电压产生,电压波形与输入波形一样，同为正弦波如图3.2（a）所示。a点与比较器的正极端口相连,且比较器的负极端口接地，由此可知只有比较器的正极端电压大于零时，比较器的输出端即b点才有波形产生，于是a点的正弦电压通过比较器形成b点正向脉冲波形，如图3.2(b) 所示。一开始电容没有电压，当b点有电压时就对电容充电，于是有电流流过由电容和接地的电阻，当电容充完电后就放

23、电，此时也有电流流过电容和与之相连的电阻，因此电阻的上端连接的c点有电压产生，且其波形图如上图3.2（c）所示。c点分别连接在两个比较器正负极端口，且比较器的另一个负极端口或正极端口都接地，所以上图所示，当c点 (a) a点电压波形 (b) b点电压波形 （c）c点电压波形(e) e点电压波形 （f）f点电压波形 （d）d点电压图3.2 过零检测的波形图的电压为负值时，只有上面的比较器输出端有脉冲输出如图3.2(e)所示，当c点的电压为正值时，只有下面的比较器输出端有脉冲输出如图3.2（f）所示，将两个比较器的输出端与或门连接，d点的电压波形就是两个比较器输出波形相加，波的形状如下图3.2（d

24、）所示。d点的波为过零检测的输出波，与单片机的中断端INTO1连接，作为中断计数脉冲用。3.2 键盘电路outout 键盘是计算机不可缺少的输入设备，是实现人机对话的纽带。按其结构形式可分为非编码式键盘和编码式键盘，前者用软件方法产生键码，而后者用硬件的方法产生键码3。在这里我们用非编码式键盘。键盘是控制单片机的输入端，用于控制输入可控硅门极的过零脉冲的个数。键盘与单片机的连接图如下3.3所示。图3.3 键盘电路键盘实际上是一组按键开关的集合。通常，按键所用的开关为机械弹性开关，均利用机械触点的合、断作用。每个按键对应I/O端口的一位，没有键盘 闭合时，各位均处于高电平。当有一个键盘按下时，就

25、使对应位接地而成为低电平，而其他位依为高电平。这样，单片机8051只要检测到某一位为“0”， 便可判别出对应键已经按下。 设定与P1.1和P1.2口相连两个的键盘作用。P1.1口键盘的功能是每按一下键，系统的占空比就增加一个指数，与P1.1功能相反，P1.2口键盘的作用是每按一下键，系统就减少一个占空比。这些作用只有通过软件才能实现，软件的编程将在下面给出。3.3 驱动电路驱动电路是用半导体器件代替传统电接点作为切换装置的具有继电器特性的无触点开关器件，它的电路如图3.4所示8051图3.4 驱动电路光电藕合器使将发光元件和光传感器结合在一起的器件3。由于利用自身产生的光线,和外界独立绝缘，具

26、有光电隔离的作用，起到保护电路不被干扰的作用。主要应用在双向可控硅的控制,音响设备,电子乐器等,但受环境温度的影响很大,不宜在温度过高的地方使用。双向可控硅实际上是用两只反并联单向可控硅组成的电路。驱动器的发光二极管的阴极与单片机8051相连，其阳极接+5V电压，采用上拉电流方式驱动电路，确保有足够的电流驱动。如果采用灌电流方式驱动对单片机来说有些困难。工作过程：当单片机8051的输出端为高电平时，发光二极管不导通发光，可控硅的门极没有电流产生，可控硅处于断态状态，负载上只有很小的电流；当单片机的输出端为低电平时，发关二极管导通，可控硅控制端（门极）有电流输入，可控硅处于通态，有大量电流流过，

27、负载开始工作。3.4 显示电路显示器是LED数码显示器，它由发光二极管组成的显示字段的显示器件。这种显示器分为共阴极和共阳极两种形式。在这里用共阳极LED数码显示器，共阳极LED数码显示块是将二极管的阳极连接在一起，形成共阳极LED数码显示块的公共端，该公共端必须接高电平，8个发光二极管的另一端通常称为段选端，如某发光二极管的阴极为低电平时，该发光二极管被点亮3。它与单片机8051的连接图如下3.5所示，8位段码由数据总线P0口送出，经74LS273锁存驱动，接到LED的8根段信号引脚上，因为共阳极七段LED段选端是低电平有效，所以是吸收电流方式工作，不会像灌电流方式对电路有特定要求才有足够的

28、能力点亮LED。图3.5 显示电路74LS273是一片带清除端的8D触发器，将它的清除端接至+5V，则清除端无效。用信号和一根地址线共同控制该电路CLK端，同样在执行“MOVX DPTR，A”指令时，将数据送入74LS273。74LS273引脚图及功能表如图3.6所示清零时钟CLK输入D输出QLX X LHLLHHHHH或LX 保持不变图3.674LS273引脚图及功能图第四章 软件设计4.1 中断程序中断程序的流程图如图4.1所示。 开始保护现场 Y(32H)=(40H)? SETB P1.0 NCLR P1.0(31H)=200? YN CLR 31H,CLR 32H恢复现场结束图4.1流

29、程图中断程序的作用是控制输出触发脉冲的个数，是调节功率的关键程序。INTO： push ACC SETB P1.0 INC 31H INC 32H MOV A , 40H RL A CJNE A , 32H , XX SETB P1.0 DEC 32H LJMP FFXX: CLR P1.0FF: MOV A , 31H CJNE A , #200 , YY CLR 31H CLR 32HYY: POP ACCRETI4.2 LED显示程序显示程序的作用是显示系统的开度值。DSP1: MOV A , 40H MOV B , #0AH DIV AB MOV R0 , A MOV DPTR , #

30、TABLE 送显示代码表首址 MOV A ， B 取个位段选码 MOV A ， A+DPTR 查表 MOV DPTR ， #7FFFH 273（2）选通地址 MOVX DPTR ， A 选出个位 MOV DPTR ， #TABLE 恢复表首址 MOV A ， R0 取十位数 MOVC A ， A+DPTR 查表 MOV DPTR ， #0BFFFH 273（1）选通地址 MOVX DPTR ， A RETTABLE：DB 0C0H ，0F9H ，0A4H ，0B0H ，99H ，92H DB 82H ，0F8H ，80H ，90H4.3 键盘程序键盘程序作用确定每个键盘的功能。JNB P1.1 ， KEY1JNB P1.2 ， KEY2KEY1： MOV A ， 40HDJNE A ， #64H ， BBDEC 40HBB： INC 40HKEY2： MOV A ， 40HDJNE A ，