中心議題：
- 介紹晶閘管直流穩壓器控制電路的工作原理
- 分析晶閘管直流穩壓器電路調試
解決方案：
- 采用晶閘管直流穩壓器，實現過流及短路的可靠保護
- 應用電路用來觸發三相半控晶閘管橋式整流器
盡管功率場效應VDMOS 和絕緣柵雙極型晶體管IGBT等電力半導體元器件層出不窮,且在電力電子技術領域占據重要位置,晶閘管(可控硅) 卻因耐高壓耐大電流沖擊的特性,仍有著穩固的陣地,受到用戶的青睞。在擯棄電流采樣、放大和執行等多個環節的情況下,將單結晶體管移相觸發器中的晶體管誤差放大器改為集成運算放大器,就可實現晶閘管直流穩壓器的過流及短路保護,簡化了電路結構,并提高了整機的穩定可靠性能和AC - DC變換效率。
工作原理
誤差放大器采用集成運放的晶閘管直流穩壓器的控制電路如圖1 所示。被控主電路(圖中未畫) 是三相半控整流橋,再經LC 平滑濾波器,輸出+ 12. 8 V 平滑直流電壓。三相半控整流橋中的三個晶閘管,分別由圖示控制電路中的脈沖變壓器T2a 、T2b和T2c來觸發。推動這三個脈沖變壓器的三個移相觸發電路是完全相同的,且共用一個誤差放大器及其電壓采樣電路。為避免重復和繁瑣,圖中僅示出B 相的移相觸發器電路, A 相和C 相電路則用虛線概括。
移相觸發器電路仍沿用傳統的單結晶體管式移相觸發器。即當二極管VD3 陰極電壓升高時,流過晶體管VT2 的電流(即電容C1 的充電電流) 減小,單結晶體管VT1 輸出的脈沖電壓后移,晶閘管導通角減小,輸出電壓減小。當VD3 管陰極電壓下降時,VT2 管中電流增大,C1 充電速度加快,VT1 管輸出脈沖電壓前移,晶閘管導通角增大,輸出電壓也增大。但VT2 管中的最大電流是受電阻R3 阻值制約的,不可能無限制地增大,即晶閘管的最大導通角將由R3 鎖定在小于180°大于0°的某個數值上。
將晶體管誤差放大器更換為運算放大器式的誤差放大器,電路結構將簡化,且放大倍數方便可調,容易制成比例積分微分調節器(PID) ,使調壓系統的動態特性更趨完美合理。VD2 管將C2 的平滑直流電壓與移相觸發器上的同步梯形波電壓隔離開來。當來自主電路的+ 12. 8V 輸出電壓發生變化時,取樣電位器RP 上的電壓也成比例變化,從而使運放N 的同相輸入端3 腳電壓相應變化,輸出端6 腳電壓按放大倍數變化,最終導致晶閘管輸出電壓產生相反方向的變化,平衡主電路輸出端的變化,保持了輸出電壓的穩定。
當主電路輸出端出現過流或短路時,輸出電壓至少會產生較大下跌。而R3 的阻值又限制了晶閘管的最大導通角度,即使晶閘管已達到這個最大導通角,仍然無法補償過電流在主電路上產生的壓降,使主電路輸出端+ 12. 8 V 電壓嚴重下跌(短路時電壓為0V) 。這樣運放N 同相輸入端3 腳電壓就低于反相輸入端2 腳,于是輸出端6 腳輸出超低電壓,較大電流流過R3 ,VT2管集電極電壓就會低于單結晶體管VT1 的峰點電壓,VT1 管不能產生振蕩脈沖,主電路中的三個晶閘管也就無法導通,實現了過流(短路) 保護。與此同時,蜂鳴器HA 鳴叫,發光二極管VL 點亮,以聲光的形式告知操作人員:此時已處于過流(短路) 保護狀態。
負載故障排除后,按一下恢復按鈕SA ,C2上的直流電壓通過電阻R7 重新使運放N 的3 腳電壓高于2腳,6腳再次輸出較高電壓,晶閘管恢復導通, + 12. 8V的輸出電壓恢復正常。電容C3 為啟動電容,開機瞬間若無C3 ,主電路尚無直流電壓輸出,運放N 的3 腳電壓為零,而2 腳電壓高于7 V 以上,故輸出端6 腳電壓很低(約為2V) ,電容C1 上電壓達不到VT1 單結晶體管的峰點電壓,VT1 管無脈沖電壓輸出,晶閘管不能導通,主電路輸出端就會—直處于零電壓狀態。設置C3 后, 開機瞬間同步電壓通過VD2 管對C3 充電,在RP 和R11產生高于運放N 的2 腳電壓,6 腳即輸出較高電壓,使主電路輸出端輸出+12. 8 V 的直流電壓。
不難看出,該電路與集電極輸出式晶體管直流穩壓器有相似之處,但該電路更優越——僅用一個電容就能自行啟動,且絲毫不影響穩壓性能。
電路調試
該電路與主電路聯通調試時,不妨將電阻R3 的阻值換大些,然后將主電路輸出端負載逐漸加大。如果加至設定保護電流值以下的某個電流時輸出電壓突然降為零,這說明過流保護功能已開始實施,只是實施得過早了些。這時可將R3阻值減小一些,繼續如前進行加載實驗,此時的保護電流動作值應比上次大了一些。繼續減小R3 阻值,直至達到設定保護電流時實施保護為止。R3 阻值確認后,當采用相同阻值的固定電阻器取代,盡量不用電位器,以免其阻值調亂而喪失或過早實施過流(短路) 保護功能,妨礙穩壓器的正常應用。
眾所周知,單結晶體管型觸發器的觸發功率并不很大,本文所述的應用電路用來觸發三相半控晶閘管橋式整流器,其晶閘管規格為100A ,使+ 12.8V 穩壓器輸出電流可達180A ,超過180A 時,潛隱的過流(短路) 保護功能顯現———單結晶體管VT1 失去振蕩脈沖,三個晶閘管截止。主電路中的三相電源變壓器(圖中未畫出) 的容量和額定電壓值決定了待保護電流動作值的上限,至于上限之下為何值動作,那就要由電阻R3 的阻值大小來決定。實際上,單結晶體管VT1 和三極管VT2 的相關參數—如分壓比、峰點電壓、谷點電壓、電流放大倍數等,是與R3 阻值一起,共同來確定保護電流動作值的,不過VT1 和VT2 管參數的離散性較大,一般只用調整R3 阻值大小的方法來確定保護電流的動作值,這樣更方便更經濟。這就不難理解:為什么同一型號同一規格的穩壓器會出現不同的R3 阻值了。對同一臺穩壓器而言,三個觸發器中的單結管VT1 、三極管VT2 和電阻R3 的參數值應分別保持一致,以確保三個晶閘管導通角的一致(對稱) 性以及最佳紋波系數。
考慮到穩壓器對輸出電壓的紋波系數有—定要求,而且濾波電感不可能定得太大,輸出直流電壓的可控范圍也就不宜定得過寬,在供電電壓下限且輸出額定電流時,輸出額定電壓(如+ 12. 8 V) 上下有少許調節余量即可,這就要求制作者必須設計好三相電源變壓器副邊繞組。然后,在調試中調整電阻R3 和電位器RP 阻值,以最終滿足預期的輸出特性的要求。盡管本文繪出的僅是一個具體的實用電路,但該電路形式及其工作原理適用于所有移相觸發晶閘管直流穩壓器,應用時完全不必拘泥于這一個“實用電路”,盡可放開思路,憑借該題,充分發揮,以取得舉一反三的設計成果。
結束語
綜上所述不難發現,控制電路以及未示出的主電路中,沒有設置過流和短路保護電路,也沒有專設置具有過流保護功能的元器件,卻能實實在在地實現過流及短路的可靠保護,而且這種保護電流的動作值可以在大范圍內予以調節。這是一種沒有過流保護環節卻具有過流保護功能的晶閘管直流穩壓器,是單結晶體管移相觸發器和集成運算放大器合理組合的結果。通過這一實例可以得到一些啟示:將一些元器件進行合理組合,可以產生意想不到的效果——各種元器件也都或多或少的具備這樣那樣的潛隱功能。從某種意義上來說,積極開發元器件潛隱功能的意義,甚至會超過開發新的元器件。這就好像將同樣的文字進行新的組合,寫出了另一篇意境深邃、妙趣橫生的文章一樣。愿本文能對傳統元器件的更多新應用起到拋磚引玉的作用。
