单片机在市电过零检测并驱动可控硅进行功率调节的应用综述

单片机在市电过零检测并驱动可控硅进行

功率调节的应用综述

摘要：利用可控硅可实现通过控制低电压直流电使高电压交流电开启或关闭，相比继电器的控制方法可控硅具有更经济、无高次谐波产生、不干扰通讯设备的优点，并且通过对市电是否过零进行检测，通过可编程器件触发可控硅可以实现功率调节。本文综述了一些常用的市电过零检测的方法，及如何通过单片机产生中断来触发可控硅进行功率的调节。

关键词：单片机；可控硅；过零检测；功率调节

由于单片机体积小功耗低数据处理速度快的优点在工业现场被广泛的使用。单片机在工业流程控制的应用，与手动控制相比，它有准确、及时、迅速等诸多方面的优点。市电通过过零检测电路检测到过零时，电路向单片机发出中断申请，单片机通过定时器延时选择导通角从而调节可控硅导通系数。通过这种方法不仅能控制交流电的通断，并且还能调节电路的输出功率。笔者通过工程试验提出以下市电过零检测的方法，和单片机控制可控硅的调节功率的方案。

1可控硅开关原理

可控硅是一种以硅单晶为基本材料的P1N1P2N2四层三端器件，创制于1957年，由于它特性类似于真空闸流管，所以国际上通称为硅晶体闸流管，简称可控硅T。又由于可控硅最初应用于可控整流方面所以又称为硅可控整流元件，简称为可控硅SCR。在性能上，可控硅不仅具有单向导电性，而且还具有比硅整流元件（俗称“死硅”）更为可贵的可控性。它只有导通和关断两种状态。可控硅能以毫安级电流控制大功率的机电设备，如果超过此频率，因元件开关损耗显著增加，允许通过的平均电流相降低，此时，标称电流应降级使用。

由于可控硅共有三个PN结，分析原理时，可以把它看作由一个PNP管和一个NPN管所组成。当阳极A加上正向电压时，BG1和BG2管均处于放大状态。此时，如果从控制极G输入一个正向触发信号，BG2便有基流ib2流过，经BG2放大，其集电极电流ic2=β2ib2。因为BG2的集电极直接与BG1的基极相连，所以ib1=ic。此时，电流ic2再经BG1放大，于是BG1的集电极电流ic1=β1ib1=β1β2ib2。这个电流又流回到BG2的基极，表成正反馈，使ib2不断增大，如此正向馈循环的结果，两个管子的电流剧增，可控硅使饱和导通。由于可控硅只有导通和关断两种工作状态，所以它具有开关特性。

2过零触发电路的实现

2.1通过光电耦合器进行过零检测

过零检测电路的最终目标是实现当50Hz的交流电压通过零点时取出其脉冲。电路中采用两个光电耦合器实现过零控制，其工作原理（图2.1）是：交流电源

经过R12加到2个反并联的观点二极管上，在交流电源的正，负半周，二极管D1和D2轮流导通，从而使三极管T1和T2也轮流导通，在导通器件V0端输出低电平，只有在交流电源过零的瞬间，2个二极管均截止，V0端输出高电平，因此V0端得到周期为10ms 的脉冲信号，该信号送至89C51的INTO 引脚，每秒向AT89C51申请100次中断，以实现每S100次的中断控制周期。

在所设计的过零电路中，每当电源电压过零点时就产生准确的过零脉冲，且工作稳定能满足本系统的工作要求。

2.2通过三极管进行过零检测

如果对过零检测的精度要求不是很高的话，还可也采用三极管进行过零检测，这样的电路简单并且成本得到了有效的控制。如图2.2当交流电过零信号A 通过R1、R2进行限流C2滤去杂波，当有过零信号时三极管BG1截止，VCC 通过D1直接输送给BG2时P0.0产生低点平从而触发单片机中断。

2.3 通过比较器进行过零检测

当可控硅用于调节灯的亮度是，通过普通的方法进行过零检测有可能会误差较大从而使灯不停的闪烁或抖动这时就应该采用比较器检测过零信号。如图2.3当电源产生过零信号时比较器Un 输出低电平，Um 检测到低电平时又Um 输出低点平从而触发单片机中断。

3 单片机触发可控硅的方法

3.1 控制角的测量

由于双向可控硅最终要由单片机来控制，这就要求单片机计算出每控制1度角所对应的时间常数。简便方法是利用外部中断INTl 和定时器T1来接收同步脉冲信号，Tl 则进行内部计数即定时方式。首先选择晶振，交流电每半波占用的时间为O.OlS 而定时器的最大计数值65536，则计数脉冲频率，f=65536/0.01s=

6.55 M 。由于计数脉冲由晶振通过内部分频电路获得，所以理论上晶振通过内部分频电路获得，理论上晶振f=12×6.55=78.6M 。从实际应用考虑，晶振选用12 M ，这样计数脉冲频率为1 M ，定时器Tl 模式选择方式1．当第一个同步 脉冲下降沿到来时，令TRl=1，启动定时器Tl ，当第二个同步脉冲下降沿来到时数器T1计数。

3.2可控硅导通角的控制

每度控制角的当量值确定后，就可以由单片机来控制双向可控硅控制角。在补偿装置中，补偿量是由控制器事先算得的接地点电容电流Ic 决定的。由 Ic 求得补偿装置电感的控制角a ，n 是系统正常时计算的，作为故障使用的依据。当单相接地故障发生后。控制器通过接口电路检测接地信号，打开同步信号入口，产生INTl 中断。在INTl 中断里设置Tl 定时器工作在方式2下，使Tl 打开中断，启动定时器Tl_T1在第n 次中断开始时，即是控制角输出时刻，

所以将输出控制

位置置高电平。经过延时后，再置成低电平，根据选定的脉冲宽度确定系数。一般脉冲宽度取3～8，脉冲太窄会影响控制的可靠性如果脉冲太宽，在导通角很小时，会影响后半周导通角的控制。

4 结束语

由于单片机CPU控制导通角依赖于同步脉冲，从而同步脉冲在10-20角度之间。前半周和后半周各有5-10的角度被覆盖，所以控制角度不应该出现在前半周结尾和后半周开始处。利用单片机通过过零检测电路检测市电过零情况并且控制可控硅的导通可实现非常完好的交流电控制方法，此方法会在工业和生活中大量使用。

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控制工程

柳程奕