尽管功率场效应VDMOS 和绝缘栅双极型晶体管IGBT等电力半导体元器件层出不穷,且在电力电子技术领域占据重要位置,晶闸管(可控硅) 却因耐高压耐大电流冲击的特性,仍有着稳固的阵地,受到用户的青睐。在摈弃电流采样、放大和执行等多个环节的情况下,将单结晶体管移相触发器中的晶体管误差放大器改为集成运算放大器,就可实现晶闸管直流稳压器的过流及短路保护,简化了电路结构,并提高了整机的稳定可靠性能和AC - DC变换效率。

工作原理

误差放大器采用集成运放的晶闸管直流稳压器的控制电路如图1 所示。被控主电路(图中未画) 是三相半控整流桥,再经LC 平滑滤波器,输出+ 12. 8 V 平滑直流电压。三相半控整流桥中的三个晶闸管,分别由图示控制电路中的脉冲变压器T2a 、T2b和T2c来触发。推动这三个脉冲变压器的三个移相触发电路是完全相同的,且共用一个误差放大器及其电压采样电路。为避免重复和繁琐,图中仅示出B 相的移相触发器电路, A 相和C 相电路则用虚线概括。

移相触发器电路仍沿用传统的单结晶体管式移相触发器。即当二极管VD₃ 阴极电压升高时,流过晶体管VT₂ 的电流(即电容C₁ 的充电电流) 减小,单结晶体管VT₁ 输出的脉冲电压后移,晶闸管导通角减小,输出电压减小。当VD₃ 管阴极电压下降时,VT₂ 管中电流增大,C₁ 充电速度加快,VT₁ 管输出脉冲电压前移,晶闸管导通角增大,输出电压也增大。但VT₂ 管中的最大电流是受电阻R₃ 阻值制约的,不可能无限制地增大,即晶闸管的最大导通角将由R₃ 锁定在小于180°大于0°的某个数值上。 

    将晶体管误差放大器更换为运算放大器式的误差放大器,电路结构将简化,且放大倍数方便可调,容易制成比例积分微分调节器(PID) ,使调压系统的动态特性更趋完美合理。VD₂ 管将C₂ 的平滑直流电压与移相触发器上的同步梯形波电压隔离开来。当来自主电路的+ 12. 8V 输出电压发生变化时,取样电位器R_P 上的电压也成比例变化,从而使运放N 的同相输入端3 脚电压相应变化,输出端6 脚电压按放大倍数变化,最终导致晶闸管输出电压产生相反方向的变化,平衡主电路输出端的变化,保持了输出电压的稳定。

    当主电路输出端出现过流或短路时,输出电压至少会产生较大下跌。而R₃ 的阻值又限制了晶闸管的最大导通角度,即使晶闸管已达到这个最大导通角,仍然无法补偿过电流在主电路上产生的压降,使主电路输出端+ 12. 8 V 电压严重下跌(短路时电压为0V) 。这样运放N 同相输入端3 脚电压就低于反相输入端2 脚,于是输出端6 脚输出超低电压,较大电流流过R₃ ,VT₂管集电极电压就会低于单结晶体管VT₁ 的峰点电压,VT₁ 管不能产生振荡脉冲,主电路中的三个晶闸管也就无法导通,实现了过流(短路) 保护。与此同时,蜂鸣器HA 鸣叫,发光二极管VL 点亮,以声光的形式告知操作人员:此时已处于过流(短路) 保护状态。

    负载故障排除后,按一下恢复按钮SA ,C₂上的直流电压通过电阻R₇ 重新使运放N 的3 脚电压高于2脚,6脚再次输出较高电压,晶闸管恢复导通, + 12. 8V的输出电压恢复正常。电容C₃ 为启动电容,开机瞬间若无C₃ ,主电路尚无直流电压输出,运放N 的3 脚电压为零,而2 脚电压高于7 V 以上,故输出端6 脚电压很低(约为2V) ,电容C₁ 上电压达不到VT₁ 单结晶体管的峰点电压,VT₁ 管无脉冲电压输出,晶闸管不能导通,主电路输出端就会—直处于零电压状态。设置C3 后, 开机瞬间同步电压通过VD₂ 管对C₃ 充电,在R_P 和R₁₁产生高于运放N 的2 脚电压,6 脚即输出较高电压,使主电路输出端输出+12. 8 V 的直流电压。

　　不难看出,该电路与集电极输出式晶体管直流稳压器有相似之处,但该电路更优越——仅用一个电容就能自行启动,且丝毫不影响稳压性能。

电路调试

该电路与主电路联通调试时,不妨将电阻R₃ 的阻值换大些,然后将主电路输出端负载逐渐加大。如果加至设定保护电流值以下的某个电流时输出电压突然降为零,这说明过流保护功能已开始实施,只是实施得过早了些。这时可将R₃阻值减小一些,继续如前进行加载实验,此时的保护电流动作值应比上次大了一些。继续减小R₃ 阻值,直至达到设定保护电流时实施保护为止。R₃ 阻值确认后,当采用相同阻值的固定电阻器取代,尽量不用电位器,以免其阻值调乱而丧失或过早实施过流(短路) 保护功能,妨碍稳压器的正常应用。

众所周知,单结晶体管型触发器的触发功率并不很大,本文所述的应用电路用来触发三相半控晶闸管桥式整流器,其晶闸管规格为100A ,使+ 12.8V 稳压器输出电流可达180A ,超过180A 时,潜隐的过流(短路) 保护功能显现———单结晶体管VT₁ 失去振荡脉冲,三个晶闸管截止。主电路中的三相电源变压器(图中未画出) 的容量和额定电压值决定了待保护电流动作值的上限,至于上限之下为何值动作,那就要由电阻R₃ 的阻值大小来决定。实际上,单结晶体管VT₁ 和三极管VT₂ 的相关参数—如分压比、峰点电压、谷点电压、电流放大倍数等,是与R₃ 阻值一起,共同来确定保护电流动作值的,不过VT₁ 和VT₂ 管参数的离散性较大,一般只用调整R₃ 阻值大小的方法来确定保护电流的动作值,这样更方便更经济。这就不难理解:为什么同一型号同一规格的稳压器会出现不同的R₃ 阻值了。对同一台稳压器而言,三个触发器中的单结管VT₁ 、三极管VT₂ 和电阻R₃ 的参数值应分别保持一致,以确保三个晶闸管导通角的一致(对称) 性以及最佳纹波系数。

考虑到稳压器对输出电压的纹波系数有—定要求,而且滤波电感不可能定得太大,输出直流电压的可控范围也就不宜定得过宽,在供电电压下限且输出额定电流时,输出额定电压(如+ 12. 8 V) 上下有少许调节余量即可,这就要求制作者必须设计好三相电源变压器副边绕组。然后,在调试中调整电阻R₃ 和电位器R_P 阻值,以最终满足预期的输出特性的要求。尽管本文绘出的仅是一个具体的实用电路,但该电路形式及其工作原理适用于所有移相触发晶闸管直流稳压器,应用时完全不必拘泥于这一个“实用电路”,尽可放开思路,凭借该题,充分发挥,以取得举一反三的设计成果。

      结束语

 综上所述不难发现,控制电路以及未示出的主电路中,没有设置过流和短路保护电路,也没有专设置具有过流保护功能的元器件,却能实实在在地实现过流及短路的可靠保护,而且这种保护电流的动作值可以在大范围内予以调节。这是一种没有过流保护环节却具有过流保护功能的晶闸管直流稳压器,是单结晶体管移相触发器和集成运算放大器合理组合的结果。通过这一实例可以得到一些启示:将一些元器件进行合理组合,可以产生意想不到的效果——各种元器件也都或多或少的具备这样那样的潜隐功能。从某种意义上来说,积极开发元器件潜隐功能的意义,甚至会超过开发新的元器件。这就好像将同样的文字进行新的组合,写出了另一篇意境深邃、妙趣横生的文章一样。愿本文能对传统元器件的更多新应用起到抛砖引玉的作用。