巧用TCA785构成适应宽频率范围的晶闸管触发器

摘要：介绍了一种应用TCA785及频率/电压变换器构成的三相同步电压频率自适应触发器，该触发器可自动跟踪同步输入电压频率的大范围变化。不但详细介绍了该触发器的工作原理和工作波形，而且给出了其实用效果。

关键词：TCA785；频率自适应；触发器

0 引言

　　触发器是晶闸管类电力电子设备中必不可少的单元。自从1957年晶闸管问世至今，经过近50年的研究和探索，伴随着晶闸管容量的不断增大，派生器件的日益增多，有关晶闸管触发器的研究也在不断发展，尽管如今可供电力电子行业工程技术人员使用的晶闸管触发器种类繁多，但从大的方面可把它们归纳为模拟式、数字式、数模混合式3大类。对模拟式晶闸管触发器来说，常用的又可分为正弦波同步和锯齿波同步的两大家族。采用正弦波同步的触发器，由于对同步信号幅值和正弦波的波形要求较严，如今已较少应用，而锯齿波同步的模拟式触发器在当今晶闸管电力电子设备中获得了甚为广泛的应用。然而这种触发器由于是通过恒流源对电容充电来得到锯齿波的，往往电容和恒流源输出电流在触发器制作过程中便设定为定值，当同步电压频率降低时，则锯齿波宽度增加，充电时间变长，造成锯齿波幅值增高，相反当同步电压频率升高时，锯齿波宽度变窄，充电时间变短，造成锯齿波幅值降低，因此，当移相控制电压一定时，由于同步电压频率变化，导致输出触发脉冲的控制角不相同，便很难达到稳定输出的要求,自然很难适应同步电压频率的变化，本文介绍的新型晶闸管触发器可以弥补这些不足。

1 实现适应宽频率范围触发器的关键

　　常规模拟式锯齿波同步触发器不能适应同步电压频率宽范围变化的根本原因在于，这种触发器是以恒流源给定值电容充电来形成锯齿波的，因而当同步电压频率大范围变化时，给该电容充电的时间便有较大的变化，导致了锯齿波幅值随频率变化而大幅度变化,这种触发器要适应同步电压的宽范围变化，必须保证锯齿波的宽度跟随同步电压的频率变化。要求锯齿波的幅值保持恒定，可以通过两种方法来实现：一是维持恒流源输出电流不变，而使电容的电容量跟随同步电压频率变化，当同步电压频率增加时，使电容的电容量减小，而当同步电压频率降低时，使电容的电容量增加，从而实现电压的幅值不变；另一种办法是保持电容的电容量不变，而使给电容充电的恒流源输出电流随同步电压的频率变化，当同步电压频率增加时，使该恒流源输出电流增加，而当同步电压频率降低时，使该恒流源输出电流减小。实际上要实现电容量随同步电压频率连续变化的可变电容是极为困难的，而构成输出电流随同步电压频率连续变化的恒流源却较容易，本文介绍的宽频率范围晶闸管触发器正是按后者来工作的。

2 适应宽频率范围的单相晶闸管触发器实现电路

　　图1给出了可适应宽频率范围的单相晶闸管触发器的电路原理图，从图1可知，该触发器共使用了一片LM324四运算放大器、一个LM331频率/电压变换器和一个单相晶闸管触发器集成电路TCA785,图2给出了该触发器各主要部分的工作波形,其工作原理可分析如下。

图1 可适应宽频率范围的单相晶闸管触发器的原理电路图

图2 可适应同步电压宽频率范围的单相晶闸管触发器的主要工作波形

2.1 比较器

　　图1中运算放大器(LM324的A单元)用作比较器，其作用是把正弦波同步电压与零电平比较变为同周期的方波信号，经此处理使触发器的工作与同步电压的幅值和正弦波的波形失真与否没有多大关系。

2.2 频率/电压变换器

　　LM331为标准的频率/电压及电压/频率变换器集成电路，图1中的用法为频率/电压变换器，它与运算放大器LM324的B单元一起构成精度较高、线性度很好的频率/电压变换器电路。该电路通过电容C₁把比较器A输出的方波微分成叠加有微分尖脉冲的电压信号(为了保证频率/电压变换器的分辨率，电容C₁不宜过大，且应随频率增高电容量有所减小)，LM331在内部把此频率信号转化为与同步电压频率成比例的电压信号，并从脚1输出，频率/电压变换器输出电压的高低除与同步电压的频率f_T成正比外，还与图1中的电阻R₄与电容C₂成正比，该频率/电压变换器的转换精度与电容C2的取值有关，当频率较高时，则电容C₂的取值应相应减小，否则高频段将失真，不利于提高转换的线性度。

2.3 恒流源

　　图1中运算放大器LM324的D单元构成恒流源，使用中为保证恒流源的线性度，应充分保证电阻R₁₆与R₁₇阻值不小于R₁₄与R₁₅的10倍，且R₁₄与R₁₅、R₁₆与R₁₇两两之间阻值误差要尽可能地小，只有这样才能保证锯齿波的线性度，调试时有时测得的锯齿波为下凹的，这是由于R₁₄与R₁₅或R₁₆与R₁₇两个电阻之间阻值有较大的差值造成的。

2.4 触发脉冲形成

　　图1中专用集成电路TCA785担当触发脉冲的形成环节，它的脚13接高电平则输出为窄脉冲，脉冲的宽度由脚12所接的电容C_P决定，脚11为移相电压输入端,脚5为同步电压输入端，脚15与脚14分别为对应同步电压负正半周的触发脉冲输出端，在TCA785的内部集成了给脚10外接的电容充电的恒流源，该恒流源输出电流的大小由其引脚9对接地端(引脚1)所接电阻的大小唯一决定，图1中引脚9悬空，相当于内部恒流源的输出电流为零，因而通过外部恒流源给电容CT充电形成锯齿波，这是该触发器最巧妙的地方，该锯齿波与脚11输入的移相控制电压进行比较，从而形成移相触发脉冲。图1中C₄与C₅为抗干扰电容，而整流管D₁与D₂是因为TCA785单电源工作用来削波的，也就是说TCA785单电源工作时要求的同步电压峰值为±0.7V。

2.5 锯齿波幅值调节用放大器

　　图1中LM324的C单元构成反相输入放大器，用以来对频率/电压变换器的输出电压进行放大，电位器R_P用来调节恒流源输入电压的大小，也就调整了给电容C₇充电电流的大小，进而调整了锯齿波的幅值。

　　可适应同步电压宽频率范围的单相晶闸管触发器的主要工作波形，如图2所示。

3 适应宽频率范围的三相晶闸管触发器

　　图3给出了应用图1所示的单相晶闸管触发器构成的三相晶闸管触发器的原理图，图3中为提高频率/电压转换器的分辨率，由C₁、C₂、C₃构成或门，使频率/电压变换器的输入频率相对图1提高3倍，图3中每个虚线框内的电路与图1中虚线框内的电路相同，6路双脉冲形成器集成电路KJ041在此处用来把三相6路单脉冲变换成为6路相位彼此互差60°的双窄脉冲，图4给出了图3所示的三相晶闸管触发器的工作波形图。

图3 可适应宽频率范围的三相晶闸管触发器原理图

(a)～(c)为A、B、C三相同步输入电压；

(d)～(f)为A、B、C三相比较器输出；

(g)为LM331脚6输入；

(h)～(j)为A、B、C三相TCA785脚10的同步电压；

(k)～(p)为KJ042输出的触发脉冲

图4 图3所示的三相晶闸管触发器的主要工作波形图

4 实用效果

　　图3所示的晶闸管触发器已由陕西高科电力电子有限责任公司批量生产，并已成功地应用于该公司为某研究单位核聚变模拟试验装置(HL－2A磁场电源装置)配套生产的8台晶闸管可控整流电源(容量为1000V/12kA与600V/12kA各4台)中。该晶闸管电源由采用飞轮储能的发电机供电，在供电的过程中，由于飞轮储存能量的下降，因而使发电机输出交流电压的频率在80～120Hz范围内变化,但用户负载又要求在给定控制信号一定时，输出直流电压不随交流输入电压频率而变化,因而对触发器的频率跟踪性能提出了很高的要求。

　　图5～图7分别给出了在同一移相控制电压V_k下，同步电压频率分别为50Hz、80Hz、100Hz时，同步电压(上)与同步锯齿波(中)及输出触发脉冲(下)的对应关系示图,从图5～图7可明显看出同步电压频率从50Hz到100Hz大范围变化时，同步锯齿波的幅值(9.7V)与触发控制角始终保持在相对同步锯齿波中间位置90°不变，经实测，当同步输入电压的频率在30～160Hz范围内变化时，该触发器的锯齿波幅值及同一移相给定电压下的触发脉冲相位都保持不变，完全胜任了同步电压频率的宽范围变化，更应提到的是，由于工作现场二十几台大直流电源同时运行，磁场干扰及电场干扰都极为严重，该触发器的抗干扰性能亦得到了检验。