可控硅及其应用 -- 功率调节、电机调速

可控硅及其应用 -- 功率调节、电机调速


1、可控硅认知

       可控硅(SCR – Silicon Controlled Rectifier),是可控硅整流元件的简称,是一种具有三个PN结的四层结构的大功率半导体器件, 亦称为晶闸管。多用来作可控整流、 逆变、变频、调压、无触点开关等。该器件被P1N1P2N2四层三端结构元件,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。

比较全面的介绍,如百度百科或http://wenku.baidu.com  /link?url=X8IgXKbffeT5X6reMYXxr2-07fs6k9jifD1sYOX_IXgwvSUxHVnzhee5CR2JFa8f7P0rvDR9EzRMPsGLj85dWKS1eQw0o28_UCLnpJu3MN3

需要注意的是:

1-1、为什么其有"以小控大"的可控性呢?

主要了解其结构,分析其相当于一个PNP管和一个NPN管所组成电路。

1-2、单向可控硅与双向控硅的区别?

引脚定义不同,触发方式区别,单、双向导通的区别,应用范围。

1-3、双向可控硅

      特性曲线,四种触发方式,双向可以充分利用交流电的能量,应用范围更广,广泛应用于各种家用电器中,如调速风扇、空调机、电视机、组合音响、声光电路及工业控制等。我们下面也主要使用双向可控硅。

1-4、进阶: 如何控制可控硅改变平均输出功率?

过零检测,相位控制、时间比例零位控制和分配式零位控制三种控制模式的对比分析。

1-5、进阶:抗干扰电路设计

      增加浪涌吸收和抑制电路,即加设阻容吸收回路或串接电感,以避免误触发;增加高频吸收回路,即在交流电源两加设高频旁路电容,以抑制带给电源的干扰;适当增加触发电流,以降低温升;光隅隔离,在G与T1端加设一个几K的电阻,以提高抗干扰能力等。

        好,下面看两个应用。

2、可控硅应用

2-1、一个简单应用:市电AC220V的加热器

       该加热器可以调低、中、高三个档位的加热功率,不需要非常精确灵敏的控制,所以使用了较长周期的PWM来实现时间比例零位控制,电路中没有加入一些抗干扰设计(省成本),但需要可硅IC有过零检测特性,具体电路如下图1:

图1、可控硅控制加热器电路

2-2、常见应用:电机调速控制(调节平均功率)

       相位控制方式可以比较精确的控制电机速度,作用于每一个交流正弦波,改变正弦波每一个正半波和负半波的导通角来控制电压的大小,进而可以调节输出电压和功率大小。

电路分为过零检测电路和过零触发电路两部分。

         a.过零检测电路

 主要使得MCU可以检测到交流电正弦波的零电压发生时间,通过光电耦合器、三极管、比较器等方式实现;

 低成本实现过零检测:三极管b极接470K电阻,c极接10k再进MCU外部中断脚,e、b间反接一个二极管保护,可以得到周期10mS的方波。

        下面给出的是光耦实现过零检测,比较精确可靠;

         b.过零触发电路

当MCU检测到过零信号,可以通过一定延时输出来调节导通角,进而可以调节输出功率大小;

       下面给出的是带光耦隔离和高频旁路的过零触发电路。

图2、电机调速控制电路

3、总结

       可控硅在许多家电和工业控制产品中扮演着非常重要的角色,在很多不同产品应用中,有着不同的电路设计;只有对可控硅有了全面的了解,再多参考、体会前人的设计要点,才能设计出高效可靠的产品。



### 使用可控硅控制12V电热电路设计 #### 可控硅的选择与工作原理 可控硅(SCR, Silicon Controlled Rectifier)是一种具有三个端子的半导体器件,分别是阳极(A)、阴极(K)和门极(G)[^2]。当给定足够的触发脉冲到门极时,可控硅导通并允许电流通过阳极流向阴极。 对于12V直流电源下的电热应用,通常选用双向可控硅(TRIAC),因为其能够处理交流信号,在某些情况下也可以用于整流后的直流环境中。然而,为了简化讨论,这里假设使用的是专门针对低电压DC操作优化过的可控硅模块或专用驱动IC来实现对12V DC负载的有效控制。 #### 基本电路组成 基本电路主要包括以下几个部分: - **电源供应**:提供稳定的12伏特直流电作为输入源。 - **可控硅元件**:负责根据外部指令调节供给至电热的实际功率大小。 - **控制单元**:一般由微处理器如AT89C51构成,用来发送PWM波形或其他形式的时间比例调制信号给可控硅门级以调整输出占空比从而改变平均功耗水平。 ```plaintext +-------------------+ | | | AT89C51 |-----> PWM Signal ----> Controllable SCR Gate Input | (Microcontroller) | /\ | | / \ +----------+--------+ / \ | / \ GND A K +---------+ | | Load(Heating Wire) | | --------- - Power Supply (+12V) ``` 在这个简单的框图里,微控制器产生的PWM信号被传递给了连接着加热电阻两端的一个适当类型的可控硅装置上;而后者则依据接收到的具体参数决定何时开启/关闭通道以便精确管理施加于发热体上的能量强度。 #### 控制策略实施细节 考虑到安全性和效率因素,建议采取如下措施确保系统的稳定运行: - 实现过温保护机制防止意外损坏; - 设计合理的散热方案维持设备长期工作的可靠性; - 应用PID算法优化温度反馈回路性能提升响应速度和平稳度[^3]。
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