基于单片机的晶闸管数字触发研究与实践

范 涛，彭 猛，胡 棵，向彩华，邹陆华，江世明

(邵阳学院信息工程系，湖南邵阳422000)

0 引言

晶闸管作为交流电路中功率调节元件广泛应用在工农业生产和人发生活中，晶闸管功率的调节是通过调节其导通角来实现［1］.传统的导通角控制有阻容移相触发、单结晶体管触发、专用集成电路触发等等方式，传统的改变晶闸管导通角的方法既存在元器件多、调节复杂、可靠性差等问题，又不能适应数字化控制要求.本文设计了基于单片机的数字控制晶闸管触发电路，它具有电路简单、控制精度高、安全可靠等特点，经测试，触发角控制范围是0°～180°，输出电压误差为 1.12%.

1 系统设计

1.1 系统电路原理

以单片机为控制器，以WS100T10为核心的晶闸管导通角数字控制电路原理如图1 所 示［2］.单 片 机 的 I/O 口 直 接 与WS100T10的 STB、CLK、DATA 相连，系统在程序控制下，按WS100T10工作时序写入控制字.过零检测电路将过零信号送入WS100T10的第5脚，从6脚(或7脚)输出的触发脉冲是以过零信号作为起点，通过控制字确定.

图1 基于单片机的晶闸管数字触发电路原理图Fig.1 The circuit principle diagram of the thyristor digital trigger based on microcontroller

1.2 数控晶闸管移相触发电路

WS100T10是一块晶闸管移相触发专用集成电路［3］，采用 CMOS工艺制造，具有两个独立的控制通道，应用在单相交流调压系统，引脚功能如表1所示.

表1 WS100T10的引脚功能Tab.1 Pin function of WS100T10

WS100T10的工作时序如图2所示:在STB为低电平期间，CLK为低电平时，单片机将数据送入DATA，在CLK为高电平时，DATA上的数据写入WS100T10.每个控制字对应8位二进制数，其中最高位控制触发通道，低 7位控制触发角.如控制字(0XXXXXXX)=00100100B，表示从第7脚输出触发脉冲，触发角的大小由低7位数据0100100B决定.

图2 WS100T10的工作时序图Fig.2 The timing diagram of WS100T10

下面是向WS100T10写入控制字K的程序.

1.3 过零检测信号

过零检测信号是通过如图3所示的过零检测电路得到，过零信号送到WS100T10的第5脚.

图3 过零检测电路Fig.3 Zero-crossing detection circuit

1.4 触发角

(1)触发角α与电路输出电压的关系

在理论上，对于图4所示的电路，在触发角为α时:

流过电阻上电流的有效值为［4］:

电阻两端的电压有效值为［5］:

图4 纯电阻负载时Fig.4 pure resistance load

(2)触发角α与控制字之间的关系

当处理器写给WS100T10的控制字XXXXXXX=0000000B时，输出电压为0，此时 α=180°;当控制字 XXXXXXX=1111111B时，输出电压为最大值，此时α=0°.当控制字XXXXXXX=0-7FH中的某一值 K 时，存在:α=180°-180°/K，数字量每变化 1，触发角变化 1.41°(180°/27)［3］，［6］，图5是控制字与触发角关系示意图.

图5 控制字与触发角的关系图Fig.5 Relation diagram of control words and trigger angle

2 实验与分析

按图1所示电路，负载接1KW的电阻，输入不同的数字量，测量电阻两端的电压，并与理论输出值相比较，得到表2所示的实验数据.

表2 负载情况下的测量数据表Tab.2 Measurement data table in loading

平均误差=每次的误差绝对值之和/10=2.47/10=0.0247.

相对220输出来说，输出电压的实测误差=2.47/220=1.12%

3 结论

以单片机直接写入数字量来控制晶闸管的触发角，从根本上实现了晶闸管触发角的数字控制，电路连接简单，采用光电器件将强电与弱电进行了隔离，既避免了来自电网的干扰，也增强控制系统的安全.从理论计算和实测结果看，触发角的输出电压误差为1.12%，完全能应用在工业控制中，具有应用价值.

［1］王卫兵，孙永杰，等.单片机和FPGA的可控硅触发电路的设计与实现［J］.哈尔滨理工大学学报，2009，14(3):1-4.

［2］黄俊，王兆安.电力电子技(第4版)［M］.北京:机械工业出版社，2001.

［3］WS100Tx0系列数控可控硅移相触发专用集成电路［EB/OL］.http://www.wensn.com.

［4］周长锁，网保林，等.基于单片机的单相可控硅触发电路设计［J］.电工技术，2008，(11):30-32.

［5］李文，魏学勇，赵慧敏.可控硅触发角移相定时方法探讨［J］.大连铁道学院学报，2001，22(4):37-41.

［6］刘胜，陈 娟，等.一种改进的数字晶闸管触发器［J］.长春工业大学学报(自然科学版)，2011，32(4):375-380.