CN101729050B - 可控硅驱动电路、装置及其控制方法 - Google Patents

可控硅驱动电路、装置及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种可控硅驱动电路，包括驱动单元、受所述驱动单元控制的可控硅、为所述驱动单元提供驱动信号的控制单元以及为所述控制单元提供电力的直流电源，所述直流电源是由交流电通过阻容降压后全波整流而得到直流电压的直流电源，所述控制单元的一个引脚直接连接在所述全波整流的一个交流输入端，取得交流的过零检测信号。本发明还涉及一种可控硅驱动装置及驱动方法。实施本发明的可控硅驱动电路、装置及其控制方法，具有以下有益效果：由于在阻容降压的电源的情况下，采用了全桥式整流，所以在采用同样参数的阻容降压的条件下其带负载能力较强，并可以减小阻容降压器件的参数，节省能源；同时由于其过零检测电路较为简单，因此其成本较低。

Description

可控硅驱动电路、装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及电路领域，更具体地说，涉及一种可控硅驱动电路及其控制方法。
背景技术
在现有应用到可控硅的行业领域里，特别是小家电产品行业领域，由于成本及体积的限制，通常都是采用阻容降压电源。但当采用阻容降压电源电路时，为了实现可控硅的驱动，通常采用半桥整流式的阻容降压电源电路(因为可控硅的驱动一般需要将电源线L与VCC连接在一起，半桥电路能实现这一点)。这种电路的缺点是：220V的交流市电经过电容和电阻降压后，对于支撑整个控制系统工作所需要的电源来说，交流市电只有半个周期是有效的，在应用相同容量的电容条件下，如果采用全桥电路，电源的带载能力将增加一倍，这样原来的电容的容量和体积都减小到原来的一半，整个电路的待机功耗也降减小到原来的一半；此外，半桥式阻容电源电路驱动可控硅的方案的另一个缺点是其过零检测电路较为复杂，成本较高。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述带负载能力差、成本较高的缺陷，提供一种带负载能力强、成本较低的可控硅驱动电路、装置及其控制方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种可控硅驱动电路，包括驱动单元、受所述驱动单元控制的可控硅、为所述驱动单元提供驱动信号的控制单元以及为所述控制单元提供电力的直流电源，所述直流电源是由交流电通过阻容降压后全波整流而得到直流电压的直流电源，所述控制单元的一个引脚直接连接在所述全波整流的一个交流输入端，取得交流的过零检测信号。
在本发明所述的可控硅驱动电路中，所述直流电源的阻容降压元件串接在所述交流电相线上、其位于所述全波整流的交流相线输入端之前；所述控制单元的交流过零检测端连接在所述全波整流的交流零线输入端。
在本发明所述的可控硅驱动电路中，所述控制单元包括单片机或可编程逻辑器件或可编程控制器或工控机，所述单片机或可编程逻辑器件或可编程控制器或工控机通过其输入/输出端口与所述驱动单元及所述交流零线输入端连接。
在本发明所述的可控硅驱动电路中，所述可控硅包括单向可控硅或双向可控硅，所述驱动单元包括一个或两个三极管或二极管；所述控制单元与所述驱动单元通过一个或两个输出端口连接。
在本发明所述的可控硅驱动电路中，所述控制单元和所述驱动单元通过一个输出端口连接，所述驱动单元包括晶体管TR1、晶体管TR2、电阻R4和电阻R5，所述晶体管TR1为PNP晶体管，其发射极与所述直流电源的直流电压输出端连接，其集电极与NPN型晶体管TR2的集电极连接，所述晶体管TR2的发射极接地，所述晶体管TR1、晶体管TR2的基极并接后通过所述电阻R4与所述输出端口连接，所述电阻R5的一端连接在所述可控硅控制极上，另一端与所述晶体管TR1、晶体管TR2的集电极连接。
在本发明所述的可控硅驱动电路中，所述控制单元和所述驱动单元通过两个输出端口连接，所述驱动单元包括晶体管TR1、晶体管TR2、电阻R4、电阻R5和电阻R6，所述晶体管TR1为PNP晶体管，其发射极与所述直流电源的直流电压输出端连接，其集电极与NPN型晶体管TR2的集电极连接，所述晶体管TR2的发射极接地，所述电阻R5的一端连接在所述可控硅控制极上，另一端与所述晶体管TR1、晶体管TR2的集电极连接，所述晶体管TR1的基极通过电阻R4与一个输出端口连接，所述晶体管TR2的基极通过电阻R6与另一个输出端口连接。
本发明还涉及一种装置，包括可控硅驱动电路，所述可控硅驱动电路为上述任意一项所述的可控硅驱动电路。
本发明还涉及一种可控驱动方法，一种可控硅驱动方法，该方法用于阻容降压电源供电的情况，包括如下步骤：A)通过将控制单元的一个引脚直接连接在所述全波整流的一个交流输入端，取得交流电的过零信号；
B)由所述交流的过零信号得到交流电实际状态，依据所述交流电实际状态，输出相应的驱动信号到可控硅驱动单元，控制所述可控硅导通。
在本发明所述的可控硅驱动方法，所述步骤A)中判断所述交流电状态是判断所述交流电处于其正半周还是处于其负半周。
在本发明所述的可控硅驱动方法，所述交流电实际状态开始时间为所述交流电的过零时间加上延迟时间；所述延迟时间与所述阻容降压的器件参数相关。
实施本发明的可控硅驱动电路、装置及其控制方法，具有以下有益效果：由于在阻容降压的电源的情况下，采用了全桥式整流，所以在采用同样参数的阻容降压的条件下其带负载能力较强，并可以减小阻容降压器件的参数，节省能源；同时由于其过零检测电路较为简单，因此其成本较低。
附图说明
图1是本发明可控硅驱动电路、装置及其控制方法第一实施例中驱动电路的电路图；
图2是所述第一实施例中过零信号与交流电的关系图；
图3是所述第一实施例方法流程图；
图4是本发明第二实施例的电路图；
图5是本发明第三实施例的电路图；
图6是本发明第四实施例的电路图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明实施例作进一步说明。
如图1所示，在本发明的第一实施例中，该可控硅驱动电路包括驱动单元、受所述驱动单元控制的可控硅、为所述驱动单元提供驱动信号的控制单元以及为所述控制单元提供电力的直流电源，所述直流电源是由交流电通过阻容降压后全波整流而得到直流电压的直流电源，所述控制单元的交流过零检测端直接连接在所述全波整流的一个交流输入端。所述直流电源的阻容降压元件串接在所述交流电相线上、其位于所述全波整流的交流相线输入端之前。所述控制单元的交流过零检测端连接在所述全波整流的交流零线输入端。具体而言，交流电由两个交流输入端CN1、CN2输入，负载LOAD与可控硅Q1的开关端串联后并接在上述两个交流输入端CN1、CN2上。交流输入端的相线端(即CN1)通过保险管FUSE及阻容降压后连接到桥式整流的一个交流端，交流输入端的零线端(即CN2)直接连接到上述桥式整流的另一个交流端，上述桥式整流的直流端输出的直流电压通过稳压、滤波而得到直流电源电压。在本发明第一实施例中，上述控制单元是单片机，通过其I/O接口与外接的各部件相连，例如上述的驱动单元及交流零线端。当然，在其他实施例中，该控制单元也可以不是单片机，例如也可以是可编程逻辑器件(PLD)、可编程控制器(PLC)或工控机等等。虽然单片机有些不足之处，但是，其成本低，使用灵活，并且其开发周期较短。
在第一实施例中，所述控制单元和所述驱动单元通过一个输出端口连接，所述驱动单元包括晶体管TR1、晶体管TR2、电阻R4和电阻R5，所述晶体管TR1为PNP晶体管，其发射极与所述直流电源的直流电压输出端连接，其集电极与NPN型晶体管TR2的集电极连接，所述晶体管TR2的发射极接地，所述晶体管TR1、晶体管TR2的基极并接后通过所述电阻R4与所述输出端口连接，所述电阻R5的一端连接在所述可控硅控制极上，另一端与所述晶体管TR1、晶体管TR2的集电极连接。
在图1中，当CN1的电压高于CN2的电压时，为交流市电的正半周，反之为负半周。当市电正半周输入时，电流由交流相线端CN1经过保险管FUSE、电容C1、电阻R1、整流二极管D1、稳压二极管Z1和整流二极管D4流回交流零线端CN2。此时的整流二极管D4阴极断电压为-0.7V(相对于控制系统的地)。当市电负半周输入时，电流由交流零线端CN2经过D2、Z1、D3、R1、C1和FUSE流回交流相线端CN1，此时D4的阴极电压为VCC+0.7V，也就是说D4的阴极电压波形是与市电同频率的方波，正半周为-0.7，负半周时为VCC+0.7V，在本实施例中，正是利用这点来实现可控硅在全桥下驱动的。当市电正半周输入时，I/O1输出低电平(I/O1的输出由单片机通过软件来控制)，三极管TR1导通，由于此时D4的阴极电压为-0.7V(与CN2同电压)，所以可控硅Q1的驱动电流由VCC经过TR1、R5和Q1流回CN2，从而使Q1导通，当市电负半周输入时，I/O1输出高电平，三极管TR2导通，由于此时D4的阴极电压为VCC+0.7V(与CN2同电压)，所以可控硅Q1的驱动电流由CN2经过Q1、R5和TR2和流到系统的地，从而使Q1导通。此外，在图1中，还将二极管D4的阴极直接接到单片机的I/O2口上，整流二极管D2和D4另一个作用是箝位，保护单片机的I/O2口，因此可以直接将整流二极管D4的阴极接到单片机的I/O2上，用来检测市电的正、负半周输入，其作用相当于过零检测电路，可以看到在本实施例中，除了电源电路外，不再需要任何其他器件就可以实现过零检测，相对于现有的过零检测电路来说，成本大大降低了。当I/O2检测到是正半周输入时，如果此时需要导通Q1，单片机就输出低电平给I/O1来使Q1导通，当I/O2检测到市电是负半周输入时，如果此时需要导通Q1，单片机就输出高电平给I/O1来使Q1导通，无论市电是正半周输入，还是负半周输入时，如果不需要导通Q1时，就将单片机的I/O1口置为高阻状态，使TR1和TR2都不导通，从而实现关断Q1的目的。
在实际使用过程中，由于电容C1、C2和C3的存在，导致I/O2处的过零信号超前交流市电一定的时间，在本实施例中这个超前时间为3.3mS，图2所示的过零信号与交流市电的关系图。从图2所示可知，当过零信号刚开始变为低电平时(单片机认为检测到了正半周时)，实际上市电并不是正半周，还需要再经过上述超前时间交流市电才真正进入了正半周，在本实施例中这个超前时间为3.3mS；在交流电负半周的情况与上述正半周的情况一样，其交流电同样滞后上述过零检测信号3.3mS。
图3示出了本实施例中对可控硅控制的流程图，在图3中，流程控制是针对可控硅全导通来说的，当需要斩波导通时，假设需要斩波时的导通角为τ，只需要在图3所示流程中限定T＞3.3+τmS，即可实现斩波导通，从而应用到需要调节功率或转速的产品中，但是要注意τ的范围只能在0-6.7mS内选取(这是由于过零信号超前所致，原因不详述)；当需要大导通角时(0-10mS)，实际是需要减小负载两端的电压，因此可以通过丢波来补偿，就是在需要大导通角时，把某个周期或半周期的市电关掉来达到减小加在负载两端的电压目的。
在图3中本实施例方法中包括如下步骤：
步骤S11主程序：在本步骤中，单片机执行其主程序，这与其他作控制用途的单片机没有差别。
步骤S12是否要导通Q1？判断是否需要可控硅Q1导通，如果需要，执行步骤S14；否则执行步骤S13。
步骤S13将I/O1口置为高阻状态使Q1关断：在本步骤中，由于判断不需要使得可控硅Q1导通，因此，将本实施例中与可控硅Q1的驱动电路连接输入输出端口I/O1设置为高阻状态使得可控硅Q1关断，并返回步骤S11。
步骤S14正半周？在本步骤中，由于判断需要控制可控硅Q1导通，因此，判断交流电的当前状态，即判断其是否处于正半周，如果是，执行步骤S15；如果不是，则判为其处于负半周，执行步骤S18。
步骤S15计时T：在本步骤中，启动单片机中的计数器开始计时。
步骤S16T＞3.3mS？判断计时是否超过3.3mS，如未超过，返回步骤S15，继续计时；否则，执行步骤S17。
步骤S17将I/O1口输出1mS低电平脉冲使Q1导通：在本步骤中，单片机在上述输入输出端口I/O1上输出低电平脉冲，该脉冲持续时间为1mS，使得可控硅Q1在交流电正半周内导通，之后，返回步骤S14。
步骤S18计时T：在本步骤中，启动单片机中的计数器开始计时。
步骤S19T＞3.3mS？判断计时是否超过3.3mS，如未超过，返回步骤S18，继续计时；否则，执行步骤S20。
步骤S20将I/O1口输出1mS高电平脉冲使Q1导通：在本步骤中，单片机在上述输入输出端口I/O1上输出高电平脉冲，该脉冲持续时间为1mS，使得可控硅Q1在交流电负半周内导通，之后，返回步骤S14。
在第一实施例中，还包括一种装置，该装置包括可控硅驱动电路，该可控硅驱动电路正好是前面所述的可控硅驱动电路。
图4示出了本发明第二实施例的可控硅驱动电路图，第二实施例在当单片机的I/O口不能置为高阻状态时，采用的方案。在第二实施例中，所述控制单元和所述驱动单元通过两个输出端口连接，所述驱动单元包括晶体管TR1、晶体管TR2、电阻R4、电阻R5和电阻R6，所述晶体管TR1为PNP晶体管，其发射极与所述直流电源的直流电压输出端连接，其集电极与NPN型晶体管TR2的集电极连接，所述晶体管TR2的发射极接地，所述电阻R5的一端连接在所述可控硅控制极上，另一端与所述晶体管TR1、晶体管TR2的集电极连接，所述晶体管TR1的基极通过电阻R4与一个输出端口连接，所述晶体管TR2的基极通过电阻R6与另一个输出端口连接。即在第二实施例中，使用双I/O口的驱动方式，当需要关断可控硅的时候，可以将输入输出端口I/O1置为高电平，同时将输入输出端口I/O3置为低电平，从而实现关断可控硅。除上述不同之处，第二实施例与第一实施例大致相同。
图5是本发明第三实施例中，在本发明第三实施例中，需要控制的是单向可控硅。图5中电路的工作原理是当单片机的输入输出端口I/O2口检测到交流市电是正半周输入的时候，将输入输出端口I/O1口置为高电平，单向可控硅的驱动电流由输入输出端口I/O1经过二极管D5、电阻R6和单向可控硅Q2流回到交流零线端CN2，从而使单向可控硅Q2导通，当需要关断单向可控硅Q2的时候，将输入输出端口I/O1置为低电平即可。除上述不同之处，第三实施例与第一实施例大致相同。
图6是本发明第四实施例，用于当单片机的输入输出端口I/O的输出电流满足可控硅的驱动电流时。图6中电路的工作原理是当输入输出端口I/O2检测到市电是正半周输入时，如果此时需要导通可控硅Q1，单片机就输出高电平给输入输出端口I/O1来使可控硅Q1导通，当输入输出端口I/O2检测到市电是负半周输入时，如果此时需要导通可控硅Q1，单片机就输出高电平给输入输出端口I/O3来使可控硅Q1导通，无论市电是正半周输入，还是负半周输入时，如果不需要导通可控硅Q1时，就将单片机的输入输出端口I/O1和输入输出端口I/O3口都置为低电平，从而关断可控硅Q1。除上述不同之处，第四实施例与第一实施例大致相同。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种可控硅驱动电路，包括驱动单元、受所述驱动单元控制的可控硅、为所述驱动单元提供驱动信号的控制单元以及为所述控制单元提供电力的直流电源，其特征在于，所述直流电源是由交流电通过阻容降压后全波整流而得到直流电压的直流电源，所述控制单元的一个引脚直接连接在所述全波整流的一个交流输入端，取得交流的过零检测信号。
2.根据权利要求1所述的可控硅驱动电路，其特征在于，所述直流电源的阻容降压元件串接在所述交流电相线上、其位于所述全波整流的交流相线输入端之前；所述控制单元的交流过零检测端连接在所述全波整流的交流零线输入端。
3.根据权利要求2所述的可控硅驱动电路，其特征在于，所述控制单元包括单片机或可编程逻辑器件或可编程控制器或工控机，所述单片机或可编程逻辑器件或可编程控制器或工控机通过其输入/输出端口与所述驱动单元及所述交流零线输入端连接。
4.根据权利要求3所述的可控硅驱动电路，其特征在于，所述可控硅包括单向可控硅或双向可控硅，所述驱动单元包括一个或两个三极管或二极管；所述控制单元与所述驱动单元通过一个或两个输出端口连接。
5.根据权利要求4所述的可控硅驱动电路，其特征在于，所述控制单元和所述驱动单元通过一个输出端口连接，所述驱动单元包括晶体管TR1、晶体管TR2、电阻R4和电阻R5，所述晶体管TR1为PNP晶体管，其发射极与所述直流电源的直流电压输出端连接，其集电极与NPN型晶体管TR2的集电极连接，所述晶体管TR2的发射极接地，所述晶体管TR1、晶体管TR2的基极并接后通过所述电阻R4与所述输出端口连接，所述电阻R5的一端连接在所述可控硅控制极上，另一端与所述晶体管TR1、晶体管TR2的集电极连接。
6.根据权利要求4所述的可控硅驱动电路，其特征在于，所述控制单元和所述驱动单元通过两个输出端口连接，所述驱动单元包括晶体管TR1、晶体管TR2、电阻R4、电阻R5和电阻R6，所述晶体管TR1为PNP晶体管，其发射极与所述直流电源的直流电压输出端连接，其集电极与NPN型晶体管TR2的集电极连接，所述晶体管TR2的发射极接地，所述电阻R5的一端连接在所述可控硅控制极上，另一端与所述晶体管TR1、晶体管TR2的集电极连接，所述晶体管TR1的基极通过电阻R4与一个输出端口连接，所述晶体管TR2的基极通过电阻R6与另一个输出端口连接。
7.一种装置，包括可控硅驱动电路，其特征在于，所述可控硅驱动电路为如权利要求1-6任意一项所述的可控硅驱动电路。
8.一种可控硅驱动方法，该方法用于阻容降压电源供电的情况，其特征在于，包括如下步骤：
A)通过将控制单元的一个引脚直接连接在所述全波整流的一个交流输入端，取得交流电的过零信号；
B)由所述交流的过零信号得到交流电实际状态，依据所述交流电实际状态，输出相应的驱动信号到可控硅驱动单元，控制所述可控硅导通。
9.根据权利要求8所述的可控硅驱动方法，其特征在于，所述步骤A)中判断所述交流电状态是判断所述交流电处于其正半周还是处于其负半周。
10.根据权利要求9所述的可控硅驱动方法，其特征在于，所述交流电实际状态开始时间为所述交流电的过零时间加上延迟时间；所述延迟时间与所述阻容降压的器件参数相关。
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