简单可控硅相位控制电路的探索

在可控硅相位控制电路中，可控硅只在交流半周期的特定部分触发，导致负载仅在交流波形的这段时间内运行。这就产生了对负载的受控电源。

可控硅通常被用作固态继电器的替代品，用于开关大功率交流负载。然而，双向可控硅还有另一个非常有用的特性，它可以用作功率控制器，用于在需要的特定功率水平上控制给定负载。

这基本上是通过两种方法来实现的:相位控制和零电压开关。

相位控制应用通常适用于负载，如调光器，电动机，电压和电流调节技术。

零电压开关更适用于不稳定负载，如白炽灯、加热器、烙铁、间歇泉等。虽然这些也可以通过相位控制方法来控制。

可控硅相位控制是如何工作的

可控硅可以在交流半周期的任何部分被触发激活，它将继续处于导电模式，直到交流半周期达到过零线。

这意味着，当可控硅在每个交流半周期开始时被触发，可控硅本质上就会像ON/OFF开关一样打开。

然而，假设这个触发信号是用在交流周期波形的中途，可控硅将被允许进行简单的剩余的半周期。

而且因为双向可控硅激活仅在一半的时间内，它按比例减少了约50%的电力供应给负载(图1)。

因此，只需改变交流相位波形上可控硅触发点，负载的功率就可以控制在任何期望的水平。这就是使用可控硅的相位控制工作原理。

光衰减器应用程序

一个标准调光电路如图2所示。在每个交流半周期的过程中，0.1µf电容被充电(通过控制电位器的电阻)，直到电压水平30-32是达到其pinout。

在这个水平附近，触发二极管(diac)被迫触发，导致电压通过触发器的可控硅门。

一个霓虹灯也可以被用来代替双向开关二极管对于相同的响应。0.1µf电容充电到diac触发阈值所用的时间取决于控制电位器的电阻设置。

现在假设电位计是调整到零电阻，将导致电容器立即充电到diac的点火水平，这将反过来导致进入传导几乎整个交流半周期。

另一方面，当电位器调整到它的最大电阻值时，可能会引起电容器在半个周期几乎到达终点时才充电到开火水平。这将允许

当交流波形通过其半周期的末端时，可控硅只能导电很短的时间。

虽然上面演示的调光电路确实是简单和低成本的建设包括一个重要的限制-它不允许从零到最大负载上的功率平滑控制。

当我们旋转电位器时，我们可能会发现负载电流从零突然上升到某个较高的电平，而只有在较高或较低的电平中，负载电流才能平稳运行。

在交流电源被短暂切断的情况下，灯的照度低于这个“跳跃”(迟滞)水平，即使电源最终恢复，灯仍然是关闭的。

如何减少滞后

这磁滞效应可以通过实现图3所示电路的设计来大幅降低。

这个电路的工作原理非常好家庭灯调光器．所有的部件都可以安装在墙上的开关板后面，如果负载刚好低于200瓦，可控硅可以不依赖散热器工作。

在管弦乐队和剧院中使用调光器时，几乎100%无迟滞是必要的，以使灯具的照明控制保持一致。这个特性可以通过使用下图4所示的电路来实现。

选择可控硅电源

白炽灯泡在灯丝达到工作温度时，会产生难以置信的大电流。这开关浪涌电流可能超过可控硅额定电流约10至12倍。

幸运的是，家用灯泡能够在几个交流周期内达到它们的工作温度，这段短暂的高电流很容易被可控硅吸收，没有任何问题。

然而，这种情况可能与戏剧照明场景不同，在这种场景中，瓦数更大的灯泡需要更长的时间才能达到工作温度。对于这种类型的应用，可控硅的额定负载必须至少是典型最大负载的5倍。

可控硅相位控制电路中的电压波动

到目前为止显示的每一个可控硅相位控制电路都是电压相关的-意思是，它们的输出电压随输入电源电压的变化而变化。这种对电压的依赖可以通过使用齐纳二极管来消除，齐纳二极管能够稳定并保持通过定时电容的电压常数(图4)。

这种设置有助于保持几乎恒定的输出，不管任何重大变化的市电交流输入电压。它经常被发现在摄影和其他应用中，高度稳定和固定水平的光变得至关重要。

荧光灯控制

参考到目前为止所解释的所有相位控制电路，白炽灯无需对现有的家庭照明系统进行任何额外的更改即可进行操作。

通过这种可控硅相位控制也可以调光荧光灯。当卤素灯的外部温度降至2500℃以下时，再生卤素循环不再运行。

这可能导致钨丝沉积在灯的墙上，减少了钨丝的寿命，也限制了通过玻璃的照明。图5显示了一种经常与上面讨论的一些电路一起使用的调整

这种装置在夜幕降临时打开灯，在黎明时又把灯关掉。光电池必须能看到周围的光，但要与被控制的灯隔开。

电机速度控制

可控硅相位控制还可以使您调整电动机转速．一般的串励电动机可以通过类似于用于调光的电路来控制。

然而，为了保证可靠的换向，一个电容和串联电阻需要在可控硅并联(图6)。

通过这种设置，电机的速度可以随着负载和供电电压的变化而变化，

然而，对于不重要的应用(例如风扇速度控制)，负载在任何给定速度下都是固定的，电路不需要任何改变。

电机速度通常在预先编程时保持恒定，即使在负载条件变化时也是如此，这对电动工具、实验室搅拌器、制表车床、陶工车轮等很有帮助。为了实现这种“负载传感”特性，可控硅通常包含在半波结构中(图7)。

电路在一定范围内运行得相当好电机转速范围虽然可能容易受到低速“打嗝”和半波工作规则抑制稳定运行非常高于50%的速度范围。图8显示了一个负载敏感相位控制电路，其中可控硅提供完全零到最大控制。

感应电动机转速控制

感应电动机速度也可以使用可控硅控制，尽管您可能会遇到一些困难，特别是如果涉及分相或电容启动电机。通常情况下，感应电机可以控制在全速和半速之间，考虑到这些不是100%负载。

电机的温度可以作为一个相当可靠的参考。在任何速度下，温度都不能超过制造商的规格。

同样，可以采用上图6所示的改进的调光电路，但负载必须连接在虚线所示的备用位置

通过相位控制改变变压器电压

上面解释的电路也可以用来调节变压器初级侧绕组内的电压，从而获得可变速率的二次输出。

本设计已应用于各种显微镜灯控制器中。通过用100k电位器改变47K电阻器提供了一个可变零设置。

控制加热负载

到目前为止所讨论的各种可控硅相位控制电路可以用于控制加热器类型的负载，尽管被控制的负载温度可能会随着输入交流电压和周围温度的变化而变化。图10演示了一种补偿这种变化参数的电路。

假设这个电路可以保持温度稳定到预定点的1%以内，不管交流线路电压的变化为+/-10%。精确的整体性能可能取决于应用控制器的系统的结构和设计。

这个电路提供了一个相对控制,也就是说,总功率了热负荷随着负载的开始热身,然后在中途点,通过衡量比例的降低之间的差异的实际温度加载和预定的负载温度。

比例范围是可变的通过“增益”控制。该电路简单而有效，但它有一个显著的缺点，这限制了它的使用基本上较轻的负载。这个问题是关于由于可控硅相位截断而产生的严重无线电干扰的发射。

相位控制系统中的射频干扰

所有可控硅相位控制装置都会产生大量的射频干扰(射频干扰或RFI)。这基本上发生在较低和中等频率。

无线电频率发射被附近所有的中波收音机甚至是音频设备和放大器强烈地接收到，产生一种恼人的响亮的铃声。

这种射频干扰也可能影响研究实验室设备，特别是pH计，导致计算机和其他类似的敏感电子设备无法预测功能。

一个可行的补救措施，以减少射频电感串联电源线(在电路中表示为L1)。一个适当尺寸的扼流圈可以通过在一个小铁氧体棒或任何铁氧体铁芯上缠绕40到50匝的超级漆包线来建造。

这可能会引入一个近似的电感。100 uH在很大程度上抑制了RFI振荡。对于增加的抑制，可能有必要最大限度地增加匝数，使之尽可能高，或电感高达5h。

射频扼流圈的缺点

这种基于射频线圈的可控硅相位控制电路的缺点是必须根据扼流线的厚度来考虑负载的瓦数。对于负载是有意在千瓦范围，然后射频扼流圈线必须足够厚，导致线圈的大小显著增加和笨重。

射频噪声与负载功率成正比，因此更高的负载可能导致更高的射频发射，需要更好的抑制电路。

这个问题可能没有那么严重电感负载比如电动机，因为在这种情况下，负载绕组本身会衰减RFI。可控硅相位控制还涉及到一个额外的问题-那就是负载功率因数。

负载功率因数可能会受到负面影响，是电源稳压器非常重视的问题。