基于AT89C2051的晶閘管觸發(fā)電路設(shè)計 - 全文

　　本設(shè)計詳細介紹了一種基于AT89C2051單片機的晶閘管觸發(fā)電路，具有高集成度、智能化、體積小、安全、迅速、可靠穩(wěn)定等優(yōu)點，今后必將被廣泛應(yīng)用。文中以晶閘管投切電容器為例來詳細說明觸發(fā)電路的工作原理。

　　1 觸發(fā)電路的硬件設(shè)計

　　硬件電路以ATMEL公司的AT89C2051單片機為核心，包括晶閘管過零檢測電路、控制器投切命令電路、脈沖隔離放大電路等幾部分組成，硬件框圖如圖1所示。

　　1.1 AT89C2051簡介

　　AT89C2051是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含2 k bytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器(PEROM)和128 bytes的隨機數(shù)據(jù)存儲器(RAM)，兩個16位定時/計數(shù)器，一個5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，內(nèi)置一個精密比較器，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，其軟件、硬件與MCS-51完全兼容，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，這使得其開發(fā)調(diào)試都十分方便。

　　功能強大的AT89C2051單片機提供了高度靈活和低成本的解決辦法，完全可以滿足對晶閘管觸發(fā)電路快速、準確的要求。AT89C2051硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　1)端口P1 P1口是一個8位雙向I/O口。引腳P1.2至P1.7提供內(nèi)部上拉電阻，P1.0和P1.1則需外加上拉電阻。P1.0和P1.1還分別作為片內(nèi)精密模擬比較器的同相輸入(ANI0)和反相輸入(AIN1)。

　　2)端口P3 P3口的P3.0至P3.5、P3.7是帶有內(nèi)部上拉電阻的7個雙向I/O口。P3.6用于固定輸入片內(nèi)比較器的輸出信號并且它作為一通用I/O引腳而不可訪問。

　　1.2 輔助電路的設(shè)計

　　1.2.1 晶閘管過零檢測電路

　　晶閘管投入電容器的時刻，也就是晶閘管開通的時刻，必須是電源電壓與電容器殘壓的幅值和相位相同的時刻。因為根據(jù)電容器的特性，當(dāng)加在電容上的電壓有階躍變化時，將產(chǎn)生沖擊電流，會損壞晶閘管且給所在電力系統(tǒng)帶來高頻振蕩等不利影響。所以設(shè)計了晶閘管過零檢測電路來解決殘壓測量的難題。晶閘管過零檢測電路如圖3所示。

　　當(dāng)電源電壓與電容器的殘壓相等時，晶閘管上電壓為零，光電耦合器就會輸出下降沿負脈沖至單片機INT0、INT1管腳，如果此時控制器投入指令存在，此脈沖就會經(jīng)過一系列環(huán)節(jié)，產(chǎn)生脈沖串去觸發(fā)晶閘管，保證晶閘管的導(dǎo)通，平穩(wěn)投入電容器;當(dāng)電源電壓與電容器的殘壓不相等時，晶閘管上電壓不為零，光耦導(dǎo)通，接到單片機的INT0、INT1呈高電平，在軟件中設(shè)置此種情況不產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，晶閘管呈關(guān)斷狀態(tài)。

　　1.2.2 控制器投切命令電路

　　控制器投切命令電路如圖4所示。

　　控制器是工作人員用來向觸發(fā)電路下達電容器投切命令的電路。當(dāng)工作中需要電容器投入時，控制器在J3處給晶閘管觸發(fā)電路+4V信號，光耦U3導(dǎo)通，使單片機P1.0(控制器投切ORDER命令管腳)呈高電平，通過邏輯判斷電路使得觸發(fā)脈沖得以驅(qū)動脈沖變壓器，使晶閘管導(dǎo)通，電容器投入;同理，當(dāng)需要切除電容器時，取消控制器+4 V信號，光耦關(guān)斷，ORDER管腳呈低電平，通過邏輯判斷電路屏蔽了管腳的觸發(fā)脈沖，此時無論觸發(fā)脈沖管腳輸出的何種脈沖，都不能驅(qū)動脈沖變壓器，管腳晶閘管在電流過零時自然關(guān)斷。這種設(shè)計的優(yōu)點就是可靠性高，抗干擾能力強，避免了因外部干擾或程序問題而使得晶閘管誤導(dǎo)通。

　　1.2.3 晶閘管觸發(fā)主電路

　　晶閘管觸發(fā)主電路如圖5所示。電路以AT89C2051單片機為核心，采用8 M晶振定時器工作方式。P1口用作觸發(fā)晶閘管的脈沖輸出，P3口用作晶閘管過零信號檢測。其管腳具體連接見圖5。

　　其工作過程是：當(dāng)單片機通過投切命令電路接到電容器投入指令時，P1.0 ORDER管腳會呈高電平。此時檢測電路檢測晶閘管是否過零，當(dāng)檢測到晶閘管過零時，單片機INT0、INT1管腳會觸發(fā)中斷，單片機進入脈沖中斷程序，產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，在單片機P1口輸出去驅(qū)動脈沖。

　　單片機輸出的觸發(fā)脈沖信號為高頻調(diào)制脈沖，所以脈沖變壓器采用高頻變壓器，體積小，不發(fā)熱，易安裝，二極管均采用快速二極管。工作原理是：當(dāng)單片機高頻脈沖輸出時，三極管立即進入導(dǎo)通狀態(tài)，由于電容C9的瞬間短路作用，使得脈沖變壓器的原邊得到信號為+24 V的尖峰脈沖，它可以用作晶閘管的強觸發(fā)脈沖，在C9的兩端并上電阻R30減小了高頻信號的阻抗，相當(dāng)于微分，這樣提高了信號的上升速率，加快了導(dǎo)通速度，提高觸發(fā)的可靠性。而后單片機輸出的高頻脈沖使得變壓器副邊得到持續(xù)的幅值較低的高頻調(diào)制脈沖，繼續(xù)供給晶閘管觸發(fā)脈沖，以提高電流斷續(xù)時晶閘管工作的穩(wěn)定性，同時也降低了觸發(fā)電路的功耗。

　　2 觸發(fā)電路的軟件設(shè)計

　　軟件設(shè)計采用中斷服務(wù)程序的方法。脈沖寬度和間隔采用軟件延時方法來定時。程序設(shè)計簡單，短小精悍，思路清晰。程序流程圖如圖6所示。

　　3 性能測試

　　為檢驗觸發(fā)電路的性能，設(shè)計了檢測電路。檢測電路原理圖如圖7所示。

　　實驗電路由觸發(fā)電路、一組反并聯(lián)晶閘管、一組串聯(lián)電容、DC 24 V和DC 5 V開關(guān)電源各一個連接而成。實建電路如圖8所示。其中DC 24 V電源提供觸發(fā)板工作電壓，DC 5V電源模擬控制器投切信號。為觀察方便，筆者在一個電容器上并聯(lián)了指示燈，具體如圖8所示。

　　正確連接電路，檢查無誤后打開24 V直流電源，觸發(fā)電路中L1指示燈被點亮，單片機正常工作;打開AC220 V電源，使晶閘管兩極帶電;打開5 V電源，使觸發(fā)板開始工作，此時L2、L3、L4指示燈全部被點亮，并聯(lián)電容上的指示燈也被點亮，證明觸發(fā)電路觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通。

　　用示波器觀察脈沖變壓器觸發(fā)信號如圖9所示。

　　經(jīng)觀察觸發(fā)脈沖前沿陡度達1～2 A/μs，觸發(fā)電流為晶閘管最大觸發(fā)電流的2倍，脈沖幅度足夠，電路設(shè)計十分成功。

　　4 結(jié)論

　　基于AT89C2051單片機的晶閘管觸發(fā)電路成功的實現(xiàn)了對晶閘管迅速、可靠的觸發(fā)，已成功的應(yīng)用于電力系統(tǒng)無功補償、濾波裝置中，其智能、安全、可靠的優(yōu)點通過了工業(yè)現(xiàn)場惡劣環(huán)境的檢驗，具有很好的應(yīng)用前景。