誤差放大器改為集成運算放大器 實現(xiàn)晶閘管直流穩(wěn)壓器短路保護

盡管功率場效應VDMOS 和絕緣柵雙極型晶體管IGBT等電力半導體元器件層出不窮，且在電力電子技術(shù)領(lǐng)域占據(jù)重要位置，晶閘管（可控硅） 卻因耐高壓耐大電流沖擊的特性，仍有著穩(wěn)固的陣地，受到用戶的青睞。在擯棄電流采樣、放大和執(zhí)行等多個環(huán)節(jié)的情況下，將單結(jié)晶體管移相觸發(fā)器中的晶體管誤差放大器改為集成運算放大器，就可實現(xiàn)晶閘管直流穩(wěn)壓器的過流及短路保護，簡化了電路結(jié)構(gòu)，并提高了整機的穩(wěn)定可靠性能和AC - DC變換效率。

工作原理

誤差放大器采用集成運放的晶閘管直流穩(wěn)壓器的控制電路如圖1 所示。被控主電路（圖中未畫） 是三相半控整流橋，再經(jīng)LC 平滑濾波器，輸出+ 12. 8 V 平滑直流電壓。三相半控整流橋中的三個晶閘管，分別由圖示控制電路中的脈沖變壓器T2a 、T2b和T2c來觸發(fā)。推動這三個脈沖變壓器的三個移相觸發(fā)電路是完全相同的，且共用一個誤差放大器及其電壓采樣電路。為避免重復和繁瑣，圖中僅示出B 相的移相觸發(fā)器電路， A 相和C 相電路則用虛線概括。

移相觸發(fā)器電路仍沿用傳統(tǒng)的單結(jié)晶體管式移相觸發(fā)器。即當二極管VD3 陰極電壓升高時，流過晶體管VT2 的電流（即電容C1 的充電電流） 減小，單結(jié)晶體管VT1 輸出的脈沖電壓后移，晶閘管導通角減小，輸出電壓減小。當VD3 管陰極電壓下降時，VT2 管中電流增大，C1 充電速度加快，VT1 管輸出脈沖電壓前移，晶閘管導通角增大，輸出電壓也增大。但VT2 管中的最大電流是受電阻R3 阻值制約的，不可能無限制地增大，即晶閘管的最大導通角將由R3 鎖定在小于180°大于0°的某個數(shù)值上。

將晶體管誤差放大器更換為運算放大器式的誤差放大器，電路結(jié)構(gòu)將簡化，且放大倍數(shù)方便可調(diào)，容易制成比例積分微分調(diào)節(jié)器（PID） ，使調(diào)壓系統(tǒng)的動態(tài)特性更趨完美合理。VD2 管將C2 的平滑直流電壓與移相觸發(fā)器上的同步梯形波電壓隔離開來。當來自主電路的+ 12. 8V 輸出電壓發(fā)生變化時，取樣電位器RP 上的電壓也成比例變化，從而使運放N 的同相輸入端3 腳電壓相應變化，輸出端6 腳電壓按放大倍數(shù)變化，最終導致晶閘管輸出電壓產(chǎn)生相反方向的變化，平衡主電路輸出端的變化，保持了輸出電壓的穩(wěn)定。

當主電路輸出端出現(xiàn)過流或短路時，輸出電壓至少會產(chǎn)生較大下跌。而R3 的阻值又限制了晶閘管的最大導通角度，即使晶閘管已達到這個最大導通角，仍然無法補償過電流在主電路上產(chǎn)生的壓降，使主電路輸出端+ 12. 8 V 電壓嚴重下跌（短路時電壓為0V） 。這樣運放N 同相輸入端3 腳電壓就低于反相輸入端2 腳，于是輸出端6 腳輸出超低電壓，較大電流流過R3 ，VT2管集電極電壓就會低于單結(jié)晶體管VT1 的峰點電壓，VT1 管不能產(chǎn)生振蕩脈沖，主電路中的三個晶閘管也就無法導通，實現(xiàn)了過流（短路） 保護。與此同時，蜂鳴器HA 鳴叫，發(fā)光二極管VL 點亮，以聲光的形式告知操作人員：此時已處于過流（短路） 保護狀態(tài)。

負載故障排除后，按一下恢復按鈕SA ，C2上的直流電壓通過電阻R7 重新使運放N 的3 腳電壓高于2腳，6腳再次輸出較高電壓，晶閘管恢復導通， + 12. 8V的輸出電壓恢復正常。電容C3 為啟動電容，開機瞬間若無C3 ，主電路尚無直流電壓輸出，運放N 的3 腳電壓為零，而2 腳電壓高于7 V 以上，故輸出端6 腳電壓很低（約為2V） ，電容C1 上電壓達不到VT1 單結(jié)晶體管的峰點電壓，VT1 管無脈沖電壓輸出，晶閘管不能導通，主電路輸出端就會—直處于零電壓狀態(tài)。設(shè)置C3 后， 開機瞬間同步電壓通過VD2 管對C3 充電，在RP 和R11產(chǎn)生高于運放N 的2 腳電壓，6 腳即輸出較高電壓，使主電路輸出端輸出+12. 8 V 的直流電壓。

不難看出，該電路與集電極輸出式晶體管直流穩(wěn)壓器有相似之處，但該電路更優(yōu)越——僅用一個電容就能自行啟動，且絲毫不影響穩(wěn)壓性能。

電路調(diào)試

該電路與主電路聯(lián)通調(diào)試時，不妨將電阻R3 的阻值換大些，然后將主電路輸出端負載逐漸加大。如果加至設(shè)定保護電流值以下的某個電流時輸出電壓突然降為零，這說明過流保護功能已開始實施，只是實施得過早了些。這時可將R3阻值減小一些，繼續(xù)如前進行加載實驗，此時的保護電流動作值應比上次大了一些。繼續(xù)減小R3 阻值，直至達到設(shè)定保護電流時實施保護為止。R3 阻值確認后，當采用相同阻值的固定電阻器取代，盡量不用電位器，以免其阻值調(diào)亂而喪失或過早實施過流（短路） 保護功能，妨礙穩(wěn)壓器的正常應用。

眾所周知，單結(jié)晶體管型觸發(fā)器的觸發(fā)功率并不很大，本文所述的應用電路用來觸發(fā)三相半控晶閘管橋式整流器，其晶閘管規(guī)格為100A ，使+ 12.8V 穩(wěn)壓器輸出電流可達180A ，超過180A 時，潛隱的過流（短路） 保護功能顯現(xiàn)———單結(jié)晶體管VT1 失去振蕩脈沖，三個晶閘管截止。主電路中的三相電源變壓器（圖中未畫出） 的容量和額定電壓值決定了待保護電流動作值的上限，至于上限之下為何值動作，那就要由電阻R3 的阻值大小來決定。實際上，單結(jié)晶體管VT1 和三極管VT2 的相關(guān)參數(shù)—如分壓比、峰點電壓、谷點電壓、電流放大倍數(shù)等，是與R3 阻值一起，共同來確定保護電流動作值的，不過VT1 和VT2 管參數(shù)的離散性較大，一般只用調(diào)整R3 阻值大小的方法來確定保護電流的動作值，這樣更方便更經(jīng)濟。這就不難理解：為什么同一型號同一規(guī)格的穩(wěn)壓器會出現(xiàn)不同的R3 阻值了。對同一臺穩(wěn)壓器而言，三個觸發(fā)器中的單結(jié)管VT1 、三極管VT2 和電阻R3 的參數(shù)值應分別保持一致，以確保三個晶閘管導通角的一致（對稱） 性以及最佳紋波系數(shù)。

考慮到穩(wěn)壓器對輸出電壓的紋波系數(shù)有—定要求，而且濾波電感不可能定得太大，輸出直流電壓的可控范圍也就不宜定得過寬，在供電電壓下限且輸出額定電流時，輸出額定電壓（如+ 12. 8 V） 上下有少許調(diào)節(jié)余量即可，這就要求制作者必須設(shè)計好三相電源變壓器副邊繞組。然后，在調(diào)試中調(diào)整電阻R3 和電位器RP 阻值，以最終滿足預期的輸出特性的要求。盡管本文繪出的僅是一個具體的實用電路，但該電路形式及其工作原理適用于所有移相觸發(fā)晶閘管直流穩(wěn)壓器，應用時完全不必拘泥于這一個“實用電路”，盡可放開思路，憑借該題，充分發(fā)揮，以取得舉一反三的設(shè)計成果。

結(jié)束語

綜上所述不難發(fā)現(xiàn)，控制電路以及未示出的主電路中，沒有設(shè)置過流和短路保護電路，也沒有專設(shè)置具有過流保護功能的元器件，卻能實實在在地實現(xiàn)過流及短路的可靠保護，而且這種保護電流的動作值可以在大范圍內(nèi)予以調(diào)節(jié)。這是一種沒有過流保護環(huán)節(jié)卻具有過流保護功能的晶閘管直流穩(wěn)壓器，是單結(jié)晶體管移相觸發(fā)器和集成運算放大器合理組合的結(jié)果。通過這一實例可以得到一些啟示：將一些元器件進行合理組合，可以產(chǎn)生意想不到的效果——各種元器件也都或多或少的具備這樣那樣的潛隱功能。從某種意義上來說，積極開發(fā)元器件潛隱功能的意義，甚至會超過開發(fā)新的元器件。這就好像將同樣的文字進行新的組合，寫出了另一篇意境深邃、妙趣橫生的文章一樣。愿本文能對傳統(tǒng)元器件的更多新應用起到拋磚引玉的作用。