基于AT89C2051单片机的晶闸管触发电路的设计与实现

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 自晶闸管被用作开关元件以来,其触发电路经过了晶闸管分离元件阶段和集成电路阶段后进入了单片机嵌入阶段。使用以单片机为核心的触发电路虽然避免了前两个阶段元件多、故障率高和低智能化的缺点,但可靠性、迅速性和抗干扰性还存在诸多不足。

本设计详细介绍了一种基于AT89C2051单片机的晶闸管触发电路,具有高集成度、智能化、体积小、安全、迅速、可靠稳定等优点,今后必将被广泛应用。文中以晶闸管投切电容器为例来详细说明触发电路的工作原理。

1 触发电路的硬件设计

硬件电路以ATMEL公司的AT89C2051单片机为核心,包括晶闸管过零检测电路、控制器投切命令电路、脉冲隔离放大电路等几部分组成,硬件框图如图1所示。



1.1 AT89C2051简介

AT89C2051是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机,片内含2 k bytes的可反复擦写的只读程序存储器(PEROM)和128 bytes的随机数据存储器(RAM),两个16位定时/计数器,一个5向量两级中断结构,一个全双工串行通信口,内置一个精密比较器,片内振荡器及时钟电路,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,其软件、硬件与MCS-51完全兼容,片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元,这使得其开发调试都十分方便。

功能强大的AT89C2051单片机提供了高度灵活和低成本的解决办法,完全可以满足对晶闸管触发电路快速、准确的要求。AT89C2051硬件结构如图2所示。

1)端口P1 P1口是一个8位双向I/O口。引脚P1.2至P1.7提供内部上拉电阻,P1.0和P1.1则需外加上拉电阻。P1.0和P1.1还分别作为片内精密模拟比较器的同相输入(ANI0)和反相输入(AIN1)。

2)端口P3 P3口的P3.0至P3.5、P3.7是带有内部上拉电阻的7个双向I/O口。P3.6用于固定输入片内比较器的输出信号并且它作为一通用I/O引脚而不可访问。

1.2 辅助电路的设计

1.2.1 晶闸管过零检测电路

晶闸管投入电容器的时刻,也就是晶闸管开通的时刻,必须是电源电压与电容器残压的幅值和相位相同的时刻。因为根据电容器的特性,当加在电容上的电压有阶跃变化时,将产生冲击电流,会损坏晶闸管且给所在电力系统带来高频振荡等不利影响。所以设计了晶闸管过零检测电路来解决残压测量的难题。晶闸管过零检测电路如图3所示。

当电源电压与电容器的残压相等时,晶闸管上电压为零,光电耦合器就会输出下降沿负脉冲至单片机INT0、INT1管脚,如果此时控制器投入指令存在,此脉冲就会经过一系列环节,产生脉冲串去触发晶闸管,保证晶闸管的导通,平稳投入电容器;当电源电压与电容器的残压不相等时,晶闸管上电压不为零,光耦导通,接到单片机的INT0、INT1呈高电平,在软件中设置此种情况不产生触发脉冲,晶闸管呈关断状态。

1.2.2 控制器投切命令电路

控制器投切命令电路如图4所示。

控制器是工作人员用来向触发电路下达电容器投切命令的电路。当工作中需要电容器投入时,控制器在J3处给晶闸管触发电路+4V信号,光耦U3导通,使单片机P1.0(控制器投切ORDER命令管脚)呈高电平,通过逻辑判断电路使得触发脉冲得以驱动脉冲变压器,使晶闸管导通,电容器投入;同理,当需要切除电容器时,取消控制器+4 V信号,光耦关断,ORDER管脚呈低电平,通过逻辑判断电路屏蔽了管脚的触发脉冲,此时无论触发脉冲管脚输出的何种脉冲,都不能驱动脉冲变压器,管脚晶闸管在电流过零时自然关断。这种设计的优点就是可靠性高,抗干扰能力强,避免了因外部干扰或程序问题而使得晶闸管误导通。

1.2.3 晶闸管触发主电路

晶闸管触发主电路如图5所示。电路以AT89C2051单片机为核心,采用8 M晶振定时器工作方式。P1口用作触发晶闸管的脉冲输出,P3口用作晶闸管过零信号检测。其管脚具体连接见图5。

其工作过程是:当单片机通过投切命令电路接到电容器投入指令时,P1.0 ORDER管脚会呈高电平。此时检测电路检测晶闸管是否过零,当检测到晶闸管过零时,单片机INT0、INT1管脚会触发中断,单片机进入脉冲中断程序,产生触发脉冲,在单片机P1口输出去驱动脉冲。

单片机输出的触发脉冲信号为高频调制脉冲,所以脉冲变压器采用高频变压器,体积小,不发热,易安装,二极管均采用快速二极管。工作原理是:当单片机高频脉冲输出时,三极管立即进入导通状态,由于电容C9的瞬间短路作用,使得脉冲变压器的原边得到信号为+24 V的尖峰脉冲,它可以用作晶闸管的强触发脉冲,在C9的两端并上电阻R30减小了高频信号的阻抗,相当于微分,这样提高了信号的上升速率,加快了导通速度,提高触发的可靠性。而后单片机输出的高频脉冲使得变压器副边得到持续的幅值较低的高频调制脉冲,继续供给晶闸管触发脉冲,以提高电流断续时晶闸管工作的稳定性,同时也降低了触发电路的功耗。

2 触发电路的软件设计

软件设计采用中断服务程序的方法。脉冲宽度和间隔采用软件延时方法来定时。程序设计简单,短小精悍,思路清晰。程序流程图如图6所示。


3 性能测试

为检验触发电路的性能,设计了检测电路。检测电路原理图如图7所示。

实验电路由触发电路、一组反并联晶闸管、一组串联电容、DC 24 V和DC 5 V开关电源各一个连接而成。实建电路如图8所示。其中DC 24 V电源提供触发板工作电压,DC 5V电源模拟控制器投切信号。为观察方便,笔者在一个电容器上并联了指示灯,具体如图8所示。

正确连接电路,检查无误后打开24 V直流电源,触发电路中L1指示灯被点亮,单片机正常工作;打开AC220 V电源,使晶闸管两极带电;打开5 V电源,使触发板开始工作,此时L2、L3、L4指示灯全部被点亮,并联电容上的指示灯也被点亮,证明触发电路触发晶闸管导通。

用示波器观察脉冲变压器触发信号如图9所示。

经观察触发脉冲前沿陡度达1~2 A/μs,触发电流为晶闸管最大触发电流的2倍,脉冲幅度足够,电路设计十分成功。

4 结论

基于AT89C2051单片机的晶闸管触发电路成功的实现了对晶闸管迅速、可靠的触发,已成功的应用于电力系统无功补偿、滤波装置中,其智能、安全、可靠的优点通过了工业现场恶劣环境的检验,具有很好的应用前景。

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