移相觸發(fā)芯片TCA785在磁粉探傷機(jī)周向電流控制中的應(yīng)用

0?概述

磁粉探傷機(jī)由于其結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、檢測(cè)速度快、成本低、對(duì)環(huán)境污染較小等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于航空、機(jī)械、汽車(chē)、內(nèi)燃機(jī)、鐵道、船泊等部門(mén)。由于某些車(chē)輪輪對(duì)熒光磁粉探傷機(jī)的退磁不穩(wěn)定，故需要對(duì)周向電流電路控制系統(tǒng)中的可控硅調(diào)壓方案進(jìn)行改進(jìn)。目前，在生產(chǎn)中使用的磁粉探傷設(shè)備中，周向電流多采用2只可控硅反向并聯(lián)組成調(diào)壓電路。而本文則給出了采用TCA785移相觸發(fā)器對(duì)可控硅實(shí)現(xiàn)調(diào)壓的方法。

1?可控硅調(diào)壓原理和觸發(fā)方式

可控硅具有體積小、重量輕、耐壓高、價(jià)格低廉、控制靈敏和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，它使半導(dǎo)體器件的應(yīng)用從弱電領(lǐng)域進(jìn)入強(qiáng)電領(lǐng)域，而且廣泛應(yīng)用于整流、逆變和調(diào)壓等大功率電子電路中?？煽毓枋且环N有源開(kāi)關(guān)器件，平時(shí)它保持在非導(dǎo)通狀態(tài)，直到一個(gè)較小的控制信號(hào)對(duì)其觸發(fā)(或稱(chēng)“點(diǎn)火”)使其導(dǎo)通，而且一旦導(dǎo)通后，即使撤離觸發(fā)信號(hào)，它也保持導(dǎo)通，而要使其關(guān)斷，可在其陽(yáng)極與陰極間加上反向電壓或?qū)⒘鬟^(guò)可控硅二極管的電流減少到某一個(gè)閥值以下。磁粉探傷機(jī)的磁化電路絕大多采用可控硅調(diào)壓方式來(lái)控制周向磁化電流。

1.1 可控硅調(diào)壓原理

可控硅導(dǎo)通和關(guān)斷的條件是：當(dāng)陽(yáng)極電位高于陰極電位且控制極有足夠的正向電壓和電流時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)從關(guān)斷到導(dǎo)通；而陽(yáng)極電位高于陰極電位且陽(yáng)極電流大于維持電流時(shí)，可維持可控硅的導(dǎo)通；陽(yáng)極電位低于陰極電位或陽(yáng)極電流小于維持電流時(shí)，可控硅便從導(dǎo)通狀態(tài)變?yōu)殛P(guān)斷。

產(chǎn)生觸發(fā)脈沖是可控硅導(dǎo)通的必要條件之一，其質(zhì)量將直接對(duì)可控硅的工作情況和性能造成影響。因此，產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)的觸發(fā)電路的可靠性直接關(guān)系到可控硅調(diào)壓裝置的質(zhì)量。

1.2 可控硅的觸發(fā)方式

用可控硅實(shí)現(xiàn)交流調(diào)壓通常有兩種觸發(fā)方式，即過(guò)零觸發(fā)方式和移相觸發(fā)方式。

過(guò)零觸發(fā)是在電源電壓零點(diǎn)附近觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通，并通過(guò)改變?cè)O(shè)定周期內(nèi)晶閘管導(dǎo)通的周波數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)交流調(diào)壓?？煽毓瓒ㄖ芷谶^(guò)零觸發(fā)工作波形如圖1所示。圖1中，Tc為控制信號(hào)的周期，tl和t2分別為可控硅的通、斷時(shí)間，且Tc=t1+t2。該電路是通過(guò)改變可控硅的通斷時(shí)間，即改變通斷的周波數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)。通常控制電路先把負(fù)載與輸入電壓U在周期Tc時(shí)間接通t1秒(通n個(gè)周波)，然后再斷開(kāi)t2秒(斷m個(gè)周波)，即通過(guò)改變通斷時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)負(fù)載的輸出電壓。


移相觸發(fā)是通過(guò)改變導(dǎo)通角來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)壓。圖2所示就是觸發(fā)脈沖的移相觸發(fā)角分別為45°、90°和135°時(shí)的導(dǎo)通情況，由圖2可知，負(fù)載兩端的電壓是隨移相觸發(fā)角的變化而變化的。


移相觸發(fā)在可控硅的每個(gè)正或負(fù)周期中都有保持通斷的部分，即輸出連續(xù)可調(diào)，故能適應(yīng)各種負(fù)載，但在控制過(guò)程中，會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生電磁干擾。根據(jù)負(fù)載性質(zhì)、使用條件和周?chē)h(huán)境，本設(shè)計(jì)選擇移相觸發(fā)作為可控硅的觸發(fā)控制方式。

2 可控硅移相觸發(fā)器電路的設(shè)計(jì)

隨著集成電路制作技術(shù)的提高，集成觸發(fā)器克服了分立元件觸發(fā)器的缺點(diǎn)，因而得到廣泛的應(yīng)用。本文采用集成觸發(fā)電路TCA785來(lái)改造現(xiàn)有設(shè)備，以提高設(shè)備性能。

2.1 TCA785移相觸發(fā)器簡(jiǎn)介

TCA785移相觸發(fā)器屬單片移相觸發(fā)器，為雙列直插式16腳大規(guī)模集成電路，與其它芯片相比，TCA785具有輸出脈沖整齊度好、移相范圍寬、輸出脈沖寬且可人為調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)，所以適用范圍更為廣泛。

2.2 TCA785的工作原理

TCA785的原理如圖3所示，其中腳11接移相控制電平Vn，腳6接調(diào)制信號(hào)，腳5接同步信號(hào)，腳12通過(guò)電容接地，腳9和10分別接鋸齒波斜率電阻和電容，腳15和14為脈沖輸出端Q1和Q2。



同步電壓V_SYNC經(jīng)電阻R5到零點(diǎn)鑒相器ZD，當(dāng)ZD檢測(cè)出其過(guò)零點(diǎn)后，可送同步寄存器SR寄存，并由SR控制鋸齒波發(fā)生器RG，RG的電容C₁₀由電阻R9決定的恒流源SC充電，當(dāng)電容C₁₀的鋸齒波電壓V₁₀大于移相控制電壓V₁₁時(shí)，便產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)到輸出邏輯單元，并在引腳14(Q1)、引腳15(Q2)產(chǎn)生觸發(fā)脈沖?？梢钥闯觯河|發(fā)脈沖的移相受移相控制電壓V11大小的控制，觸發(fā)脈沖Q1、Q2可在0°～180°范圍內(nèi)移相，且管腳14、15輸出脈沖相位差180°。

TCA785的主要引腳波形如圖4所示。其中5腳為外界同步信號(hào)端，用于檢測(cè)交流電壓過(guò)零點(diǎn)。10腳為片內(nèi)產(chǎn)生的同步鋸齒波，其斜坡最大及最小值由9、10兩腳的外界電阻與電容決定。通過(guò)與11腳的控制電壓相比較，可在15和14腳輸出同步的脈沖信號(hào)，因此，改變11腳的控制電壓，就可以實(shí)現(xiàn)移相控制。脈沖的寬度則由12腳的外接電容值決定，當(dāng)選擇雙窄脈沖的驅(qū)動(dòng)方式時(shí)，12腳應(yīng)接150pF電容。實(shí)際上，有幾十個(gè)微秒的脈沖寬度即可使晶閘管正常導(dǎo)通。


2.3 可控硅移相觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)的控制對(duì)象為CJW-4000型車(chē)輪輪對(duì)磁粉探傷機(jī)，它由電源控制系統(tǒng)、進(jìn)／出輪系統(tǒng)、噴淋磁化系統(tǒng)、熒光燈系統(tǒng)、磁選液噴淋回收系統(tǒng)以及暗室等組成。設(shè)備控制電路采用可編程控制器PLC集中控制。

車(chē)輪輪對(duì)熒光磁粉探傷機(jī)的可控硅移相觸發(fā)電路如圖5所示。該電路應(yīng)用TCA785輸出的Q1和02 (即14、15腳的輸出)脈沖分別在交流電源的正負(fù)半周來(lái)直接觸發(fā)晶閘管，移相控制電壓U11來(lái)自外接的直流電源V1(此處用+15 V)，在其有效范圍內(nèi)(0.2 V～V1-2 V)內(nèi)連續(xù)變化時(shí)，脈沖輸出Q1和Q2的相位即可在0°～180°范圍內(nèi)移相。


由于從同步變壓器過(guò)來(lái)的信號(hào)都是正弦信號(hào)，而且TCA785是利用檢測(cè)過(guò)零的原理來(lái)實(shí)現(xiàn)同步的，因此，如果正弦波的幅值過(guò)小，那么就不能提供清晰的過(guò)零點(diǎn)，同時(shí)電磁干擾也可能導(dǎo)致過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)錯(cuò)誤，但是，正弦波的幅值過(guò)大又會(huì)超過(guò)芯片的同步電壓輸入范圍，所以應(yīng)將同步信號(hào)整形成方波。如圖5中腳1(接地)和腳5之間就是利用反并限幅二極管(管壓降為1 V左右)來(lái)將正弦波變?yōu)榉讲?。引腳5外接220 kΩ的電阻后，可直接接220 V AC的同步電壓信號(hào)，以用于檢測(cè)交流電壓的過(guò)零點(diǎn)，同時(shí)對(duì)地端接兩個(gè)正、反向并聯(lián)的限幅二極管，以起保護(hù)作用。

引腳12是輸出脈沖Q1和Q2的脈寬控制端。其應(yīng)用范圍為150～4700 pF。

引腳6是脈沖信號(hào)禁止端。可通過(guò)阻值10 kΩ的電阻R2接+15 V電源。當(dāng)該端電壓小于2.5 V時(shí)，輸出脈沖被封鎖；而當(dāng)該端電壓大于4 V時(shí)，封鎖功能不起作用。因此，該腳可作為主電路的可控硅過(guò)流、過(guò)熱保護(hù)使用。

10腳為芯片產(chǎn)生的同步鋸齒波的斜率最大及最小值由9、10兩腳的外接電阻和電容決定，然后通過(guò)與11腳的控制電壓相比較，便可在15和14腳輸出同步脈沖，以改變11腳的控制電壓，從而實(shí)現(xiàn)移相控制。11腳可通過(guò)電容接+15 V電源。

3 TCA785應(yīng)用中應(yīng)注意的問(wèn)題

TCA785移相觸發(fā)器采用的是負(fù)邏輯工作方式，即控制電壓增加，輸出脈沖的控制角增大，可控硅的導(dǎo)通角減小。這點(diǎn)在應(yīng)用中應(yīng)該注意。

另外，TCA785的腳1和腳5之間一般利用反并限幅二極管將腳5外接的220 V交流電變成方波，從而給TCA785提供清晰的過(guò)零點(diǎn)信號(hào)。

若把該觸發(fā)電路用于周向電流充退磁，應(yīng)在可控硅輸出的交流電流后加整流橋，以將該電流變?yōu)橹绷鳎倥c磁粉探傷機(jī)周向線圈連接。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以TCA785為核心的可控硅移相觸發(fā)電路，可對(duì)車(chē)輪輪對(duì)熒光磁粉探傷機(jī)周向磁場(chǎng)的充退磁實(shí)現(xiàn)有效控制，這樣，不僅可使充磁能夠通過(guò)吸引熒光磁粉有效的檢測(cè)出車(chē)輪是否有裂紋，還能把檢測(cè)完畢的輪對(duì)磁場(chǎng)降到標(biāo)準(zhǔn)以?xún)?nèi)，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量。該電路設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單、可靠性好，并可有效地保障探傷機(jī)的檢測(cè)質(zhì)量。