使用三端双向可控硅设计低成本电范围控制

将机电一体化的原则应用于传统的机械组件可能导致更多
复杂和经济效益的控制

莱斯顿康迪特,
微芯科技有限公司

大多数台面烹饪器具，如电灶、平底锅和油锅，都有一个可调节的机械恒温器来改变炉灶的热量输出。这种解决方案是便宜的，但有几个缺点的机械恒温器:
•必须在工厂校准机械恒温器。
•它们具有较差的煨性能（控制在低温下不精确）。
•这些设备的准确性很差。
•机械部件随着时间的推移磨损。

本文描述了如何使用机电一体化方法，设计一种低成本的基于微控制器的机械恒温器替代品，以消除这些缺点。

PIC10F204是Microchip公司的6针PICmicro微控制器(SOT-23封装)，用于实现该解决方案。PICmicro从电位器收集用户输入，并通过可控硅控制到加热元件的电流。这篇文章将讨论可控硅理论，因此它也是一个很好的资源，以接口到交流线路的其他应用(如电灯开关，真空吸尘器和其他各种家用电器)。PICmicro的电源直接由交流线路通过电阻电源提供。与机械恒温器相比，PIC10F204解决方案提供了设计灵活性，包括添加用户友好的功能。这里详细介绍的PICmicro解决方案包含了两个这样的特性。这些功能是:(1)一个状态LED指示范围是开或关，(2)自动关机。自动关机提供了额外的安全，关闭范围后2小时，如果它是无人值守。

机械恒温器操作
电量程通过在电阻加热元件上施加交流线路电压来产生热量。与加热元件串联在一起的可调机械恒温器有一个旋转刻度盘，可以设置到加热元件的电流。图1所示的机械恒温器有一组复杂的金属卡片、垫片和触点，它们一起工作，根据旋转表盘的设置连接和断开电源。当表盘在关闭和完全打开之间转动时，机械恒温器的操作过程如下所示。
1.接触在开关的两个端子之间。
2.开关中的电阻材料导致部分开关加热并膨胀。
3.膨胀材料将触点推开，开关停止导电。
4.元素然后冷却，直到再次接触。
根据刻度盘的位置，开关或多或少地重复这个顺序。开关允许无限控制，但没有明确的参考。结果，开关不是很精确。开关不断受到热变化的影响，当表盘不是处于绝对位置(关闭或完全打开)时，触点经常发生拱起。这些应力影响开关的可靠性。

图1：可调机械恒温器．

双向可控硅的操作
三ra用于控制基于微控制器的设计中的加热元件的电流。三端双向可控硅是一个三终端双向交流开关，它由施加到栅极的低能量信号触发。当施加该信号时，TRIAC从高阻抗状态到导电状态，允许电流流到负载。虽然一个信号更有效，但是一个正或负栅极信号将触发三次自由杆子。图2示出了三端双向可控硅的四个触发模式。每个模式被称为象限。请注意，一切都参考终端MT1。

TRIACS通常在QI和齐均最敏感，在QII和QIV中略微敏感。例如，本文中使用的三条转基铁需要25 mA的触发电流为qi，qii和qiii和50 ma for qiv。除非特殊情况决定，否则应避免触发QIV。低成本解决方案将为每个半波使用相同的触发信号。由于应该避免QIV，因此使用相对于MT1的负触发信号。这对应于QII和QIII的操作。

图2：三折象限

触发
可控硅的一个很好的特性是它是由电流而不是电压触发的。换句话说，它是注入栅极的电流，而不是电压的大小
应用于决定三条转子是否打开的门。这种特性使三端双向可控硅在数字领域中有用，其中电压明显小于115 Vac或220 Vac。PICMicro微控制器在2.5V-5V范围内运行，但它可以在其I / O引脚上下水和源25 mA。在交流波形的任何半周期期间，宽度和幅度的负电流脉冲（相对于MT1）将触发三次自动取款机。触发电流的宽度和幅度每次自由次自由次数变化，并在三端双向可控硅制造商的数据表中指定。三脚转子将进行
电流直到半周期完成，然后恢复到非导电或阻塞状态。图3说明了TRIACS的这种特性。

图3：相位控制

相控
图3也是相位控制的一个例子。相位控制是一种控制输出到负载的功率的方法。相位控制通过打开每个半波的一部分来工作，类似于对数字信号的脉宽调制。电流与负载成正比于每个正弦波的积分。这种类型的可控硅控制通常用于调光器。光的亮度将与曲线下的面积成正比。

相位控制的好处是，在60Hz的情况下，向负载提供电力的波形的频率不变。这是在调光灯光时是必要的，因为如果频率要少得多，则人眼将可检测光的闪烁。相位控制的缺点是以所描述的方式切换交流波形产生不希望的电磁干扰（EMI）。必须注意防止这种EMI辐射回到线上或影响三端双向防吓轮路本身。

零交叉切换
相位控制的另一种选择是零交叉开关。零交叉开关消除了大多数电磁干扰
问题在于，整个周期要么开启，要么关闭。为了改变发送到负载的平均电流，跳过交流周期(见图4)。这种控制方法不适用于调光器，因为光的强度会明显波动。然而，在电阻加热元件的情况下，这种控制方法是首选的，因为它的电磁干扰较低。

零交叉切换和相位控制都要求检测到线路上的电压的点。在应用笔记AN521中详细描述了检测零交叉的方法，与AC电力线连接。使用不同的零交叉检测方法用于本申请。此方法详述了下一节。

图4:零交叉切换

硬件
低成本恒温器溶液的电路如图5所示。对微控制器的电源是
由无变压器的电阻式电源提供。微芯片应用笔记AN954中给出了电阻性电源的分析，无变压器电源:电阻性和
电容性。电阻电源的尺寸为为为微控制器供电，为三端双向可控硅提供必要的电流，打开LED并充电用于读取电位器的ADC电路。

这个系统是一个开环系统，就像机械恒温器一样。电位器提供来自用户的输入。然后将输入转换为可控硅的输出。当可控硅被调制时，LED打开以表示单元是打开的。

一个1100瓦的加热元件正在由可控硅开关。在使用115vac的国家，这转换为近9a的有效值电流;因此，需要一个相当大的可控硅。一个16-A可控硅被用来确保足够的安全裕度。为了防止可控硅的热失控，可控硅安装在散热器上。

图5：电子恒温器溶液。

使用这种类型的无变压器电源的一个好处是，零交叉是通过在微控制器上直接连接齐纳二极管的阳极的一个引脚来检测的。该节点将在-0.6 V和VZ之间过渡，齐纳电压，在每一个零位交叉。图6比较了该节点处的波形与线路电压。

图6：零交叉检测波形。

所使用的可控硅是Teccor Electronics的Q4016LH3。该可控硅采用T0-220AB封装，额定电压为400v, 16a。微控制器通过在半周期开始时开启Q1 2毫秒触发可控硅。Q1将可控硅上的栅极拉低，相对于MT1，可控硅导通电流。

用RC电路把电位器的电阻值转换成可测量的时间。3-V齐纳二极管(D4)确保微控制器VDD参考的波动不会影响时间常数的准确性。(实际上，当电流从C2引出时，接地基准实际上是波动的，因为VDD是参考线路电压)。电压衰减所需的时间与电位器的设置直接相关。该电路首先配置GP1作为输出，然后对C6进行充电。一旦C6充电，GP1被配置为比较器的输入。GP1上的电压与微控制器的内部带隙参考电压进行比较(约0.6 v)当RC衰减电路的电压低于参考电压时，比较器上的输出将升高。这个输出由微控制器内部读取。VOUT跳闸比较器所需的时间由公式1给出。

方程1:
t = - （rpot1 + r12）c1n（vref / vz）
VREF是0.6V Vz是3V

电位计从0到25千瓦线性变化。电位计的电阻与时间线性关系。更确切地说，使用等式1计算衰减的时间，并且给定电位计的范围产生从3.53ms到7.56ms的衰减。仔细选择RC时间常数，使电路延迟的最长时间仅在一个半周期时间或8.33毫秒下。这使得可以在零交叉上启动电路的放电并测量下一个零交叉前的输出电压的衰减时间。图7显示了GP1读周期上的波形看起来的样子。

图7：电位计读取电路的充电和放电。

噪音考虑因素
图5中描述的电路假定线和中性信号相对不含噪声。在现实世界中，AC线路上的噪音可以对微控制器的行为产生深远的影响，特别是当它没有与AC线路隔离时。MHz范围内的噪音尤其损害，因为它可以在几十千伏中。在某些噪声过滤中设计前面将在项目的测试和认证阶段节省大量时间和痛苦。创建强大的解决方案是基于一个前提：将微控制器与高频噪声隔离。不仅必须隔离电源电压和地面，还必须连接到“嘈杂世界”的所有微控制器引脚。图8显示了与以前仅用合适的过滤器结合到设计中相同的电路。

图8：强大的电子恒温器。

在该电路中，在主存储电容器和微控制器之间添加了π滤波器。添加了额外的接地参考。现在有两个场地 - 一个在嘈杂的世界中，一个在安静的世界里。微控制器坐在安静的世界里，而TRIAC坐落在嘈杂的世界里。先前直接连接到嘈杂世界的引脚GP1和GP3。在新电路中，已将低通滤波器添加到每个迹线中。RC滤波器的3 dB截止频率在等式2中给出。

方程2:
f = 1 /2πrc

从微控制器到零交叉检出点和双极结晶体管的跟踪上的滤波器各有3 dB的截止频率，约为1 kHz。使用陶瓷电容器，因为它们是对抗射频干扰最有效的。

软件
零交叉事件周围固件中心的程序循环。当检测到零交叉时，微控制器首先决定在目前的半循环期间是否应该打开TRIAC。通过驱动GP2高度为2 ms，转动三端双向可控硅。在正半周期期间，GP1被配置为输出和电荷C6。在负半周期期间，GP1被配置为PIC10F内部比较器的输入。

使用Timer0测量比较器对跳闸所需的时间。然后使用该测量来确定总共10个半周期，应打开三次自动取款机。如果答案除零以外，微控制器将打开状态LED并启动2小时自动关机定时器。如果电位器转回OFF位置（没有循环），则该计时器仅重置。如果自动关闭定时器闪光灯，则会关闭三端双向可控硅，直到有人中断设备（即，拔掉电源插头）或电位器转到OFF位置然后重新启动。软件要求是129个12位指令和9个数据存储器。

好处
在此处实施的PIC10F204恒温器在可调节的机械恒温器上具有许多益处，其设计用于更换。这些福利包括：
1.由于最小的机械部件，更好的可靠性。
2.内置安全功能，如自动关机。
3.内置视觉反馈，让用户了解设备时。
4.通过电路内串行编程（ICSP）的灵活设计和可编程性（即，同一交换机可用于多个应用程序）。
5.提高准确性和良好的煨煮性能。在这个特定的解决方案中没有给出的其他可能性包括:
1.温度反馈
2.自校准

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参考文献
•AN954，无转换电源:电阻和电容，Condit，莱斯顿，Microchip Technology Inc.， 2004。
•AN521，对AC电力线，COX，DOUG，Microchip Technology Inc.，1997年的接口。
DL137/D，修订版6，可控硅器件数据，可控硅和可控硅，摩托罗拉，1995