利用單相關(guān)波整提供控制電路電源解析方案

1 概述

PHILIPS 51LPC系列單片機目前已包括P87LPC760/1/2/4/7/8/9共七個型號。51LPC提供高速和低速的晶振和RC振蕩方式，可編程選擇;具有較寬的操作電壓范圍2.7～6.0V，可編程I/O口線輸出模式選擇，可選擇施密特觸發(fā)輸入，LED驅(qū)動輸出;有內(nèi)部看門狗定時器及提供掉電檢測模擬功能，最大限度地減少了外部元件的使用。這些特性和改進的C51結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起，使得在設(shè)計高集成度、低成本和低功耗控制電路時具有更多的選擇。該系列主要用于對系統(tǒng)成本有嚴格要求，且系統(tǒng)具有高抗干擾性能的低功耗應用領(lǐng)域，已廣泛用于電子陽性能表、IC卡水表、電子稱、消毒碗柜、LED顯示屏、煤氣表等工業(yè)控制領(lǐng)域。

本文介紹在市電情況下使用LPC系列微控制器P87LCP761與三象限雙向晶閘管(Triac)控制感性負載交流電機的方法。使用一種全新的電流過零檢測方法，不必在負載電流線路中加入旁路電阻，利用單相關(guān)波整提供控制電路的電源。LPC的高抗干擾性能使得只用極少外部零件即能完成此系統(tǒng)。此解決方案可通過P87LPC761系列單片機的片內(nèi)RC振蕩器和比較來實現(xiàn)，或者其它帶有片內(nèi)PWM、ADC和DAC等功能的LPC系列芯片。該系統(tǒng)可用于對電機(AC/DC)閥門、泵燈等的控制，廣泛用于照明、HVAC、電源工具、儀表及工業(yè)控制等領(lǐng)域。表1是P87LPC761的引腳功能。

表1 P87LPC761引腳功能

2 原理

2.1 負載電壓的過零控制——單輸入檢測

方框圖1和2為該應用的總體框圖。電路直接通過市電進行供電，相位控制時序取決于市電電壓過零檢測(Voltage Zero Crossing)或負載電流過零檢測(Current ZeroCrossing)。采用哪種檢測方式取決于實際應用的情況?？刂颇K計算機發(fā)時刻，LPC可直接吸收多個Triac的門電流。為了降低EMI，保證安全操作并控制相位，有必要在電流過零或一個特定的相位角時觸發(fā)Triac。對于阻性負載，電流和電壓過零是一致的;對于感性負載，電流滯后于電壓。負載的狀態(tài)決定了Triac是根據(jù)電壓過零還是電流過零進行可控硅的觸發(fā)。

檢測電壓過零最簡單的方法就是測量市電電壓極性的變化。LPC的+5V端連接到電源線(或中性點)，而中性點(或電源線)通過限流電阻連接到任意一個I/O 口。I/O口的電壓被內(nèi)部鉗位二極管鉗制0V和+5V之間，如圖3所示。微控制器可讀入輸入口的輸入狀態(tài)，并且當狀態(tài)從1變?yōu)?或從0變?yōu)?時，檢測到過電壓的過零點。電平跳變點取決于I/O口的模式(TTL或施密特觸發(fā))，過零點到檢測點的延遲時間取決于電源電壓的變化率(例如230V或110V系統(tǒng))，這些都必須納入考慮范圍。該電路的優(yōu)點是簡單和成本低，因為僅需要一個額外的電阻(要求高耐壓值)并可使用LPC的任何一個I/O口。

2.2 電流過零檢測——電流過零窗口比較器

電流過零(CZC)是Triac的換流點。在非線性負載時，由于電流過零點和電壓過零(VZC)點不一致，CZC檢測尤其重要;但是，監(jiān)控CZC并不像監(jiān)控 VZC那么容易，因為，通常檢測方式需要在負載上串聯(lián)一個電阻，這就分離了負載電路且浪費了電能。通常方法是通過放大和電平變換，然后和微控制器相連，這至少需要一個額外的運算放大器及其相關(guān)元件。LPC檢測電流過零采用了一種全新的方法：監(jiān)控Triac門極(VG)到陽極(T1)的電壓。VG-T1給出了Triac即將換流的一個信號，因為VG-T1在CZC時過零，根據(jù)負載電流和Triac的特性，VG-T1可低至0.1V或大于1.2V。如圖4所示電路，使用窗口比較器監(jiān)控該電壓即能完成CZC功能。圖4窗口比較器用于門電壓和電流過零檢測器，VG-T1相對于線電壓可正可負，取決于負載電流的方向。也就是說VG-T1相對于VCC+5V而言可正可負。因此在LPC可監(jiān)控之前，必須通過R4和R5分壓，以使其低于VCC并處于比較器的操作電壓范圍，R1、R2和R3將電壓限制在過零點附近。

3 完整的LPC+Triac+Motor(AC)電路實現(xiàn)

在P87LPC761 和Triac的控制應用中，整個系統(tǒng)對電源消耗很低并具有高抗干擾性能，故可以通過阻容降壓和單相半波整流由市電直接供電，而不需要昂貴且體積大的變壓器，外部零件極少。此方案成本低。一個感性負載的通用電路，同時適合阻性負載。Triac可使用BTA216 600E。通過查詢P87LPC761的比較器來檢測負載電流過零，并重新觸發(fā)Triac。也可用中斷驅(qū)動。啟動電機時用電壓過零測量并觸發(fā) Triac的門級脈沖，以減少電磁干擾，并可從主循環(huán)的開始進行控制和重定義在啟負載之間軟件等待整個半周期。本例在復位后通過用戶按鍵開啟負載，通過按鍵可進行相角控制以控制電機的不同轉(zhuǎn)速。如圖5所示，LED發(fā)光管閃爍的快慢能體現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速，LED閃爍越快電機轉(zhuǎn)動越快，反之則越慢;電機停轉(zhuǎn)，LED 熄滅。此電路稍經(jīng)修改就可以用于其它許多類似的場合。