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(gè)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(xiàn)輸出模式選擇，可選擇施密特觸發(fā)輸入，LED驅動(dòng)輸出;有內部看門(mén)狗定時(shí)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(jìn)的C51結構結合在一起，使得在設計高集成度、低成本和低功耗控制電路時(shí)具有更多的選擇。該系列主要用于對系統成本有嚴格要求，且系統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(yáng)性能表、IC卡水表、電子稱(chēng)、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(guò)零檢測方法，不必在負載電流線(xiàn)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。此解決方案可通過(guò)P87LPC761系列單片機的片內RC振蕩器和比較來(lái)實(shí)現，或者其它帶有片內PWM、ADC和DAC等功能的LPC系列芯片。該系統可用于對電機(AC/DC)閥門(mén)、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(guò)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(guò)市電進(jìn)行供電，相位控制時(shí)序取決于市電電壓過(guò)零檢測(Voltage Zero Crossing)或負載電流過(guò)零檢測(Current ZeroCrossing)。采用哪種檢測方式取決于實(shí)際應用的情況?？刂颇K計算機發(fā)時(shí)刻，LPC可直接吸收多個(gè)Triac的門(mén)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(guò)零或一個(gè)特定的相位角時(shí)觸發(fā)Triac。對于阻性負載，電流和電壓過(guò)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是根據電壓過(guò)零還是電流過(guò)零進(jìn)行可控硅的觸發(fā)。

檢測電壓過(guò)零最簡(jiǎn)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(xiàn)(或中性點(diǎn))，而中性點(diǎn)(或電源線(xiàn))通過(guò)限流電阻連接到任意一個(gè)I/O 口。I/O口的電壓被內部鉗位二極管鉗制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(shí)，檢測到過(guò)電壓的過(guò)零點(diǎn)。電平跳變點(diǎn)取決于I/O口的模式(TTL或施密特觸發(fā))，過(guò)零點(diǎn)到檢測點(diǎn)的延遲時(shí)間取決于電源電壓的變化率(例如230V或110V系統)，這些都必須納入考慮范圍。該電路的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單和成本低，因為僅需要一個(gè)額外的電阻(要求高耐壓值)并可使用LPC的任何一個(gè)I/O口。

2.2 電流過(guò)零檢測——電流過(guò)零窗口比較器

電流過(guò)零(CZC)是Triac的換流點(diǎn)。在非線(xiàn)性負載時(shí)，由于電流過(guò)零點(diǎn)和電壓過(guò)零(VZC)點(diǎn)不一致，CZC檢測尤其重要;但是，監控CZC并不像監控 VZC那么容易，因為，通常檢測方式需要在負載上串聯(lián)一個(gè)電阻，這就分離了負載電路且浪費了電能。通常方法是通過(guò)放大和電平變換，然后和微控制器相連，這至少需要一個(gè)額外的運算放大器及其相關(guān)元件。LPC檢測電流過(guò)零采用了一種全新的方法：監控Triac門(mén)極(VG)到陽(yáng)極(T1)的電壓。VG-T1給出了Triac即將換流的一個(gè)信號，因為VG-T1在CZC時(shí)過(guò)零，根據負載電流和Triac的特性，VG-T1可低至0.1V或大于1.2V。如圖4所示電路，使用窗口比較器監控該電壓即能完成CZC功能。圖4窗口比較器用于門(mén)電壓和電流過(guò)零檢測器，VG-T1相對于線(xiàn)電壓可正可負，取決于負載電流的方向。也就是說(shuō)VG-T1相對于VCC+5V而言可正可負。因此在LPC可監控之前，必須通過(guò)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(guò)零點(diǎn)附近。

3 完整的LPC+Triac+Motor(AC)電路實(shí)現

在P87LPC761 和Triac的控制應用中，整個(gè)系統對電源消耗很低并具有高抗干擾性能，故可以通過(guò)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(gè)感性負載的通用電路，同時(shí)適合阻性負載。Triac可使用BTA216 600E。通過(guò)查詢(xún)P87LPC761的比較器來(lái)檢測負載電流過(guò)零，并重新觸發(fā)Triac。也可用中斷驅動(dòng)。啟動(dòng)電機時(shí)用電壓過(guò)零測量并觸發(fā) Triac的門(mén)級脈沖，以減少電磁干擾，并可從主循環(huán)的開(kāi)始進(jìn)行控制和重定義在啟負載之間軟件等待整個(gè)半周期。本例在復位后通過(guò)用戶(hù)按鍵開(kāi)啟負載，通過(guò)按鍵可進(jìn)行相角控制以控制電機的不同轉速。如圖5所示，LED發(fā)光管閃爍的快慢能體現電機轉速，LED閃爍越快電機轉動(dòng)越快，反之則越慢;電機停轉，LED 熄滅。此電路稍經(jīng)修改就可以用于其它許多類(lèi)似的場(chǎng)合。