1、閘管過(guò)零觸發(fā)電路結(jié)構(gòu)及原理分析 
1.1觸發(fā)電路和過(guò)零觸發(fā)電路的比較 
在交流調(diào)壓領(lǐng)域，尤其是應(yīng)用于交、直流電機(jī)的電力拖動(dòng)系統(tǒng)的交、直流調(diào)壓電路，多采用移相觸發(fā)電路，即使觸發(fā)脈沖相對(duì)同步脈沖來(lái)說(shuō)，產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)延遲角，延遲量越大，晶閘管的導(dǎo)通角越小，輸出電壓越低。電路的實(shí)質(zhì)是調(diào)整或控制觸發(fā)脈沖出現(xiàn)的時(shí)刻，若使移相觸發(fā)脈沖在電網(wǎng)周波的“峰頂位置”出現(xiàn)，晶閘管在電網(wǎng)電壓過(guò)零點(diǎn)后的T2、T4時(shí)刻開(kāi)通，電網(wǎng)電壓的正弦波被“削掉一半”，輸出電壓的有效值為電源電壓的一半。移相觸發(fā)的結(jié)果，使完整的正弦波被 “部分砍掉”，形成“缺口波”，此種波形中諧波分量最大，富含奇、偶次（多種頻率值的）諧波，易使電網(wǎng)中產(chǎn)生浪涌電壓（電流）分量，造成對(duì)電網(wǎng)的污染、易對(duì)周過(guò)電氣設(shè)備造成干擾。 
我們可稱(chēng)為這種控制方式為“削波控制”，輸出電壓頻率仍為50Hz，電壓（電流）的連續(xù)性，還算不錯(cuò)。

圖1移相觸發(fā)與過(guò)零觸發(fā)的波形比較 
即能實(shí)現(xiàn)調(diào)壓，又能保持輸出正弦波波形的完整，這是過(guò)零觸發(fā)電路的最初思路。實(shí)現(xiàn)方法： 
1）觸發(fā)脈沖總是在電網(wǎng)過(guò)零點(diǎn)附近送出，使晶閘管在電網(wǎng)過(guò)零后即行輸出，在整個(gè)電網(wǎng)周波內(nèi)“完全開(kāi)通”，電路輸出為完整的正弦波形； 
2）用門(mén)限控制信號(hào)來(lái)控制晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間，即控制流過(guò)晶閘管周波數(shù)的多少，當(dāng)使控制信號(hào)高、低電平時(shí)間比T1：T2=1：1時(shí)，晶閘管一半時(shí)間處于關(guān)斷，一半時(shí)間處于開(kāi)通，電源中的完整周波有一半為晶閘管所輸出，輸出電壓的有效值也為電源電壓的一半。 
3）過(guò)零電路的觸發(fā)脈沖，是由同步脈沖，不經(jīng)移相，即直接觸發(fā)晶閘管的，但取得的同步脈沖往往較“窄”，需要展寬處理，才能可靠觸發(fā)晶閘管。過(guò)零觸發(fā)電路，晶閘管輸出波形為完整的正弦波，晶閘管從過(guò)零點(diǎn)開(kāi)始導(dǎo)通，然后在過(guò)零點(diǎn)自生關(guān)斷，晶閘管承受的電流、電壓沖擊較小，輸出電壓的諧波分量少，不污染電網(wǎng)和造成干擾，這是其優(yōu)點(diǎn)。這種控制方式可稱(chēng)之為“通、斷控制”，輸出為全壓→輸出電壓為0→輸出為全壓→輸出電壓為0→??，輸出電壓（電流）的連續(xù)性很差，電源的通斷頻率，取決于門(mén)限控制信號(hào)的變化，因而適用范圍更窄，僅適用于阻性負(fù)載，如電阻加熱恒溫控制等，不宜用于控制電力拖動(dòng)系統(tǒng)。 
1.2過(guò)零觸發(fā)電路的結(jié)構(gòu)形式 
在一些需要頻繁起?；蚬ぷ鲌?chǎng)所特殊出于安全考慮，不允許產(chǎn)生接觸器開(kāi)斷時(shí)的火花，常采用晶閘管功率器件，來(lái)代替接觸器，用作電機(jī)起?？刂?，這種電路被稱(chēng)作無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)，在控制上非常簡(jiǎn)單。用繼電器KA控制晶閘管的開(kāi)、斷，KA觸點(diǎn)閉合時(shí)，產(chǎn)生由晶閘管陽(yáng)極經(jīng)D、R限流和限向元件，流入晶閘管柵、陰極的觸發(fā)電流回路，晶閘管開(kāi)通，KA觸點(diǎn)斷開(kāi)，晶閘管截止。假設(shè)能精確地控制KA在電網(wǎng)電壓過(guò)零時(shí)接通，則晶閘管開(kāi)通時(shí)沖擊電流最小，即成為過(guò)零觸發(fā)控制電路。實(shí)際電路中，因繼電器KA的滯后動(dòng)作（電磁/機(jī)械轉(zhuǎn)換動(dòng)作過(guò)程），對(duì)其閉合時(shí)間，很難進(jìn)行精準(zhǔn)的控制，若換用電子器件代替KA，控制電路能在適當(dāng)時(shí)刻發(fā)送觸發(fā)脈沖，即能實(shí)現(xiàn)真正的過(guò)零觸發(fā)控制。

晶閘管過(guò)零觸發(fā)電路，主要由同步信號(hào)電路、門(mén)限控制信號(hào)電路、觸發(fā)電路等幾部分組成。同步信號(hào)電路用于采樣電網(wǎng)過(guò)零信號(hào)，形成電網(wǎng)過(guò)零脈沖信號(hào)，有些電路是直接將同步脈沖用于觸發(fā)脈沖，有些電路是經(jīng)展寬處理，變?yōu)橛|發(fā)脈沖；門(mén)限控制信號(hào)電路，是觸發(fā)脈沖的“可控通道”，控制流通脈沖數(shù)，也即時(shí)控制晶閘管的導(dǎo)通脈波數(shù)，達(dá)到過(guò)零調(diào)壓控制的目的。另外，晶閘管過(guò)零觸發(fā)電路，主要由同步信號(hào)電路、門(mén)限控制信號(hào)電路、觸發(fā)電路等幾部分組成。同步信號(hào)電路用于采樣電網(wǎng)過(guò)零信號(hào)，形成電網(wǎng)過(guò)零脈沖信號(hào)，有些電路是直接將同步脈沖用于觸發(fā)脈沖，有些電路是經(jīng)展寬處理，變?yōu)橛|發(fā)脈沖；門(mén)限控制信號(hào)電路，是觸發(fā)脈沖的“可控通道”，控制流通脈沖數(shù)，也即時(shí)控制晶閘管的導(dǎo)通脈波數(shù)，達(dá)到過(guò)零調(diào)壓控制的目的。另外，

圖4 模塊化過(guò)零觸發(fā)電路 
上圖中，PC1光耦合器，輸入端為發(fā)光二極管，輸出側(cè)為單向晶閘管，電阻R1、電容C1并聯(lián)于PC1輸出側(cè)單向晶閘的柵、陰極，起到消噪作用，提高電路工作的可靠性。整流二極管D1~D4、電阻R5、R6與PC1輸出側(cè)單向晶閘管，形成雙向晶閘管VT的觸發(fā)電流通路，R5、R6為觸發(fā)回路限流電阻。R7、C2為阻容尖峰電壓吸收元件，保護(hù)晶閘管VT的安全。RL為負(fù)載。 
電阻R2、R3、R4和晶體管VT1組成過(guò)零檢測(cè)電路。D1~D4將輸入交流電壓的兩個(gè)正、負(fù)半波整流為100Hz的脈動(dòng)直流，以使PC1輸出側(cè)晶閘管在網(wǎng)正、負(fù)周波內(nèi)均承受正向電壓，同時(shí)，晶體管VT1只有在電網(wǎng)過(guò)零點(diǎn)附近因基極偏壓不足，處于截止?fàn)顟B(tài)，PC1輸入側(cè)若外控制信號(hào)為高電平（產(chǎn)生輸入電流），輸出側(cè)晶閘管受光觸發(fā)而開(kāi)通，電網(wǎng)過(guò)零后，VT1滿(mǎn)足基極偏流條件，處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，將PC1輸出側(cè)晶閘管的柵、陰極短路，不再接受輸入端信號(hào)控制。換言之，在PC1輸入信號(hào)為高電平的狀態(tài)下，只有在電網(wǎng)電壓過(guò)零點(diǎn)附近，PC1輸出側(cè)晶閘管具備導(dǎo)通條件，后級(jí)電路VT晶閘管只能在電網(wǎng)過(guò)零點(diǎn)附近得到觸發(fā)電流而開(kāi)通，形成過(guò)零觸發(fā)控制。 
光耦合器PC1輸出側(cè)晶閘管的開(kāi)通，是三個(gè)條件共同作用的結(jié)果： 
1）陽(yáng)極、陰極須承受正向電壓，因D1~D4的整流作用，使電網(wǎng)過(guò)零后的正、負(fù)半波期間，均承受正向電壓； 
2）VT1截止期間，也即是電網(wǎng)過(guò)零點(diǎn)附近，能接受控制信號(hào)被觸發(fā)導(dǎo)通； 
3）輸入信號(hào)為高電平期間，也即是輸入側(cè)發(fā)光二極管有輸入電流產(chǎn)生時(shí)，輸出側(cè)晶閘管才能形成光/電轉(zhuǎn)換來(lái)的觸發(fā)電流。 
這里存在一個(gè)問(wèn)題，所謂過(guò)零觸發(fā)，是否在過(guò)零點(diǎn)，晶閘管VT即被觸發(fā)？這是不可能的，
晶閘管VT總是要稍微滯后于過(guò)零點(diǎn)才能被觸發(fā)導(dǎo)通，晶閘管VT的開(kāi)通，同樣受到下面幾個(gè)條件的制約： 
1）晶閘管須承受一定的正向電阻值后，才能開(kāi)通，閘管開(kāi)通也存在一個(gè)“門(mén)坎電壓”； 2）在電網(wǎng)過(guò)零期間施加的觸發(fā)脈沖，如寬度不足或出現(xiàn)過(guò)早，晶閘管承受的正向電壓值尚不能滿(mǎn)足開(kāi)通要求，開(kāi)通電流達(dá)不到“擎住電流”值，則造成觸發(fā)失敗； 
3）控制電路方面的原因，如本電路中VT1在電網(wǎng)過(guò)零后，在尚未滿(mǎn)足發(fā)射結(jié)電壓0.4V以上時(shí)，還處于截止或微導(dǎo)通狀態(tài)，并不能將截止期完全對(duì)準(zhǔn)電網(wǎng)過(guò)零點(diǎn)。 
因而所謂的過(guò)零觸發(fā)，不是絕對(duì)的對(duì)準(zhǔn)一個(gè)過(guò)零點(diǎn)，理解為一個(gè)過(guò)零區(qū)，更為適宜，改變圖4中R3、R4的阻值，可以設(shè)定“過(guò)零區(qū)”的大小。也可以將過(guò)零脈沖理解為移相角度極小的觸發(fā)脈沖，但總會(huì)產(chǎn)生一個(gè)移相角度，是不可能絕對(duì)對(duì)準(zhǔn)過(guò)零點(diǎn)的。 
上文提到過(guò)，圖4電路可構(gòu)成完整的過(guò)零觸發(fā)交流開(kāi)關(guān)或交流調(diào)壓電路，這取決于控制信號(hào)的類(lèi)型。 

圖5 過(guò)零觸發(fā)電路的控制信號(hào)方式 
晶閘管VT總是要稍微滯后于過(guò)零點(diǎn)才能被觸發(fā)導(dǎo)通，晶閘管VT的開(kāi)通，同樣受到下面幾個(gè)條件的制約： 
1）晶閘管須承受一定的正向電阻值后，才能開(kāi)通，閘管開(kāi)通也存在一個(gè)“門(mén)坎電壓”； 2）在電網(wǎng)過(guò)零期間施加的觸發(fā)脈沖，如寬度不足或出現(xiàn)過(guò)早，晶閘管承受的正向電壓值尚不能滿(mǎn)足開(kāi)通要求，開(kāi)通電流達(dá)不到“擎住電流”值，則造成觸發(fā)失??； 
3）控制電路方面的原因，如本電路中VT1在電網(wǎng)過(guò)零后，在尚未滿(mǎn)足發(fā)射結(jié)電壓0.4V以上時(shí)，還處于截止或微導(dǎo)通狀態(tài)，并不能將截止期完全對(duì)準(zhǔn)電網(wǎng)過(guò)零點(diǎn)。 
因而所謂的過(guò)零觸發(fā)，不是絕對(duì)的對(duì)準(zhǔn)一個(gè)過(guò)零點(diǎn)，理解為一個(gè)過(guò)零區(qū)，更為適宜，改變圖4中R3、R4的阻值，可以設(shè)定“過(guò)零區(qū)”的大小。也可以將過(guò)零脈沖理解為移相角度極小的觸發(fā)脈沖，但總會(huì)產(chǎn)生一個(gè)移相角度，是不可能絕對(duì)對(duì)準(zhǔn)過(guò)零點(diǎn)的。 
上文提到過(guò)，圖4電路可構(gòu)成完整的過(guò)零觸發(fā)交流開(kāi)關(guān)或交流調(diào)壓電路，這取決于控制信號(hào)的類(lèi)型。 
 

當(dāng)控制信號(hào)上圖中a電路類(lèi)型時(shí)，操作開(kāi)關(guān)SA，輸出電壓形式也為交流開(kāi)關(guān)電路，電路等效為無(wú)觸點(diǎn)交流開(kāi)關(guān)。SA閉合時(shí)，負(fù)載RL上得到全電壓，電路接通；SA斷開(kāi)時(shí)，負(fù)載RL上電壓為零，電路斷開(kāi)。 
當(dāng)控制電路如上圖b電路時(shí)，輸入控制信號(hào)為變化的H、L電平信號(hào)，該控制信號(hào)可由振蕩電路生成，或儀表輸出信號(hào)，調(diào)寬H、L信號(hào)的時(shí)間比例，即控制輸出晶閘管的通、斷時(shí)間比，此時(shí)的電路便為調(diào)壓輸出電路。輸入的PWM信號(hào)，正是門(mén)限控制電壓信號(hào)，高電平時(shí)觸發(fā)電路“門(mén)開(kāi)”，低電平時(shí)觸發(fā)電路“門(mén)關(guān)”。這種控制信號(hào)，又可稱(chēng)作PWM可調(diào)寬信號(hào)（當(dāng)然信號(hào)頻率要低于50Hz），如使高電平脈沖的占比空產(chǎn)生1~99%的變化，則輸出電壓也挖于1~99%供電電源電壓，負(fù)載所得到的功率也產(chǎn)生1~99%額定功率的變化，因而過(guò)零觸發(fā)調(diào)壓電路，又往往被稱(chēng)為調(diào)功電路（用于電阻負(fù)載的功率調(diào)節(jié)）。 3、晶閘管過(guò)零觸發(fā)電路二 
整機(jī)電路由同步信號(hào)電路、門(mén)限控制信號(hào)電路和觸發(fā)脈沖電路組成，主電路采用晶閘管模塊，內(nèi)含兩只單向晶閘管。若采用一只雙向晶閘管，脈沖變壓器可省掉一個(gè)二次繞組。
1）同步信號(hào)形成電路。電源變壓器TB1的二次12V繞組，兼有供電電源和電網(wǎng)同步信號(hào)采樣兩種“職能”，12V繞組的正弦波電壓信號(hào)，經(jīng)D1~D4橋式整流電路整流后，變?yōu)?00Hz的正向脈波信號(hào)，經(jīng)電阻R1形成晶體管Q1的基極電流，從Q1集成極輸出對(duì)應(yīng)電網(wǎng)過(guò)零點(diǎn)的（高電平）脈沖信號(hào)，加到與非門(mén)U2的1腳。接于Q1基極的R1、C1既起到消噪和限流作用，也形成一定的時(shí)間常數(shù)，使Q1集電極輸出的過(guò)零同步脈沖有一定展寬。

2）門(mén)限控制信號(hào)電路。由時(shí)基電路U1（NE555）及引腳外接元件組成固定振蕩頻率、輸出脈寬可調(diào)的多諧振振蕩器，從3腳輸出的可調(diào)脈寬信號(hào)加到與非門(mén)電路U2的2腳。 本電路門(mén)限控制信號(hào)電路的振蕩周期約為0.35s，固定振蕩頻率約為2.9Hz，RP1調(diào)至中間位置時(shí)，晶閘管SCR1、SCR2連續(xù)導(dǎo)通8個(gè)周波，然后截止8個(gè)周波的時(shí)間；最多導(dǎo)通脈沖數(shù)16個(gè)，截止脈沖波1個(gè)；反最少導(dǎo)通脈波數(shù)1個(gè)，截止脈波數(shù)16個(gè)，電路若為功率調(diào)節(jié)，則調(diào)功比1：16，輸出可調(diào)電壓范圍5V~210V左右。 
3）觸發(fā)脈沖形成電路。U2（HC4011）數(shù)字集成電路內(nèi)含四級(jí)與非門(mén)電路，本電路只用了兩級(jí)。第一級(jí)與非門(mén)路，將輸入同步脈沖信號(hào)與PWM脈沖進(jìn)行與非比較，在門(mén)限信號(hào)為高電平期間，同步脈沖與門(mén)限信號(hào)進(jìn)行相與運(yùn)算，U2的3腳輸出端變?yōu)榈碗娖?；第二?jí)與非門(mén)電路的兩個(gè)輸入端，短接在一起，形成“非門(mén)”電路，對(duì)3腳輸出信號(hào)倒相輸出，輸入脈沖功率放大器Q2的基極，產(chǎn)生脈沖變壓器一次繞組的電流，經(jīng)電磁感應(yīng)，使TB2二次兩個(gè)繞組，得到脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)晶閘管模塊內(nèi)部的兩只晶閘管，控制其調(diào)壓輸出。電路在正、負(fù)半波的兩個(gè)過(guò)零點(diǎn)期間，輸出兩個(gè)觸發(fā)信號(hào)，加到晶閘管模塊內(nèi)的兩只管子的柵陰極上，使其在（電網(wǎng)過(guò)零點(diǎn)后）承受正向電壓期間，依次開(kāi)通。  
    將圖6電路與圖7電路各點(diǎn)波形相對(duì)照，可以“形象地看見(jiàn)”過(guò)零觸發(fā)電路的工作過(guò)程。