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

0?概述

磁粉探傷機由于其結(jié)構(gòu)相對簡單、檢測速度快、成本低、對環(huán)境污染較小等特點，已廣泛應(yīng)用于航空、機械、汽車、內(nèi)燃機、鐵道、船泊等部門。由于某些車輪輪對熒光磁粉探傷機的退磁不穩(wěn)定，故需要對周向電流電路控制系統(tǒng)中的可控硅調(diào)壓方案進行改進。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)器對可控硅實現(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、價格低廉、控制靈敏和使用壽命長等優(yōu)點，它使半導(dǎo)體器件的應(yīng)用從弱電領(lǐng)域進入強電領(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有源開關(guān)器件，平時它保持在非導(dǎo)通狀態(tài)，直到一個較小的控制信號對其觸發(fā)(或稱“點火”)使其導(dǎo)通，而且一旦導(dǎo)通后，即使撤離觸發(fā)信號，它也保持導(dǎo)通，而要使其關(guān)斷，可在其陽極與陰極間加上反向電壓或?qū)⒘鬟^可控硅二極管的電流減少到某一個閥值以下。磁粉探傷機的磁化電路絕大多采用可控硅調(diào)壓方式來控制周向磁化電流。

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，即可實現(xiàn)從關(guān)斷到導(dǎo)通；而陽極電位高于陰極電位且陽極電流大于維持電流時，可維持可控硅的導(dǎo)通；陽極電位低于陰極電位或陽極電流小于維持電流時，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

用可控硅實現(xiàn)交流調(diào)壓通常有兩種觸發(fā)方式，即過零觸發(fā)方式和移相觸發(fā)方式。

過零觸發(fā)是在電源電壓零點附近觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通，并通過改變設(shè)定周期內(nèi)晶閘管導(dǎo)通的周波數(shù)來實現(xiàn)交流調(diào)壓?？煽毓瓒ㄖ芷谶^零觸發(fā)工作波形如圖1所示。圖1中，Tc為控制信號的周期，tl和t2分別為可控硅的通、斷時間，且Tc=t1+t2。該電路是通過改變可控硅的通斷時間，即改變通斷的周波數(shù)來實現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)。通常控制電路先把負載與輸入電壓U在周期Tc時間接通t1秒(通n個周波)，然后再斷開t2秒(斷m個周波)，即通過改變通斷時間來調(diào)節(jié)負載的輸出電壓。


移相觸發(fā)是通過改變導(dǎo)通角來實現(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°時的導(dǎo)通情況，由圖2可知，負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)在可控硅的每個正或負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)各種負載，但在控制過程中，會對電網(wǎng)產(chǎn)生電磁干擾。根據(jù)負載性質(zhì)、使用條件和周圍環(huán)境，本設(shè)計選擇移相觸發(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

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，因而得到廣泛的應(yīng)用。本文采用集成觸發(fā)電路TCA785來改造現(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，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，腳5接同步信號，腳12通過電容接地，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到零點鑒相器ZD，當(dāng)ZD檢測出其過零點后，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，便產(chǎn)生一個脈沖信號到輸出邏輯單元，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腳為外界同步信號端，用于檢測交流電壓過零點。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，因此，改變11腳的控制電壓，就可以實現(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)動方式時，12腳應(yīng)接150pF電容。實際上，有幾十個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

本控制系統(tǒng)的控制對象為CJW-4000型車輪輪對磁粉探傷機，它由電源控制系統(tǒng)、進／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。

車輪輪對熒光磁粉探傷機的可控硅移相觸發(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半周來直接觸發(fā)晶閘管，移相控制電壓U11來自外接的直流電源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，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來的信號都是正弦信號，而且TCA785是利用檢測過零的原理來實現(xiàn)同步的，因此，如果正弦波的幅值過小，那么就不能提供清晰的過零點，同時電磁干擾也可能導(dǎo)致過零點檢測錯誤，但是，正弦波的幅值過大又會超過芯片的同步電壓輸入范圍，所以應(yīng)將同步信號整形成方波。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，以用于檢測交流電壓的過零點，同時對地端接兩個正、反向并聯(lián)的限幅二極管，以起保護作用。

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是脈沖信號禁止端?？赏ㄟ^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，輸出脈沖被封鎖；而當(dāng)該端電壓大于4 V時，封鎖功能不起作用。因此，該腳可作為主電路的可控硅過流、過熱保護使用。

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，從而實現(xiàn)移相控制。11腳可通過電容接+15 V電源。

3 TCA785應(yīng)用中應(yīng)注意的問題

TCA785移相觸發(fā)器采用的是負邏輯工作方式，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提供清晰的過零點信號。

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?，再與磁粉探傷機周向線圈連接。

4 結(jié)束語

本文以TCA785為核心的可控硅移相觸發(fā)電路，可對車輪輪對熒光磁粉探傷機周向磁場的充退磁實現(xiàn)有效控制，這樣，不僅可使充磁能夠通過吸引熒光磁粉有效的檢測出車輪是否有裂紋，還能把檢測完畢的輪對磁場降到標準以內(nèi)，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量。該電路設(shè)計相對簡單、可靠性好，并可有效地保障探傷機的檢測質(zhì)量。