移相觸發芯片TCA785在磁粉探傷機周向電流控制中的應用

0?概述

磁粉探傷機由于其結構相對簡單、檢測速度快、成本低、對環境污染較小等特點，已廣泛應用于航空、機械、汽車、內燃機、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定，故需要對周向電流電路控制系統中的可控硅調壓方案進行改進。目前，在生產中使用的磁粉探傷設備中，周向電流多采用2只可控硅反向并聯組成調壓電路。而本文則給出了采用TCA785移相觸發器對可控硅實現調壓的方法。

1?可控硅調壓原理和觸發方式

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點，它使半導體器件的應用從弱電領域進入強電領域，而且廣泛應用于整流、逆變和調壓等大功率電子電路中。可控硅是一種有源開關器件，平時它保持在非導通狀態，直到一個較小的控制信號對其觸發(或稱“點火”)使其導通，而且一旦導通后，即使撤離觸發信號，它也保持導通，而要使其關斷，可在其陽極與陰極間加上反向電壓或將流過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壓方式來控制周向磁化電流。

1.1 可控硅調壓原理

可控硅導通和關斷的條件是：當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，即可實現從關斷到導通；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，可控硅便從導通狀態變為關斷。

產生觸發脈沖是可控硅導通的必要條件之一，其質量將直接對可控硅的工作情況和性能造成影響。因此，產生觸發信號的觸發電路的可靠性直接關系到可控硅調壓裝置的質量。

1.2 可控硅的觸發方式

用可控硅實現交流調壓通常有兩種觸發方式，即過零觸發方式和移相觸發方式。

過零觸發是在電源電壓零點附近觸發晶閘管導通，并通過改變設定周期內晶閘管導通的周波數來實現交流調壓。可控硅定周期過零觸發工作波形如圖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來實現電壓調節。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節負載的輸出電壓。


移相觸發是通過改變導通角來實現調壓。圖2所示就是觸發脈沖的移相觸發角分別為45°、90°和135°時的導通情況，由圖2可知，負載兩端的電壓是隨移相觸發角的變化而變化的。


移相觸發在可控硅的每個正或負周期中都有保持通斷的部分，即輸出連續可調，故能適應各種負載，但在控制過程中，會對電網產生電磁干擾。根據負載性質、使用條件和周圍環境，本設計選擇移相觸發作為可控硅的觸發控制方式。

2 可控硅移相觸發器電路的設計

隨著集成電路制作技術的提高，集成觸發器克服了分立元件觸發器的缺點，因而得到廣泛的應用。本文采用集成觸發電路TCA785來改造現有設備，以提高設備性能。

2.1 TCA785移相觸發器簡介

TCA785移相觸發器屬單片移相觸發器，為雙列直插式16腳大規模集成電路，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節等優點，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經電阻R5到零點鑒相器ZD，當ZD檢測出其過零點后，可送同步寄存器SR寄存，并由SR控制鋸齒波發生器RG，RG的電容C₁₀由電阻R9決定的恒流源SC充電，當電容C₁₀的鋸齒波電壓V₁₀大于移相控制電壓V₁₁時，便產生一個脈沖信號到輸出邏輯單元，并在引腳14(Q1)、引腳15(Q2)產生觸發脈沖。可以看出：觸發脈沖的移相受移相控制電壓V11大小的控制，觸發脈沖Q1、Q2可在0°～180°范圍內移相，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腳為片內產生的同步鋸齒波，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，就可以實現移相控制。脈沖的寬度則由12腳的外接電容值決定，當選擇雙窄脈沖的驅動方式時，12腳應接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通。


2.3 可控硅移相觸發電路的設計

本控制系統的控制對象為CJW-4000型車輪輪對磁粉探傷機，它由電源控制系統、進／出輪系統、噴淋磁化系統、熒光燈系統、磁選液噴淋回收系統以及暗室等組成。設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電路如圖5所示。該電路應用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(0.2 V～V1-2 V)內連續變化時，脈沖輸出Q1和Q2的相位即可在0°～180°范圍內移相。


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)來將正弦波變為方波。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。其應用范圍為150～4700 pF。

引腳6是脈沖信號禁止端。可通過阻值10 kΩ的電阻R2接+15 V電源。當該端電壓小于2.5 V時，輸出脈沖被封鎖；而當該端電壓大于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，從而實現移相控制。11腳可通過電容接+15 V電源。

3 TCA785應用中應注意的問題

TCA785移相觸發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，可控硅的導通角減小。這點在應用中應該注意。

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。

若把該觸發電路用于周向電流充退磁，應在可控硅輸出的交流電流后加整流橋，以將該電流變為直流，再與磁粉探傷機周向線圈連接。

4 結束語

本文以TCA785為核心的可控硅移相觸發電路，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，從而提高產品質量。該電路設計相對簡單、可靠性好，并可有效地保障探傷機的檢測質量。