三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)電路是眾所周知的，通常用于通用電機(jī)速度控制。本文介紹了通用電機(jī)速度控制電路的基本設(shè)計(jì)。
　　與感應(yīng)電機(jī)不同，通用電機(jī)可以通過(guò)改變電壓輕松控制速度。通過(guò)切掉正弦波形的各個(gè)部分，可以輕松（盡管有些粗糙）改變交流線路的 RMS 電壓?，F(xiàn)代半導(dǎo)體功率器件很容易實(shí)現(xiàn)這種斬波。用于開(kāi)關(guān)交流電源負(fù)載的常用器件是常用于通用電機(jī)速度控制的 Triac（交流三極管）。三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件是一種晶閘管，被簡(jiǎn)單地建模為一塊硅片上的兩個(gè)背靠背硅控整流器 (SCR)，每個(gè) SCR 都用于控制每個(gè)方向上的電流，因此三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件是一個(gè)交流開(kāi)關(guān)。該開(kāi)關(guān)由施加到其柵極端子的一些小信號(hào)控制。本文介紹了通用電機(jī)速度控制電路的基本設(shè)計(jì)。
　　個(gè)三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件
　　通用電氣首先開(kāi)發(fā)了 Triac，并在 1963 年提交的 (US3275909) 中進(jìn)行了披露。Triac 是一種具有五個(gè)半導(dǎo)體區(qū)域的硅器件，這些半導(dǎo)體區(qū)域具有交替的 n 層和 p 層，實(shí)現(xiàn)與由公共柵極信號(hào)控制的 pnpn 開(kāi)關(guān)并聯(lián)的 npnp 開(kāi)關(guān)，從而構(gòu)成雙向開(kāi)關(guān)。根據(jù) MT2 的極性和相對(duì)于 MT1 的柵極，為三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件定義了四個(gè)工作象限。四個(gè)象限是MT2正和門正、MT2正和門負(fù)、MT2負(fù)和門正、MT2負(fù)和門負(fù)，均相對(duì)于MT1。三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)本質(zhì)上在MT2負(fù)極和柵極正極模式下不敏感，因此通常不使用該模式。在三象限雙向可控硅中，這種觸發(fā)模式在器件內(nèi)被完全抑制。
　　換相失敗
　　三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件的一個(gè)問(wèn)題是可能出現(xiàn)換相失敗，而兩個(gè)獨(dú)立的 SCR 則不會(huì)出現(xiàn)這種問(wèn)題。對(duì)于感性負(fù)載，電流將滯后于所施加的線電壓，因此當(dāng)線電壓過(guò)零時(shí)，通過(guò)三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件的導(dǎo)電路徑之一仍將承載電流。即使沒(méi)有施加?xùn)艠O電壓，該負(fù)載電流與器件的寄生電容相結(jié)合也會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤的柵極信號(hào)，并通過(guò)其他 SCR 路徑重新觸發(fā)器件。對(duì)于給定的換向電流變化率 (di/dt)，給定的三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件對(duì)斷態(tài)電壓 (dv/dt) 的上升率有限制。如果應(yīng)用的 dv/dt 超過(guò)雙向可控硅限制，則需要使用外部濾波器網(wǎng)絡(luò)（稱為緩沖器）來(lái)有效限制設(shè)備所承受的 dv/dt。通常，
　　所選的三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件是 BTA216，其額定峰值斷態(tài)電壓為 600 V，連續(xù)電流為 16 A，峰值電流能力為 140 A，可以輕松處理電機(jī)的感性負(fù)載開(kāi)關(guān)。16 A 的連續(xù)電流將使該設(shè)備能夠?yàn)槿魏慰蛇B接到標(biāo)準(zhǔn) 120 V、15 A 電路的負(fù)載供電。臨界上升速率規(guī)定為至少 30 V/μs，因此不需要緩沖電路。BTA216 的觸發(fā)電壓指定為 1.5V。

　　一些小信號(hào)驅(qū)動(dòng)電子器件（主要由比較器和模擬定時(shí)器組成）控制正弦波形中的開(kāi)關(guān)點(diǎn)，用于選通三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件，這決定了“斬?cái)唷倍嗌俳涣鞑ǎ瑥亩淖兞擞行щ妷弘姍C(jī)并控制其速度。單個(gè)電位器可實(shí)現(xiàn)速度控制。該參考設(shè)計(jì)的電路原理圖如圖 1 所示。

　　圖 1. 電機(jī)控制原理圖。由 Blaine Geddes 提供使用。
　　觸發(fā)雙向晶閘管
　　LM311 比較器分接 60 Hz 交流線路的低壓全波整流版本，并將其與小的恒定直流電壓進(jìn)行比較。經(jīng)過(guò)全波整流但未經(jīng)濾波的直流信號(hào)看起來(lái)像相同極性的半正弦脈沖。由于參考電壓非常小，比較器在 60 Hz 線路的每半個(gè)周期以非常低的電壓值觸發(fā)，導(dǎo)致比較器的輸出為窄的低電平有效脈沖，其下降沿觸發(fā) LM555模擬定時(shí)器產(chǎn)生一個(gè)可變持續(xù)時(shí)間的輸出脈沖，該脈沖的持續(xù)時(shí)間由與 0.1 μF 電容器串聯(lián)的電位器的電阻電容時(shí)間常數(shù)設(shè)置。時(shí)間常數(shù)的范圍從 60 Hz 周期的一小部分到半周期脈沖的 50% 以上。
　　LM555 輸出觸發(fā)雙向可控硅。LM555 可以輕松吸收 BTA216 所需的高達(dá) 40 mA 的鎖存柵極電流，因此它可以直接驅(qū)動(dòng) Triac。三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)一旦被觸發(fā)，就需要其端電壓降到零才能關(guān)斷，因此一旦觸發(fā)，三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)就會(huì)導(dǎo)通，直到60Hz交流電源線電壓再次過(guò)零。電位器改變時(shí)間常數(shù)。該電路的調(diào)節(jié)范圍允許電機(jī)的輸出范圍從幾乎完整的 120 V 波形到遠(yuǎn)低于空載電機(jī)失速速度的電壓。圖 2-4 顯示了比較器和 LM555 的示波器針對(duì)一些電位計(jì)設(shè)置捕獲的波形。圖 5-7 顯示了一些電位器設(shè)置的斬波交流輸出。

　

　　圖 2. 用于低電壓電位計(jì)設(shè)置的 LM311 輸出脈沖（頂部）和 LM555 定時(shí)器輸出（底部）。LM311 輸出下降沿觸發(fā) LM555 工作。由 Blaine Geddes 提供使用。

　　圖 3. 用于中間電位器設(shè)置的 LM311 輸出脈沖（頂部）和 LM555 定時(shí)器輸出（底部）。三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件在 LM555 輸出為低電平狀態(tài)期間導(dǎo)通。由 Blaine Geddes 提供使用。

　　圖 4. 接近全電壓輸出的 LM311 輸出脈沖（頂部）和 LM555 定時(shí)器輸出（底部）。三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件在 LM555 輸出為低電平狀態(tài)期間導(dǎo)通。由 Blaine Geddes 提供使用。

　　圖 5. 電機(jī)的交流輸出以實(shí)現(xiàn)全速設(shè)置。當(dāng)三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件關(guān)閉時(shí)，噪聲尖峰是窄開(kāi)關(guān)脈沖，但隨后幾乎立即重新觸發(fā)。由 Blaine Geddes 提供使用。

　　圖 6. 中間速度設(shè)置的交流輸出。60 Hz 正弦波的很大一部分被“截?cái)唷?，?dǎo)致電機(jī)的 RMS 電壓下降。由 Blaine Geddes 提供使用。

　　圖 7. 相對(duì)低速的設(shè)置，其中大部分正弦曲線被關(guān)閉。由 Blaine Geddes 提供使用。
　　所使用的三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件是三象限三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件，可以由相對(duì)于 MT1 為正且 MT2 為正、(b) 為負(fù)且 MT2 為正、或 (c) 為負(fù)且 MT2 為負(fù)的柵極信號(hào)觸發(fā)。由于雙向可控硅無(wú)法在象限內(nèi)觸發(fā)（柵極正極，MT2 負(fù)極）的限制，LM555 的輸出參考小信號(hào)直流正極 (VCC)，而不是接地，并且 VCC 連接到 MT1。 Triac，也是交流線路信號(hào)。這似乎有點(diǎn)違反直覺(jué)，電路信號(hào)通常被設(shè)想為以地為參考，但如果 MT1 連接到地而不是 VCC，則 Triac 的三象限操作將意味著它只能每個(gè)周期切換，而不是每個(gè)周期切換。半個(gè)周期。該電路與連接到 MT1 的交流線路的中性線相連，以避免熱 120 VAC 繞過(guò)卡。VCC 約為 12 伏。
　    顯示了封裝在基本彎曲金屬板盒中的原型電機(jī)控制器。要控制速度的電機(jī)插入標(biāo)準(zhǔn) 120 VAC 插座。該原型的預(yù)期應(yīng)用是金屬車床的速度控制，但通用插座允許連接任何 120 V 通用電機(jī)，例如常見(jiàn)手持式電動(dòng)工具的電機(jī)。
　　組裝好的速度控制單元原型。標(biāo)準(zhǔn) 120 VAC 插座提供可變電壓輸出。由 Blaine Geddes 提供使用。

　　該電路設(shè)計(jì)的電機(jī)是串聯(lián)通用電機(jī)。串聯(lián)電機(jī)的速度在一定電壓范圍內(nèi)近似為電壓的線性函數(shù)，但速度往往會(huì)在某個(gè)閾值處突然下降。對(duì)于車床供電應(yīng)用，圖 8 顯示了測(cè)得的進(jìn)給速率，該速率與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，與速度控制電路的 RMS 電壓相對(duì)。在大約 86 V 時(shí)，該特定電機(jī)無(wú)法產(chǎn)生足夠的扭矩來(lái)克服驅(qū)動(dòng)器的基本摩擦，并且會(huì)停轉(zhuǎn)。從大約 90 V 到 120 V，電機(jī)速度大約是所施加電壓的線性函數(shù)。對(duì)于此應(yīng)用，有用的電機(jī)速度范圍超過(guò) 10 倍，允許小于 0.25 英寸/分鐘的無(wú)級(jí)可變進(jìn)給速率。超過(guò) 2.5 英寸/分鐘。

　　圖 8. 測(cè)量電壓與進(jìn)給速率的關(guān)系。由 Blaine Geddes 提供使用。
　　這里介紹的這種類型的三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)電路是眾所周知的并且通常用于通用電機(jī)速度控制。