TCA785晶闸管移相触发集成电路应用

TCA785是德国西门子(Siemens)公司于 1988年前后开发的第三代晶闸管单片移相触发集成电路，它是取代TCA780及TCA780D的更新换代产品，其引脚排列与TCA780、 TCA780D和国产的KJ785完全相同，因此可以互换。目前，它在国内变流行业中已广泛应用。与原有的KJ系列或KC系列晶闸管移相触发电路相比，它对零点的识别更加可靠，输出脉冲的齐整度更好，而移相范围更宽，且由于它输出脉冲的宽度可人为自由调节，所以适用范围较广。 一、引脚排列、各引脚的功能及用法

TCA785是双列直插式的16引脚大规模集成电路。它的引脚排列如图1所示。

图1 TCA785的引脚排列(脚朝下)

各引脚的名称、功能及用法如下:

引脚16(VS)：电源端。使用中直接接用户为该集成电路工作提供的工作电源正端。

引脚1(OS)：接地端。应用中与直流电源VS、同步电压VSYNC及移相控制信号V11的地端相连接。 引脚4(Q1)和2(Q2)：输出脉冲1与2的非端。该两端可输出宽度变化的脉冲信号，其相位互差180°，两路脉冲的宽度均受非脉冲宽度控制端引脚13 (L)的控制。它们的高电平最高幅值为电源电压VS，允许最大负载电流为10mA。若该两端输出脉冲在系统中不用时，电路自身结构允许其开路。

引脚14(Q1)和15(Q2)：输出脉冲1和2端。该两端也可输出宽度变化的脉冲，相位同样互差180°，脉冲宽度受它们的脉宽控制端引脚12(C12)的控制。两路脉冲输出高电平的最高幅值为VS。

引脚13(L)：非输出脉冲宽度控制端。该端允许施加电平的范围为-0.5V~VS，当该端接地时，Q1、Q2为最宽脉冲输出，而当该端接电源电压VS时，Q1、Q2为最窄脉冲输出。

引脚12(C12)：输出Q1、Q2脉宽控制端。应用中，通过一电容接地，电容C12的电容量范围为150~4700pF，当C12在 150~1000pF范围内变化时，Q1、Q2输出脉冲的宽度亦在变化，该两端输出窄脉冲的最窄宽度为100μs，而输出宽脉冲的最宽宽度为 2000μs。

引脚11(V11)：输出脉冲Q1、Q2或Q1、Q2移相控制直流电压输入端。应用中，通过输入电阻接用户控制电路输出，当TCA785工作于50Hz，且自身工作电源电压Vs为15V时，则该电阻的典型值为15kΩ，移相控制电压V11的有效范围为0.2V~Vs-2V，当其在此范围内连续变化时，输出脉冲Q1、Q2及Q1，Q2的相位便在整个移相范围内变化，其触发脉冲出现的时刻为 trr=(V11R9C10)/(VREFK)

式中 R9、C10、VREF── 分别为连接到TCA785引脚9的电阻、引脚10的电容及引脚8输出的基准电压

K── 常数

为降低干扰，应用中引脚11通过0.1μF的电容接地，通过2.2μF的电容接正电源。

引脚10(C10)：外接锯齿波电容连接端。C10的实用范围为500pF~1μF。该电容的最小充电电流为10μA。最大充电电流为1mA，它的大小受连接于引脚9的电阻R9控制，C11两端锯齿波的最高峰值为VS-2V，

其典型后沿下降时间为80μs。

引脚9(R9)：锯齿波电阻连接端。该端的电阻R9决定着C10的充电电流，其充电电流可按下式计算： I10=VREFK/R9

连接于引脚9的电阻亦决定了引脚10锯齿波电压幅度的高低，锯齿波幅值为： V10=VREFKt/(R9C10) 电阻R9的应用范围为3~300kΩ。

引脚8(VREF)：TCA785自身输出的高稳定基准电压端。负载能力为驱动10块CMOS集成电路，随着TCA785应用的工作电源电压VS及其输出脉冲频率的不同，VREF的变化范围为2.8~3.4V，当TCA785应用的工作电源电压为15V，输出脉冲频率为50Hz时，VREF的典型值为 3.1V，如用户电路中不需要应用VREF，则该端可以开路。

引脚7(QZ)和3(QV)：TCA785输出的两个逻辑脉冲信号端。其高电平脉冲幅值最大为VS-2V，高电平最大负载能力为10mA。QZ为窄脉冲信号，它的频率为输出脉冲Q2与Q1或Q1与Q2的两倍，是Q1与Q2或Q1与Q2的或信号，QV为宽脉冲信号，它的宽度为移相控制角φ+180°，它与 Q1、Q2或Q1、Q2同步，频率与Q1、Q2或Q1、Q2相同，该两逻辑脉冲信号可用来提供给用户的控制电路作为同步信号或其它用途的信号，不用时可开路。

引脚6(I)：脉冲信号禁止端。该端的作用是封锁Q1、Q2及Q1、Q2的输出脉冲，该端通常通过阻值10kΩ的电阻接地或接正电源，允许施加的电压范围为-0.5V~VS，当该端通过电阻接地，且该端电压低于2.5V时，则封锁功能起作用，输出脉冲被封锁。而该端通过电阻接正电源，且该端电压高于4V 时，则封锁功能不起作用。该端允许低电平最大灌电流为0.2mA，高电平最大拉电流为0.8mA。

引脚5(VSYNC)：同步电压输入端。应用中需对地端接两个正反向并联的限幅二极管，该端吸取的电流为20~200μA，随着该端与同步电源之间所接的电阻阻值的不同，同步电压可以取不同的值，当所接电阻为200kΩ时，同步电压可直接取~220V。 二、基本设计特点和极限参数 1．主要设计特点

TCA785的基本设计特点有：能可靠地对同步交流电源的过零点进行识别，因而可方便地用作过零触发而构成零点开关；它具有宽的应用范围，可用来触发普通晶闸管、快速晶闸管、双向晶闸管及作为功率晶体管的控制脉冲，故可用于由这些电力电子器件组成的单管斩波、单相半波、半控桥、全控桥或三相半控、全控整流电路及单相或三相逆变系统或其它拓扑结构电路的变流系统；它的输入、输出与CMOS及TTL电平兼容，具有较宽的应用电压范围和较大的负载驱动能力，每路可直接输出250mA的驱动电流；其电路结构决定了自身锯齿波电压的范围较宽，对环境温度的适应性较强，可应用于较宽的环境温度范围(-25~+85° C)和工作电源电压范围(-0.5~+18V)。 2．极限参数

(1)电源电压：+8~18V或±4~9V； (2)移相电压范围：0.2V~VS-2V; (3)输出脉冲最大宽度：180°； (4)最高工作频率：10~500Hz； (5)高电平脉冲负载电流：400mA； (6)低电平允许最大灌电流：250mA；

(7)输出脉冲高、低电平幅值分别为VS和0.3V； (8)同步电压随限流电阻不同可为任意值； (9)最高工作频率：10~500Hz；

(10)工作温度范围：军品 -55~+125℃ 工业品 -25~+85℃ 民品 0~+70℃ 三、 典型应用举例

由于TCA785自身的优良性能，决定了它可以方便地用于主电路为单个晶闸管或晶体管，单相半控桥、全控桥和三相半控桥、全控桥及其它主电路形式的电力电子设备中触发晶闸管或晶体管，进而实现用户需要的控温、调压、直流调速、交流调速及直流输电等目的。使用中应当注意TCA785的工作为负逻辑，即控制电压V11增加，输出脉冲的α角增大，相当于晶闸管的导通角减小。以其用于温控系统为例。 温度控制在电力电子技术领域中有着广泛的应用，如晶闸管和晶体管等电力电子器件制造工艺中的扩散、烧结，晶闸管出厂寿命测试的热疲劳、高温阻断试验等，都需要精确的温度控制。图2给出了TCA785用于这类系统中触发双向晶闸管来控温的详细电路图。

图中应用TCA785输出的Q1及Q2脉冲分别在交流电源的正负半周来直接触发晶闸管，移相控制电压V11来自温度调节器TA的输出，TCA785自身的工作电源直接由电网电压半波整流滤波、稳压管稳压后得到。这种结构省去了常规需要的控制变压器，使整个电路得以简化，温度反馈应用温度传感器得到，故这种温控系统有较高的控温精度。

图2 TCA785在温度控制系统中的应用

用TCA785构成适应宽频率范围的晶闸管触发器

作者：李宏 邹… 文章来源：电源技术应用

摘要：介绍了一种应用TCA785及频率／电压变换器构成的三相同步电压频率自适应触发器，该触发器可自动跟踪同步输入电压频率的大范围变化。不但详细介绍了该触发器的工作原理和工作波形，而且给出了其实用效果。 关键词：TCA785；频率自适应；触发器 0 引言

触发器是晶闸管类电力电子设备中必不可少的单元。自从1957年晶闸管问世至今，经过近50年的研究和探索，伴随着晶闸管容量的不断增大，派生器件的日益增多，有关晶闸管触发器的研究也在不断发展，尽管如今可供电力电子行业工程技术人员使用的晶闸管触发器种类繁多，但从大的方面可把它们归纳为模拟式、数字式、数模混合式3大类。对模拟式晶闸管触发器来说，常用的又可分为正弦波同步和锯齿波同步的两大家族。采用正弦波同步的触发器，由于对同步信号幅值和正弦波的波形要求较严，如今已较少应用，而锯齿波同步的模拟式触发器在当今晶闸管电力电子设备中获得了甚为广泛的应用。然而这种触发器由于是通过恒流源对电容充电来得到锯齿波的，往往电容和恒流源输出电流在触发器制作过程中便设定为定值，当同步电压频率降低时，则锯齿波宽度增加，充电时间变长，造成锯齿波幅值增高，相反当同步电压频率升高时，锯齿波宽度变窄，充电时间变短，造成锯齿波幅值降低，因此，当移相控制电压一定时，由于同步电压频率变化，导致输出触发脉冲的控制角不相同，便很难达到稳定输出的要求，自然很难适应同步电压频率的变化，本文介绍的新型晶闸管触发器可以弥补这些不足。 l 实现适应宽频率范围触发器的关键

常规模拟式锯齿波同步触发器不能适应同步电压频率宽范围变化的根本原因在于，这种触发器是以恒流源给定值电

容充电来形成锯齿波的，因而当同步电压频率大范围变化时，给该电容充电的时间便有较大的变化，导致了锯齿波幅值随频率变化而大幅度变化，这种触发器要适应同步电压的宽范围变化，必须保证锯齿波的宽度跟随同步电压的频率变化。要求锯齿波的幅值保持恒定，可以通过两种方法来实现：一是维持恒流源输出电流不变，而使电容的电容量跟随同步电压频率变化，当同步电压频率增加时，使电容的电容量减小，而当同步电压频率降低时，使电容的电容量增加，从而实现电压的幅值不变；另一种办法是保持电容的电容量不变，而使给电容充电的恒流源输出电流随同步电压的频率变化，当同步电压频率增加时，使该恒流源输出电流增加，而当同步电压频率降低时，使该恒流源输出电流减小。实际上要实现电容量随同步电压频率连续变化的可变电容是极为困难的，而构成输出电流随同步电压频率连续变化的恒流源却较容易，本文介绍的宽频率范围晶闸管触发器正是按后者来T作的。 2 适应宽频率范围的单相晶闸管触发器实现电路

图1给出了可适应宽频率范围的单相晶闸管触发器的电路原理图，从图l可知，该触发器共使用了一片LM324四运算放大器、一个LM331频率／电压变换器和一个单相晶闸管触发器集成电路TCA785，图2给出了该触发器各主要部分的工作波形，其工作原理可分析如下。

2.1 比较器

图1中运算放大器(LM324的A单元)用作比较器，其作用是把正弦波同步电压与零电平比较变为同周期的方波信号，经此处理使触发器的工作与同步电压的幅值和正弦波的波形失真与否没有多大关系。 2.2 频率／电压变换器

LM33l为标准的频率／电压及电压／频率变换器集成电路，图l中的用法为频率／电压变换器，它与运算放大器LM324的B单元一起构成精度较高、线性度很好的频率／电压变换器电路。该电路通过电容C1把比较器A输出的方波微分成叠加有微分尖脉冲的电压信号(为了保证频率／电压变换器的分辨率，电容C1不宜过大，且应随频率增高电容量有所减小)，LM331在内部把此频率信号转化为与同步电压频率成比例的电压信号，并从脚l输出，频率／电压变换器输出电压的高低除与同步电压的频率fT成正比外，还与图1中的电阻R4与电容C2成正比，该频率／电压变换器的转换精度与电容C2的取值有关，当频率较高时，则电容C2的取值应相应减小，否则高频段将失真，不利于提高转换的线性度。 2.3 恒流源

图1中运算放大器LM324的D单元构成恒流源，使用中为保证恒流源的线性度，应充分保证电阻R16与R17阻值不小于R14与R15的10倍，且R14与R15、R16与R17两两之间阻值误差要尽可能地小，只有这样才能保证锯齿波的线性度，调试时有时测得的锯齿波为下凹的，这是由于R14与R15或R16与R17两个电阻之间阻值有较大的差值造成的。 2.4 触发脉冲形成

图1中专用集成电路TCA785担当触发脉冲的形成环节，它的脚13接高电平则输出为窄脉冲，脉冲的宽度由脚12所接的电容Cp决定，脚11为移相电压输入端，脚5为同步电压输入端，脚15与脚14分别为对应同步电压负正半周的触发脉冲输出端，在TCA785的内部集成了给脚10外接的电容充电的恒流源，该恒流源输出电流的大小由其引脚9对接地端(引脚1)所接电阻的大小唯一决定，图l中引脚9悬空，相当于内部恒流源的输出电流为零，因而通过外部恒

流源给电容CT充电形成锯齿波，这是该触发器最巧妙的地方，该锯齿波与脚11输入的移相控制电压进行比较，从而形成移相触发脉冲。图1中C4与C为抗干扰电容，而整流管D1与D2是因为TCA785单电源工作用来削波的，也就是说TCA785单电源工作时要求的同步电压峰值为±O．7V。 2.5 锯齿波幅值调节用放大器

图1中LM324的C单元构成反相输入放大器，用以来对频率／电压变换器的输出电压进行放大，电位器Rp用来调节恒流源输入电压的大小，也就调整了给电容C7充电电流的大小，进而调整了锯齿波的幅值。 可适应同步电压宽频率范围的单相晶闸管触发器的主要工作波形，如图2所示。

3 适应宽频率范围的三相晶闸管触发器

图3给出了应用图1所示的单相晶闸管触发器构成的三相晶闸管触发器的原理图，图3中为提高频率／电压转换器的分辨率，由C1、C2、C3构成或门，使频率／电压变换器的输入频率相对图l提高3倍，图3中每个虚线框内的电路与图l中虚线框内的电路相同，6路双脉冲形成器集成电路KJ04l在此处用来把三相6路单脉冲变换成为6路相位彼

此瓦差60°的双窄脉冲，图4给出了图3所示的三相晶闸管触发器的工作波形图。

4 实用效果

图3所示的晶闸管触发器已由陕西高科电力电子有限责任公司批量生产，并已成功地应用于该公司为某研究单位核聚变模拟试验装置(HL一2A磁场电源装置)配套牛产的8台晶闸管可控整流电源(容量为lOOOV／12kA与600V／12 kA各4台)中。该晶闸管电源由采用飞轮储能的发电机供电，在供电的过程中，由于飞轮储存能量的下降，因而使发电机输出交流电压的频率在80～120Hz范围内变化，但用户负载又要求在给定控制信号一定时，输出直流电压不随交流输入电压频率而变化，因而对触发器的频率跟踪性能提出了很高的要求。

图5~图7分别给出了在同一移相控制电压Vk下，同步电压频率分别为50Hz、80Hz、100Hz时，同步电压(上)与同步锯齿波(中)及输出触发脉冲(下)的对应关系示图，从图5~图7可明显看出同步电压频率从50Hz到100Hz大范围变化时，同步锯齿波的幅值(9．7 V)与触发控制角始终保持在相对同步锯齿波中间位置90°不变，经实测，当同步输入电压的频率在30～160Hz范围内变化时，该触发器的锯齿波幅值及同一移相给定电压下的触发脉冲相位都保持不变，完全胜任了同步电压频率的宽范围变化，更应提到的是，由于工作现场二十几台大直流电源同时运行，磁场干扰及电场干扰都极为严重，该触发器的抗干扰性能亦得到了检验。

5 结语

1)与锯齿波同步的晶闸管触发器适应同步电压频率大范围变化的关键，是保证同步锯齿波的频率跟踪同步电压频

率，但其幅值应保持恒定不变。

2)实现变频率恒幅值锯齿波的核心是构成线性度优良的频率／电压变换器，以该频率／电压变换器的输出形成高精

度恒流源，给电容线性充电。

3)TCA785是一个专用触发脉冲形成器集成电路，它可应用内部恒流源给外接电容充电，也可把内部恒流源的电流设定为零，应用外部恒流源给外接电容充电形成锯齿波，这给应用TCA785构成适应宽频率范围变化的晶闸管触发器

奠定了坚实的基础。

4)理论分析和实验验证都证明了文中介绍的触发器之可行性与实用性及鲁棒性，勿须赘述，其应用前景将是十分广

阔的。