双向可控硅MAC97A6的电路应用.doc

双向可控硅MAC97A6的电路应用家电维修 2010-08-22 00:08:15 阅读2916 评论2 字号：大中小订阅 MAC97A6为小功率双向可控硅（双向晶闸管），最多应用于电风扇速度控制或电灯的亮度控制，市场上流行的“电脑风扇”或“电子程控风扇”，不外乎是用集成电路控制器与老式风扇相结合的新一代产品。这里介绍的电路就是利用一块市售的专用集成电路RY901及MAC97A6，将普通电扇改装为具有多功能的高档电扇，很适宜无线电爱好者制作与改装。 这种新型IC的主要特点是：（1）集开关、定时、调速、模拟自然风为一体，外围元件少、电路简单、易于制作；（2）省掉了体积较大的机械定时器和调速器，采用轻触式开关和电脑控制脉冲触发，因而无机械磨损，使用寿命长；（3）各种动作电脑程序具备相应的发光管指示，耗电量少，体积小，重量轻，显示直观，便于操作；（4）适合开发或改造成多路家电的定时控制等。RY901采用双列直插式16脚塑封结构，为低功耗CMOS集成电路。其外形、引出脚排列及各脚功能如图1所示。工作原理 典型应用电路如图2所示（ url=http:/www.sydzdiy.com/ad/ykkz/fsdlkz.rar点击下载原理图/url ）。市电220V由C1、R1降压VD9稳压，经VD10、C2整流滤波后, 提供5V6V左右的直流电源作为RY901IC组成的控制器电压。在刚接通电源时，电脑控制器暂处于复位（静止）状态，面板上所有发光二极管VD1VD8均不亮，电风扇不转。若这时每按动一次风速选择键SB3，可依次从IC的1113脚输出控制电平（脉冲信号），经发光管VDlVD3和限流电阻R2R4，分别触发双向晶闸管VS1VS3的G极，用以控制它的导通与截止，再经电抗器L进行阻抗变换，即可按强风、中风、弱风、强风的顺序来改变其工作状态，并且风速指示管VD1VD3（红色）对应点亮或熄灭；当按风型选择键SB4，电风扇即按连续风（常风）、阵风（模拟自然风）、连续风的方式循环改变其工作状态，在连续风状态下，风型指示管VD4（黄色）熄灭，在阵风状态下，VD4闪光；当按动定时时间选择键SB2，定时指示管VD5VD8依次对应点亮或熄灭，即每按动一次SB2，可选择其中一种定时时间，共有0.5、l、2、4小时和不定时5种工作方式供选择。当定时时间一到，IC内部的定时电路停止工作，相应的定时指示管熄灭 同时IC的1113脚也无控制信号输出，双向晶闸管VS1VS3截止，从而导致风扇自动停止运转；在风扇不定时工作时，欲停止风扇转动，只要按动一下复位开关SB1，所有指示灯熄灭，电源被切断，风扇停转；如欲启动风扇，照上述方法操作即可。元器件选择与制作图中除降压电容C1用优质的CBB-400V聚苯电容；泄放保护电阻R1用1W金属膜电阻或线绕电阻外，其余元器件均为普通型。电阻为1/8W；电解电容的耐压值取10V16V，C1取值范围为0.47ulu之间；稳压管VD9为5V6V/1W,可选用ZCW104（旧型号为ZCW21B）硅稳压管；VS1VS3为1A/400V小型塑封双向晶闸管，可选用MAC94A4型或MAC97A6型；L为电抗器，可以自制，亦可采用原调速器中的电抗器；SB1SB4为轻触型按键开关（也叫微动或点动开关），有条件的可采用导电橡胶组合按键开关。电路焊接无误，一般不用调试就能工作。改装方法该电路对所有普通风扇都能进行改装。将焊接好的电路板装进合适的塑料肥皂盒或原调速器盒中，将原分线器开关拆除不用，留出空余位置便于安装印制板电路。一般风扇用电抗器均采取5挡。不妨利用其中、挡，将强风（第1挡）、中风（第2挡）弱风（第3挡）分别接到电抗器的各挡中。若有的调速器中无电抗器，风扇电机则是采取抽头方式改变风速的，同样将三种风速分别接至分线器的三极引线中。在改装中特别要注意安全，印制板上220V交流电源接线端及所有导电部位应与调整器盒的金属件严格隔离。改装完毕，可用测电笔碰触调速器有否漏电。否则应进一步采取绝缘措施。通电试验时，用万用表DC10V档测C2两端电压应为5V6V之间，若不正常，应重点检查整流稳压电路，然后再分别按动SB1SB4开关，观察各路指示管VD1VD8应按对应的选择功能发光或熄灭，风扇也应同步工作于不同状态。 采用TVVH9238-LC901及MAC97A6的多功能无线电遥控电风扇电路图本例介绍的电风扇无线遥控调速器是采用4位遥控模块和一块风扇调速集成电路，它可将普通电风扇改造成无线电遥控多功能调速风扇。 工作原理电风扇无线遥控调速器的风扇接收部分电路原理图如图1所示。发射部分是一个4位TWH9236匙扣式发射器，其A键用作风速（SPEED）调节、B键为风类（MODE）调节，C键为定时（TIME）设定，D键为关（OFF）。图1中IC1是与TWH9236遥控发射器相对应的TWH9238接收模块，其A, B、C, D 4个引脚与发射器上A、B、C、D4个按键是一一对应的。 IC3是一块LC901电风扇调速专用集成电路，其1、巧、14和5脚分别为风速（SPEED）、风类（MODE)、定时(TIME）、关（OFF)控制设定端，低电平触发有效。当1脚反复受到低电平触发，风速依次为强风（S）中风（M）弱风（L)一强风(S)，11脚为强风输出端S, 12脚为中风输出端M, 13脚为弱风输出端L，有效输出为高电平，分别触发驱动双向晶闸管VTH1一VTH3,使其导通，通过电抗器L使电风扇M获得不同的电压以实现调速的目的。VL6V比分别为强风、中风、弱风指示灯。当5脚受到低电平触发时，11一13脚均无输出，电风扇停转，芯片处于静止状态，即关机。在关机状态时，1脚兼作起动端，可使电风扇起动运转。15脚受到低电平触发，可使风类在正常风与自然风之间进行切换，VI5为风类指示灯，熄灭时为正常风，闪烁麦光时为自然风。14脚反复受到低电平触发时，可使电路处于不定时-0 5h- 1 h-2h-4h一不定时一，7一10脚所接的VU一VL4分别为4h、2h、lh、0 5h定时显示指示灯。由于TWH9238 (ICl )数据输出端有效输出为高电平，故通过反相器反相将其转换为低电平，以分别触发IC3的1、15、14和5，所以通过遥控发射机A一D4个按键就能方便地控制电风扇的风速、风类、定时及关机。元器件选择ICl与发射器选用广东中山达华电子厂生产的TWH9236/9238系列无线电发射与接收模块；IC2的4个反相器可选用一块CD4069六反相器数字集成电路中任意4个完好的反相器，另2个不用的反相器应将其输人端进行接地处理而不要悬空，可消除不必要的干扰。IC3选用LC901电风扇调速专用集成电路。VTH1 - VTH3可用MAC97A6（IA/600V）小型塑料封装双向晶闸管。VS选0.5W、6V稳压二极管，如1N5233、2CW21 C等型号。L可用电风扇机械调速器中的电抗器，一般机械调速器有5挡转速，现只有3挡，所以要空出线圈2个抽头不用。C3要求采用CBB/3-400V型聚丙烯电容器。MAC97A6的技术参数产品型号:MAC97A6双向可控硅断态重复峰值电压VDRM(Max)(V):400反向重复峰值电压VRRM(Max)(V):400额定正向平均电流IF(Max)(A):6 额定电流小于1安培控制功率小于60瓦以下门极触发电流IGT(Max)(mA):7门极触发电压VGT(Max)(V):2.500封装/温度():3TO92/-40110价格/1片(套):￥1.05图片：双向可控硅的工作原理1.可控硅是P1N1P2N2四层三端结构元件，共有三个PN结，分析原理时，可以把它看作由一个PNP管和一个NPN管所组成 当阳极A加上正向电压时，BG1和BG2管均处于放大状态。此时，如果从控制极G输入一个正向触发信号，BG2便有基流ib2流过，经BG2放大，其集电极电流ic2=2ib2。因为BG2的集电极直接与BG1的基极相连，所以ib1=ic2。此时，电流ic2再经BG1放大，于是BG1的集电极电流ic1=1ib1=12ib2。这个电流又流回到BG2的基极，表成正反馈，使ib2不断增大，如此正向馈循环的结果，两个管子的电流剧增，可控硅使饱和导通。由于BG1和BG2所构成的正反馈作用，所以一旦可控硅导通后，即使控制极G的电流消失了，可控硅仍然能够维持导通状态，由于触发信号只起触发作用，没有关断功能，所以这种可控硅是不可关断的。 由于可控硅只有导通和关断两种工作状态，所以它具有开关特性，这种特性需要一定的条件才能转化2,触发导通 在控制极G上加入正向电压时（见图5）因J3正偏，P2区的空穴时入N2区，N2区的电子进入P2区，形成触发电流IGT。在可控硅的内部正反馈作用（见图2）的基础上，加上IGT的作用，使可控硅提前导通，导致图3的伏安特性OA段左移，IGT越大，特性左移越快。一、可控硅的概念和结构？晶闸管又叫可控硅。自从20世纪50年代问世以来已经发展成了一个大的家族，它的主要成员有单向晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管、逆导晶闸管、可关断晶闸管、快速晶闸管，等等。今天大家使用的是单向晶闸管，也就是人们常说的普通晶闸管，它是由四层半导体材料组成的，有三个PN结，对外有三个电极图2(a)：第一层P型半导体引出的电极叫阳极A，第三层P型半导体引出的电极叫控制极G，第四层N型半导体引出的电极叫阴极K。从晶闸管的电路符号图2(b)可以看到，它和二极管一样是一种单方向导电的器件，关键是多了一个控制极G，这就使它具有与二极管完全不同的工作特性。 图2 二、晶闸管的主要工作原理及特性为了能够直观地认识晶闸管的工作特性，大家先看这块示教板(图3)。晶闸管VS与小灯泡EL串联起来，通过开关S接在直流电源上。注意阳极A是接电源的正极，阴极K接电源的负极，控制极G通过按钮开关SB接在3V直流电源的正极(这里使用的是KP5型晶闸管，若采用KP1型，应接在1.5V直流电源的正极)。晶闸管与电源的这种连接方式叫做正向连接，也就是说，给晶闸管阳极和控制极所加的都是正向电压。现在我们合上电源开关S，小灯泡不亮，说明晶闸管没有导通；再按一下按钮开关SB，给控制极输入一个触发电压，小灯泡亮了，说明晶闸管导通了。这个演示实验给了我们什么启发呢? 图3 这个实验告诉我们，要使晶闸管导通，一是在它的阳极A与阴极K之间外加正向电压，二是在它的控制极G与阴极K之间输入一个正向触发电压。晶闸管导通后，松开按钮开关，去掉触发电压，仍然维持导通状态。 晶闸管的特点： 是“一触即发”。但是，如果阳极或控制极外加的是反向电压，晶闸管就不能导通。控制极的作用是通过外加正向触发脉冲使晶闸管导通，却不能使它关断。那么，用什么方法才能使导通的晶闸管关断呢?使导通的晶闸管关断，可以断开阳极电源(图3中的开关S)或使阳极电流小于维持导通的最小值(称为维持电流)。如果晶闸管阳极和阴极之间外加的是交流电压或脉动直流电压，那么，在电压过零时，晶闸管会自行关断。可控硅是P1N1P2N2四层三端结构元件，共有三个PN结，分析原理时，可以把它看作由一个PNP管和一个NPN管所组成，其等效图解如图1所示 当阳极A加上正向电压时，BG1和BG2管均处于放大状态。此时，如果从控制极G输入一个正向触发信号，BG2便有基流ib2流过，经BG2放大，其集电极电流ic2=2ib2。因为BG2的集电极直接与BG1的基极相连，所以ib1=ic2。此时，电流ic2再经BG1放大，于是BG1的集电极电流ic1=1ib1=12ib2。这个电流又流回到BG2的基极，表成正反馈，使ib2不断增大，如此正向馈循环的结果，两个管子的电流剧增，可控硅使饱和导通。 由于BG1和BG2所构成的正反馈作用，所以一旦可控硅导通后，即使控制极G的电流消失了，可控硅仍然能够维持导通状态，由于触发信号只起触发作用，没有关断功能，所以这种可控硅是不可关断的。由于可控硅只有导通和关断两种工作状态，所以它具有开关特性，这种特性需要一定的条件才能转化，此条件见表1三、用万用表可以区分晶闸管的三个电极吗?怎样测试晶闸管的好坏呢?普通晶闸管的三个电极可以用万用表欧姆挡R100挡位来测。大家知道，晶闸管G、K之间是一个PN结图2(a)，相当于一个二极管，G为正极、K为负极，所以，按照测试二极管的方法，找出三个极中的两个极，测它的正、反向电阻，电阻小时，万用表黑表笔接的是控制极G，红表笔接的是阴极K，剩下的一个就是阳极A了。测试晶闸管的好坏，可以用刚才演示用的示教板电路(图3)。接通电源开关S，按一下按钮开关SB，灯泡发光就是好的，不发光就是坏的四、晶闸管在电路中的主要用途是什么?普通晶闸管最基本的用途就是可控整流。大家熟悉的二极管整流电路属于不可控整流电路。如果把二极管换成晶闸管，就可以构成可控整流电路。现在我画一个最简单的单相半波可控整流电路图4(a)。在正弦交流电压U2的正半周期间，如果VS的控制极没有输入触发脉冲Ug，VS仍然不能导通，只有在U2处于正半周，在控制极外加触发脉冲Ug时，晶闸管被触发导通。现在，画出它的波形图图4(c)及(d)，可以看到，只有在触发脉冲Ug到来时，负载RL上才有电压UL输出(波形图上阴影部分)。Ug到来得早，晶闸管导通的时间就早；Ug到来得晚，晶闸管导通的时间就晚。通过改变控制极上触发脉冲Ug到来的时间，就可以调节负载上输出电压的平均值UL(阴影部分的面积大小)。在电工技术中，常把交流电的半个周期定为180，称为电角度。这样，在U2的每个正半周，从零值开始到触发脉冲到来瞬间所经历的电角度称为控制角；在每个正半周内晶闸管导通的电角度叫导通角。很明显，和都是用来表示晶闸管在承受正向电压的半个周期的导通或阻断范围的。通过改变控制角或导通角，改变负载上脉冲直流电压的平均值UL，实现了可控整流。五、在桥式整流电路中，把二极管都换成晶闸管是不是就成了可控整流电路了呢?在桥式整流电路中，只需要把两个二极管换成晶闸管就能构成全波可控整流电路了。现在画出电路图和波形图(图5)，就能看明白了。六、晶闸管控制极所需的触发脉冲是怎么产生的呢?晶闸管触发电路的形式很多，常用的有阻容移相桥触发电路、单结晶体管触发电路、晶体三极管触发电路、利用小晶闸管触发大晶闸管的触发电路，等等。今天大家制作的调压器，采用的是单结晶体管触发电路。七、什么是单结晶体管?它有什么特殊性能呢?单结晶体管又叫双基极二极管，是由一个PN结和三个电极构成的半导体器件(图6)。我们先画出它的结构示意图图7(a)。在一块N型硅片两端，制作两个电极，分别叫做第一基极B1和第二基极B2；硅片的另一侧靠近B2处制作了一个PN结，相当于一只二极管，在P区引出的电极叫发射极E。为了分析方便，可以把B1、B2之间的N型区域等效为一个纯电阻RBB，称为基区电阻，并可看作是两个电阻RB2、RB1的串联图7(b)。值得注意的是RB1的阻值会随发射极电流IE的变化而改变，具有可变电阻的特性。如果在两个基极B2、B1之间加上一个直流电压UBB，则A点的电压UA为：若发射极电压UEUA，二极管VD截止；当UE大于单结晶体管的峰点电压UP(UP=UDUA)时，二极管VD导通，发射极电流IE注入RB1，使RB1的阻值急剧变小，E点电位UE随之下降，出现了IE增大UE反而降低的现象，称为负阻效应。发射极电流IE继续增加，发射极电压UE不断下降，当UE下降到谷点电压UV以下时，单结晶体管就进入截止状态。八、怎样利用单结晶体管组成晶闸管触发电路呢?单结晶体管组成的触发脉冲产生电路在今天大家制作的调压器中已经具体应用了。为了说明它的工作原理，我们单独画出单结晶体管张弛振荡器的电路(图8)。它是由单结晶体管和RC充放电电路组成的。合上电源开关S后，电源UBB经电位器RP向电容器C充电，电容器上的电压UC按指数规律上升。当UC上升到单结晶体管的峰点电压UP时，单结晶体管突然导通，基区电阻RB1急剧减小，电容器C通过PN结向电阻R1迅速放电，使R1两端电压Ug发生一个正跳变，形成陡峭的脉冲前沿图8(b)。随着电容器C的放电，UE按指数规律下降，直到低于谷点电压UV时单结晶体管截止。这样，在R1两端输出的是尖顶触发脉冲。此时，电源UBB又开始给电容器C充电，进入第二个充放电过程。这样周而复始，电路中进行着周期性的振荡。调节RP可以改变振荡周期。九、在可控整流电路的波形图中，发现晶闸管承受正向电压的每半个周期内，发出第一个触发脉冲的时刻都相同，也就是控制角和导通角都相等，那么，单结晶体管张弛振荡器怎样才能与交流电源准确地配合以实现有效的控制呢?为了实现整流电路输出电压“可控”，必须使晶闸管承受正向电压的每半个周期内，触发电路发出第一个触发脉冲的时刻都相同，这种相互配合的工作方式，称为触发脉冲与电源同步。怎样才能做到同步呢?大家再看调压器的电路图(图1)。请注意，在这里单结晶体管张弛振荡器的电源是取自桥式整流电路输出的全波脉冲直流电压。在晶闸管没有导通时，张弛振荡器的电容器C被电源充电，UC按指数规律上升到峰点电压UP时，单结晶体管VT导通，在VS导通期间，负载RL上有交流电压和电流，与此同时，导通的VS两端电压降很小，迫使张弛振荡器停止工作。当交流电压过零瞬间，晶闸管VS被迫关断，张弛振荡器得电，又开始给电容器C充电，重复以上过程。这样，每次交流电压过零后，张弛振荡器发出第一个触发脉冲的时刻都相同，这个时刻取决于RP的阻值和C的电容量。调节RP的阻值，就可以改变电容器C的充电时间，也就改变了第一个Ug发出的时刻，相应地改变了晶闸管的控制角，使负载RL上输出电压的平均值发生变化，达到调压的目的。双向晶闸管的T1和T2不能互换。否则会损坏管子和相关的控制电路。双向可控硅的特性和使用 普通可控硅(VS)实质上属于直流控制器件。要控制交流负载，必须将两只可控硅反极性并联，让每只SCR控制一个半波，为此需两套独立的触发电路，使用不够方便。 双向可控硅是在普通可控硅的基础上发展而成的，它不仅能代替两只反极性并联的可控硅，而且仅需一个触发电路，是目前比较理想的交流开关器件。其英文名称TRIAC即三端双向交流开关之意。构造原理 尽管从形式上可将双向可控硅看成两只普通可控硅的组合，但实际上它是由7只晶体管和多只电阻构成的功率集成器件。小功率双向可控硅一般采用塑料封装，有的还带散热板，外形如图l所示。典型产品有BCMlAM(1A600V)、 BCM3AM(3A600V)、2N6075(4A600V)，MAC218-10(8A800V)等。大功率双向可控硅大多采用RD91型封装。双向可控硅的主要参数见附表。 双向可控硅的结构与符号见图2。它属于NPNPN五层器件，三个电极分别是T1、T2、G。因该器件可以双向导通，故除门极G以外的两个电极统称为主端子，用T1、T2。表示，不再划分成阳极或阴极。其特点是，当G极和T2极相对于T1，的电压均为正时，T2是阳极，T1是阴极。反之，当G极和T2 极相对于T1的电压均为负时，T1变成阳极，T2为阴极。双向可控硅的伏安特性见图3，由于正、反向特性曲线具有对称性，所以它可在任何一个方向导通。检测方法下面介绍利用万用表RXl档判定双向可控硅电极的方法，同时还检查触发能力。1.判定T2极由图2可见，G极与T1极靠近，距T2极较远。因此，GT1之间的正、反向电阻都很小。在肦Xl档测任意两脚之间的电阻时，只有在G-T1之间呈现低阻，正、反向电阻仅几十欧，而T2-G、T2-T1之间的正、反向电阻均为无穷大。这表明，如果测出某脚和其他两脚都不通，就肯定是T2极。，另外，采用TO220封装的双向可控硅，T2极通常与小散热板连通，据此亦可确定T2极。2区分G极和T1极(1)找出T2极之后，首先假定剩下两脚中某一脚为Tl极，另一脚为G极。(2)把黑表笔接T1极，红表笔接T2极，电阻为无穷大。接着用红表笔尖把T2与G短路，给G极加上负触发信号，电阻值应为十欧左右(参见图4 (a)，证明管子已经导通，导通方向为T1一T2。再将红表笔尖与G极脱开(但仍接T2)，若电阻值保持不变，证明管子在触发之后能维持导通状态(见图 4(b)。 (3)把红表笔接T1极，黑表笔接T2极，然后使T2与G短路，给G极加上正触发信号，电阻值仍为十欧左右，与G极脱开后若阻值不变，则说明管子经触发后，在T2一T1方向上也能维持导通状态，因此具有双向触发性质。由此证明上述假定正确。否则是假定与实际不符，需再作出假定，重复以上测量。显见，在识别G、T1，的过程中，也就检查了双向可控硅的触发能力。如果按哪种假定去测量，都不能使双向可控硅触发导通，证明管于巳损坏。对于lA的管子，亦可用RXl0档检测，对于3A及3A以上的管子，应选RXl档，否则难以维持导通状态。典型应用 双向可控硅可广泛用于工业、交通、家用电器等领域，实现交流调压、电机调速、交流开关、路灯自动开启与关闭、温度控制、台灯调光、舞台调光等多种功能，它还被用于固态继电器(SSR)和固态接触器电路中。图5是由双向可控硅构成的接近开关电路。R为门极限流电阻，JAG为干式舌簧管。平时JAG断开，双向可控硅TRIAC也关断。仅当小磁铁移近时JAG吸合，使双向可控硅导通，将负载电源接通。由于通过干簧管的电流很小，时间仅几微秒，所以开关的寿命很长. 图6是过零触发型交流固态继电器(AC-SSR)的内部电路。主要包括输入电路、光电耦合器、过零触发电路、开关电路(包括双向可控硅)、保护电路 (RC吸收网络)。当加上输入信号VI(一般为高电平)、并且交流负载电源电压通过零点时，双向可控硅被触发，将负载电源接通。固态继电器具有驱动功率小、无触点、噪音低、抗干扰能力强，吸合、释放时间短、寿命长，能与TTLCMOS电路兼容，可取代传统的电磁继电器。 MAC94A4的技术参数技术参数同MAC97A6双向可控硅