三端双向可控硅开关电路是众所周知的，通常用于通用电机速度控制。本文介绍了通用电机速度控制电路的基本设计。
与感应电机不同，通用电机可以通过改变电压轻松控制速度。通过切掉正弦波形的各个部分，可以轻松（尽管有些粗糙）改变交流线路的 RMS 电压。现代半导体功率器件很容易实现这种斩波。用于开关交流电源负载的常用器件是常用于通用电机速度控制的 Triac（交流三极管）。三端双向可控硅开关元件是一种晶闸管，被简单地建模为一块硅片上的两个背靠背硅控整流器 (SCR)，每个 SCR 都用于控制每个方向上的电流，因此三端双向可控硅开关元件是一个交流开关。该开关由施加到其栅极端子的一些小信号控制。本文介绍了通用电机速度控制电路的基本设计。
个三端双向可控硅开关元件
通用电气首先开发了 Triac，并在 1963 年提交的 (US3275909) 中进行了披露。Triac 是一种具有五个半导体区域的硅器件，这些半导体区域具有交替的 n 层和 p 层，实现与由公共栅极信号控制的 pnpn 开关并联的 npnp 开关，从而构成双向开关。根据 MT2 的极性和相对于 MT1 的栅极，为三端双向可控硅开关元件定义了四个工作象限。四个象限是MT2正和门正、MT2正和门负、MT2负和门正、MT2负和门负，均相对于MT1。三端双向可控硅开关本质上在MT2负极和栅极正极模式下不敏感，因此通常不使用该模式。在三象限双向可控硅中，这种触发模式在器件内被完全抑制。
换相失败
三端双向可控硅开关元件的一个问题是可能出现换相失败，而两个独立的 SCR 则不会出现这种问题。对于感性负载，电流将滞后于所施加的线电压，因此当线电压过零时，通过三端双向可控硅开关元件的导电路径之一仍将承载电流。即使没有施加栅极电压，该负载电流与器件的寄生电容相结合也会产生错误的栅极信号，并通过其他 SCR 路径重新触发器件。对于给定的换向电流变化率 (di/dt)，给定的三端双向可控硅开关元件对断态电压 (dv/dt) 的上升率有限制。如果应用的 dv/dt 超过双向可控硅限制，则需要使用外部滤波器网络（称为缓冲器）来有效限制设备所承受的 dv/dt。通常，
所选的三端双向可控硅开关元件是 BTA216，其额定峰值断态电压为 600 V，连续电流为 16 A，峰值电流能力为 140 A，可以轻松处理电机的感性负载开关。16 A 的连续电流将使该设备能够为任何可连接到标准 120 V、15 A 电路的负载供电。临界上升速率规定为至少 30 V/μs，因此不需要缓冲电路。BTA216 的触发电压指定为 1.5V。
一些小信号驱动电子器件（主要由比较器和模拟定时器组成）控制正弦波形中的开关点，用于选通三端双向可控硅开关元件，这决定了“斩断”多少交流波，从而改变了有效电压电机并控制其速度。单个电位器可实现速度控制。该参考设计的电路原理图如图 1 所示。
图 1. 电机控制原理图。由 Blaine Geddes 提供使用。
触发双向晶闸管
LM311 比较器分接 60 Hz 交流线路的低压全波整流版本，并将其与小的恒定直流电压进行比较。经过全波整流但未经滤波的直流信号看起来像相同极性的半正弦脉冲。由于参考电压非常小，比较器在 60 Hz 线路的每半个周期以非常低的电压值触发，导致比较器的输出为窄的低电平有效脉冲，其下降沿触发 LM555模拟定时器产生一个可变持续时间的输出脉冲，该脉冲的持续时间由与 0.1 μF 电容器串联的电位器的电阻电容时间常数设置。时间常数的范围从 60 Hz 周期的一小部分到半周期脉冲的 50% 以上。
LM555 输出触发双向可控硅。LM555 可以轻松吸收 BTA216 所需的高达 40 mA 的锁存栅极电流，因此它可以直接驱动 Triac。三端双向可控硅开关一旦被触发，就需要其端电压降到零才能关断，因此一旦触发，三端双向可控硅开关就会导通，直到60Hz交流电源线电压再次过零。电位器改变时间常数。该电路的调节范围允许电机的输出范围从几乎完整的 120 V 波形到远低于空载电机失速速度的电压。图 2-4 显示了比较器和 LM555 的示波器针对一些电位计设置捕获的波形。图 5-7 显示了一些电位器设置的斩波交流输出。
图 2. 用于低电压电位计设置的 LM311 输出脉冲（顶部）和 LM555 定时器输出（底部）。LM311 输出下降沿触发 LM555 工作。由 Blaine Geddes 提供使用。
图 3. 用于中间电位器设置的 LM311 输出脉冲（顶部）和 LM555 定时器输出（底部）。三端双向可控硅开关元件在 LM555 输出为低电平状态期间导通。由 Blaine Geddes 提供使用。
图 4. 接近全电压输出的 LM311 输出脉冲（顶部）和 LM555 定时器输出（底部）。三端双向可控硅开关元件在 LM555 输出为低电平状态期间导通。由 Blaine Geddes 提供使用。
图 5. 电机的交流输出以实现全速设置。当三端双向可控硅开关元件关闭时，噪声尖峰是窄开关脉冲，但随后几乎立即重新触发。由 Blaine Geddes 提供使用。
图 6. 中间速度设置的交流输出。60 Hz 正弦波的很大一部分被“截断”，导致电机的 RMS 电压下降。由 Blaine Geddes 提供使用。
图 7. 相对低速的设置，其中大部分正弦曲线被关闭。由 Blaine Geddes 提供使用。
所使用的三端双向可控硅开关元件是三象限三端双向可控硅开关元件，可以由相对于 MT1 为正且 MT2 为正、(b) 为负且 MT2 为正、或 (c) 为负且 MT2 为负的栅极信号触发。由于双向可控硅无法在象限内触发（栅极正极，MT2 负极）的限制，LM555 的输出参考小信号直流正极 (VCC)，而不是接地，并且 VCC 连接到 MT1。 Triac，也是交流线路信号。这似乎有点违反直觉，电路信号通常被设想为以地为参考，但如果 MT1 连接到地而不是 VCC，则 Triac 的三象限操作将意味着它只能每个周期切换，而不是每个周期切换。半个周期。该电路与连接到 MT1 的交流线路的中性线相连，以避免热 120 VAC 绕过卡。VCC 约为 12 伏。
显示了封装在基本弯曲金属板盒中的原型电机控制器。要控制速度的电机插入标准 120 VAC 插座。该原型的预期应用是金属车床的速度控制，但通用插座允许连接任何 120 V 通用电机，例如常见手持式电动工具的电机。
组装好的速度控制单元原型。标准 120 VAC 插座提供可变电压输出。由 Blaine Geddes 提供使用。
该电路设计的电机是串联通用电机。串联电机的速度在一定电压范围内近似为电压的线性函数，但速度往往会在某个阈值处突然下降。对于车床供电应用，图 8 显示了测得的进给速率，该速率与电机转速成正比，与速度控制电路的 RMS 电压相对。在大约 86 V 时，该特定电机无法产生足够的扭矩来克服驱动器的基本摩擦，并且会停转。从大约 90 V 到 120 V，电机速度大约是所施加电压的线性函数。对于此应用，有用的电机速度范围超过 10 倍，允许小于 0.25 英寸/分钟的无级可变进给速率。超过 2.5 英寸/分钟。
图 8. 测量电压与进给速率的关系。由 Blaine Geddes 提供使用。
这里介绍的这种类型的三端双向可控硅开关电路是众所周知的并且通常用于通用电机速度控制。
