零電壓開關溫度／功率控制器UAA1016/UAA2016及其應用

摘要：UAA1016/UAA2016是采用零電壓技術設計的、可驅動雙向可控硅的溫度／功率控制器集成電路，通過該芯片可實現(xiàn)電阻性負載的無RFI功率調節(jié)。文中介紹了UAA1016/UAA2016的主要特點、基本原理及應用電路。

關鍵詞：UAA1016/UAA2016；零電壓開關；溫度與功率控制

１ 概述

目前有許多專用集成電路(ＡＳＩＣ)采用了零電壓開關(ＺＶＳ)技術，它們通過處于過零模式的三端雙向可控硅開關元件(Ｔｒｉａｃ)來控制ＡＣ線路上的電阻性負載。這些電阻性負載隨處可見，例如電烙鐵、恒溫箱(器)、孵化器、熱清毒器、熱沖壓機械、射流式烘干器和車窗玻璃除霜器等。

圖1

ＺＶＳ溫度與功率控制器ＡＳＩＣ大多采用雙極工藝制作，并采用８引腳ＤＩＰ或ＳＯ封裝，僅需少量的外部元件便可直接在ＡＣ線路上進行操作，而且沒有ＤＣ電流成份流過主線路。此類ＡＳＩＣ有很多品種和型號，本文僅對摩托羅拉和安森美公司生產的ＵＡＡ１０１６和ＵＡＡ２０１６兩種芯片作簡要介紹。

２ ＺＶＳ溫度控制器ＵＡＡ１０１６

ＵＡＡ１０１６采用８引腳塑料ＤＩＰ封裝，內部結構框圖及其外部元件連接如圖１所示。

２．１ 比例溫度控制

ＵＡＡ１０１６通過８腳上的檢測電阻Ｒｓｙｎｃ在ＡＣ主線電壓跨零時在６腳輸出一個負電流脈沖，以控制Ｔｒａｉｃ。為了使ＡＣ線路上無任何ＤＣ成份，在全波周期期間，ＩＣ內部的全波邏輯允許Ｔｒａｉｃ鎖存。ＩＣ腳３上連接的ＮＴＣ熱敏電阻ＲＴ用來感測溫度。當腳３上的電壓高于腳４電壓（Ｖｒｅｆ）時，器件會產生一個觸發(fā)脈沖。為了限制頻率，應在ＡＣ電路上連接一個１ｋＷ或１ｋＷ以上的負載。ＩＣ內部的時基可用于控制比例溫度。事實上，多數(shù)加熱調節(jié)系統(tǒng)都有較高的精度和穩(wěn)定性，而且要求溫度過沖較小，因此不能直接用開／關（ｏｎ／ｏｆｆ）來調節(jié)。

２．２ ＵＡＡ１０１６關鍵電路功能

ａ． 電源

ＵＡＡ１０１６通過５腳外部的降壓電阻?通常為１８ｋΩ／２Ｗ?、二極管?１Ｎ４００５?和１００μＦ的濾波電容直接從ＡＣ線路提取電源，其電流消耗低于１ｍＡ。

ｂ． 比較器

當ＩＣ腳３上的電壓Ｖｐｉｎ３高于腳４上的電壓Ｖｐｉｎ４?Ｖｒｅｆ?時，比較器允許觸發(fā)邏輯為Ｔｒｉａｃ遞交一個脈沖。為了使非可控溫度范圍?與滯后成比例?減小到最低程度，偏移滯后輸入電壓應設計得比較小?≤１０ｍＶ?。

比較器反相輸入端?腳４?上的參考電壓Ｖｒｅｆ的平均值可由電阻Ｒ２、Ｒ３和Ｒ４?參見圖１?設置，迭加在Ｖｒｅｆ上的鋸齒信號幅度可確定其比例范圍。

當溫度傳感器ＲＴ上的溫度高于設定值時，由于沒有加熱，溫度將緩慢降低。在重新施加功率之前，Ｖｐｉｎ３－Ｖｐｉｎ４將超過滯后值的５０％。反之，當ＲＴ溫度低于設定值時，將出現(xiàn)相反的結果。

ｃ． 鋸齒波發(fā)生器

ＩＣ腳２內部７．５μＡ的恒流源可在門限電平ＶＴＨ１和ＶＴＨ２之間對外部電容Ｃｐｉｎ２進行充電來產生一個鋸齒波。實際上，Ｃｐｉｎ２僅在ＡＣ線路的負半周才發(fā)生充電和放電。ＩＣ腳１上的鋸齒波信號可作為電壓源，其電壓Ｖｐｉｎ１為Ｖｐｉｎ２－０．７５Ｖ。為保持鋸齒信號的良好線性寬，推薦使用４０μＡ的源電流。

ｄ． 采樣全波邏輯

為保持最小的噪聲，在ＡＣ線路電壓的正半周，會產生兩個相鄰的過零脈沖，而在跨零范圍內的脈沖產生過程如圖２所示。此時若ＡＣ線路的電壓頻率是ｆＡＣ?５０／６０Ｈｚ?，電壓有效值為Ｖｒｍｓ?如２２０Ｖ?，那么，圖２中的ｔＰ１和ｔＰ２分別為：

實際上，脈沖寬度ｔＰ１、ｔＰ２還可通過ＩＣ腳８上的電阻Ｒｓｙｎｃ進行調節(jié)，圖３所示是輸出脈沖寬度與同步電阻之間的關系曲線。

ｅ． 同步電路

同步電路通過Ｒｓｙｎｃ檢測ＡＣ線路的跨零，Ｒｓｙｎｃ的值決定著觸發(fā)脈沖的寬度。所使用的過零電流檢測帶有２７μＡ～９８μＡ的門限。

ＵＡＡ１０１６中的脈沖放大器可為Ｔｒｉａｃ提供不小于６０ｍＡ的觸發(fā)灌電流。

２．３ ＵＡＡ１０１６的應用電路

ＵＡＡ１０１６?Ｂ?在電暖器中的應用電路如圖４所示。該電路中的加熱器功率為２ＫＷ，ＲＴ＝２２ｋΩ１０％?＠２５℃?，Ｂ值為３７０，在２５℃下的比例溫度范圍為１℃。

３ ＺＶＳ功率控制器ＵＡＡ２０１６

ＵＡＡ２０１６采用８引腳ＤＩＰ?ＵＡＡ２０１６Ｐ?或ＳＯ?ＵＡＡ２０１６Ｄ?封裝，其引腳排列如圖５所示。

圖６為ＵＡＡ２０１６的內部結構及應用電路。ＩＣ電源可通過與降壓電阻ＲＳ相串聯(lián)的高壓整流二極管提供，并通過ＩＣ腳７與腳５之間的電容ＣＦ濾波。電路中調節(jié)系統(tǒng)的總電流可分為四部分，即ＩＣ電流、傳感橋路電流、Ｔｒｉａｃ控制極觸發(fā)脈沖和內部齊納二極管電流。

連接在ＩＣ腳３與腳１（Ｖｒｅｆ＝－５．５Ｖ）之間的ＮＴＣ熱敏電阻ＲＴ用于檢測溫度。腳３上的電壓是所測量溫度的函數(shù)，該電壓要與內部控制電壓相比較。而內部控制?參考?電壓值則取決于鋸齒電壓、溫度降低及滯后調節(jié)量的大小。為了節(jié)能，ＵＡＡ２０１６專門設置了一個可編程溫度降低端?腳４?，溫度閾值電平由４腳與Ｖｃｃ腳之間的電阻Ｒ１設置，設計時可根據(jù)制造商提供的Ｒ１選擇曲線來確定其阻值。當腳３上的輸入高于內部參考值時，比較器會允許觸發(fā)邏輯給Ｔｒｉａｃ的控制極發(fā)送脈沖。為改善抗噪擾能力，該比較器還具有一個可調滯后。ＩＣ腳２與腳７?Ｖｃｃ?間的電阻Ｒ３用于設置比較器的滯后電平。設置腳２開路可得到一個１０ｍＶ的滯后電平，相當于０．１５℃。把腳２連接到Ｖｃｃ可得到最大滯后，此情況被設置在５℃上。

為符合歐洲規(guī)范，負載上的開／關周期必須超過３０秒。ＵＡＡ２０１６內部數(shù)字鋸齒波通過履行比例調節(jié)來完成此功能，而且無需任何附加元件。

當溫度傳感器開路時，比較器輸入電壓將超過專門設置的門限電壓，此時安全電路將禁止脈沖輸出。采樣全波邏輯可保證在每個ＡＣ線路的正半周產生兩個相鄰的跨零觸發(fā)脈沖，ＩＣ輸出脈沖寬度?ＴＰ?可由ＩＣ腳８的外部電阻Ｒｓｙｎｃ進行調節(jié)。若負載功率為ＰＬ，ＡＣ線路電壓為Ｖｒｍｓ，那么，負載電阻ＲＬ為：

ＲＬ＝Ｖ２ｒｍｓ／ＰＬ

在ＡＣ線路頻率為ｆ?且Ｔｒｉａｃ的最大導通態(tài)電壓為ＶＴＭ時，負載電流ＩＬ可通過下面公式計算：

ＩＬ＝?Ｖｒｍｓ ２１／２ｓｉｎ?２πｆｔ?－ＶＴＭ?／ＲＬ

設計人員可根據(jù)負載參數(shù)和制造商提供的曲線來確定Ｒｓｙｎｃ和ＴＰ值。

ＵＡＡ２０１６從腳６到ＶＥＥ的脈沖放大器灌電流幅值不低于７０ｍＡ，有效輸出電流幅度可由腳６外部輸出電阻Ｒｏｕｔ給出。根據(jù)制造商提供的電阻與Ｔｒｉａｃ控制極電流?ＩＧＴ?之間的關系曲線可以確定所需的Ｒｏｕｔ值。例如：對于一個２ｋＷ負載和２２０Ｖｒｍｓ線路電壓，若Ｔｒｉａｃ選擇ＭＡＣ２１２Ａ８，則它的最大峰值門極觸發(fā)電流為５０ｍＡ?＠２５℃?時，Ｒｏｕｔ應當選擇６０Ω。

圖6

４ 結束語

ＺＶＳ Ｔｒｉａｃ控制器ＵＡＡ１０１６和ＵＡＡ２０１６可直接在ＡＣ線路上操作。它使用元件少，可實現(xiàn)電阻性負載的無ＲＦＩ功率調節(jié)。這類ＺＶＳ功率和溫度控制器的應用非常廣泛，而且設計簡單，成本也很低。