无功补偿控制器中使用的IC器件推荐

1.电压比较器LM339（参见图2-14）

电压比较器的作用是比较两个输入电压信号的大小，将比较结果以开关量信号——“0”或“1”的数字（高、低电平）形式输出。其电路已脱离了线性放大的范畴，似乎进入了“数字电路”的领域，是拿模拟电路当做了数字电路来应用。其实质是对运放电路的应用，使其出离放大区域，进入使电压放大倍数为无穷大的开环控制状态。这类电路因而往往又被称为非线性运放电路。

LM339为专用电压比较器，可代换型号有IR2339、ANI339、SF339等。虽然电路结构与普通运算放大器相同，但“比较特性”得以强化，并且更适用于开环应用，是增益不可调的运算放大器。

LM339集成块内部装有4个独立的电压比较器，该电压比较器的特点是：

1）失调电压小，典型值为2mV；

2）电源电压范围宽，单电源为2～36V，双电源电压为±1～±18V；

3）对比较信号源的内阻限制较宽；

4）共模范围很大，为0～（V_CC～1.5V）V_o；

5）差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压，两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态；

6）为开路集电极输出方式，其电路形式如图2-14所示。

开路集电极输出电路形式，当Q8截止时，输出脚2与3、12供电脚之间呈现“高阻抗”状态，也可以认为是开路状态，对外电路不产生影响，当Q8处于导通状态时，2脚与12脚之间呈现“低阻”状态，可认为2脚与12脚之间是接通状态。因而LM339的输出脚需外接上拉电阻，形成信号输出。因外接上拉电阻的作用不会产生对电源的短路，该类电压比较器允许输出端并联应用。

图2-14 LM339功能引脚、4、5、2脚内部电路图

电压比较器的显著特征如下：

1）处于开环工作状态，输入端微小的电压变化即会使输出端（内部晶体管）出现饱和或截止，因而输出状态只有高电平（逻辑“1”）和低电平（逻辑“0”）。输入、输出信号不呈线性关系。输出信号是对两个输入信号大小相比较的逻辑判断结果。

当同相输入端电压值高于反相端电压值时，输出为高电平（约与电源的正端电压相等）；反之输出为低电平（约与供电的地端或负端电压值相等）。

2）静态或动态测量时，两输入端之间的电压值不为0V，有较大的电压差。一般在同相输入端（或反相输入端）设置一个基准电压。

3）电路不存在负反馈环节，迟滞电压比较器有正反馈环节，但反馈电阻值一般较大（反馈量较小）。

电压比较器的判断方法如下：

1）测量两个输入端之间的电压值大于0V；输出端为“1”或“0”的电平状态；输出状态是与两个输入端电压比较的结果。如检测结果不相符，则电压比较器坏掉。

2）人为动态检测法。在高电平输出状态，将同相输入端与信号地暂时短接，测量输出端相应变为低电平，说明电路是好的。无变化说明电路是坏的。同理，也可以用串联1kΩ限流电阻从供电电源正端分别向两个输入端引入高电平信号，检测输出端信号变化，来判断电路的好坏。

本例无功补偿器控制器电路中，利用电压比较器的电压比较特性，取出0（无功分量不大，切电容）或1（无功分量大，投电容）——表明回路无功电流大小的——信号；与基准电压相比较，取出过电压信号，用于切除电容组的控制。

2.双D型触发器CD4013（见图2-15）

CD4013内含两个独立的D触发器。从R、S或C端子接收上升沿触发信号，能使输出状态产生翻转。常用来组成单稳态、双稳态、无稳态电路。如图2-15所示是内部一路D触发器的引脚功能图。

图2-15 CD4013内部单元电路功能框图

CD4013的一般应用如下：

1）双稳态电路。在数据端D和时钟端C都接地的情况下，在置位端S加一个脉冲高电平，则Q输出端变为高电位（被置位）；在复位端R加一个脉冲高电位，输出端Q变为低电位（被复位）。Q端为Q端的反相输出。

2）数据检出电路。置位端S和复位端R都接地的情况下，在C端时钟脉冲作用下，D数据端的数据（0或1）被传输至输出端Q。D端只有0或1两个数据状态，C端上升沿脉冲作用期间，D端的数据为Q端所检出。

本例无功补偿控制器电路中，是对D端数据检出功能的应用——将电压比较器输入的0或1数据进行（输出）保持，起到了对数据0（切电容）或1（投电容）信号的锁存功能。

3.时基电路NE555（参见图2-16）

NE555为原创产品型号，以后有众多仿制产品问世，如LM555、μA555、CA555、CB555等，统称为555，一般为8脚双列封装，相互可以代换使用。NE555电路芯片应用灵活，经常用来组成单稳态电路、双稳态电路及无稳态电路3种电路形式，在工业（电子）控制领域得到广泛应用。用555芯片构成的电路与时间控制有关，所以又称为时间电路或时基电路。(www.xing528.com)

图2-16所示为555时基电路的等效功能框图，555器件是模拟电路和数字电路的“混成”电路，内含两组比较放大器A1、A2，两路与非门电路1、2，反相驱动器N1和放电晶体管Q1。A1、A2比较器的输出分别作为与非门1、2的复位（R）置位（S）信号，以控制由门1、门2构成的R-S触发器的状态。R-S触发器的输出直接控制放电晶体管T1的通断，又经反相驱动器N1提供信号输出。

555电路芯片和各脚功能：8脚、1脚为供电端；4脚为主复位控制端，又称为优先复位端，当4脚为强制0电平时，不管A1、A2的输入/输出状态如何，3脚输出Vo=0；3脚为输出端；5脚为控制端，增加外电路时，可改变芯片内电路的固定分压值，从而改变输入触发信号和门限信号的电压阈值；7脚为放电端，与3脚输出状态相反，通常用于对2、6脚外接电容进行放电控制，完成定时控制和电路状态的转换；2脚为触发信号输入端，6脚为门限电压输入端，两引脚输入信号决定着输出状态。555芯片作为触发器来应用时，2脚又称为置位（S）端（下降沿信号输入有效），6脚又称为复位（R）端（上升沿信号输入有效）。

图2-16 555时基电路等效功能框图

555电路芯片的工作原理如下：

A1比较器的同相端和A2比较器的反相端分别为3只5kΩ电阻分压设定为2/3V_CC和1/3V_CC，作为比较基准信号，决定着输入触发信号的门限信号的电压阈值。当主复位控制端4脚为“1”高电平时，2、6脚输入的触发和门限电压信号既可以是数字信号，也可以是模拟电压信号，而且通过5脚外加电路的调整，可以改变2、6脚输入信号的动作阈值。

在5脚空置的情况下，和4脚为高电平时，电路依据2、6脚输入电压信号幅度与1/3V_CC和2/3V_CC阈值电压的比较，决定输出状态。当2脚输入电压值＜1/3V_CC和6脚输入电压值＜2/3V_CC时，电路处于输出置位状态，V_o=1；当2脚输入电压值＞1/3V_CC和6脚输入电压值＞2/3V_CC时，电路处于输出复位状态，V_o=0；当2脚输入电压值＜1/3V_CC和6脚输入电压值＞2/3V_CC，为不允许输入状态。

本例无功补偿控制器电路中，利用NE555接成受控振荡器电路，每个振荡周期投（或切）电容器组一次，使连续的投（或切）动作之间，产生一个适宜的时间间隔。

4.十进制计数器/分配器CD4017（参见图2-17）

（1）CD4017的引脚功能

1～11脚为Y0～Y10等10个输出端，其中3脚为Y0输出端，电路进行清零动作时，该端为高电平；12脚，级联进位输出端，每输入10个时钟脉冲，就可得一个进位输出脉冲，因此进位输出信号可作为下一级计数器的时钟信号；13脚（CLOCK ENABLE），时钟输入端，脉冲下降沿有效；14脚，时钟输入端，脉冲上升沿有效；15脚（RESET），清零输入端，在“R”端加高电平或正脉冲时，CD4017计数器中各计数单元输出低电平“0”，在译码器中只有对应“0”状态的输出端Y0为高电平；16脚（VDD），电源正端，3～18V直流电压。

（2）CD4017内部原理框图和工作原理

CD4017内部逻辑电原理图如图2-17所示。它是由十进制计数器电路和时序译码电路两部分组成。其中的D触发器F1～F5构成了十进制约翰逊计数器，门电路5～14构成了时序译码电路。约翰逊计数器的结构比较简单，它实质上是一种串行移位寄存器。除了第3个触发器是通过门电路15、16构成的组合逻辑电路作用于F3的D3端以外，其余各级均是将前一级触发器的输出端连接到后一级触发器的输入端D，计数器最后—级的Q5端连接到第一级的D1端。这种计数器具有编码可靠，工作速度快、译码简单，只需由二输入端的与门即可译码，且译码输出无过渡脉冲干扰等特点。通常只有译码选中的那个输出端为高电平，其余输出端均为低电平。

图2-17 CD4017内部原理框图

当加上清零脉冲后，Q1～Q5均“0”，由于Q1的数据输入端D1是Q5输出的反码，因此，输入第—个时钟脉冲后，Q1即为“1”，这时Q2～Q5均依次进行移位输出，Q1的输出移至Q2，Q2的输出移至Q3…。如果继续输入脉冲，则Q1为新的Q5，Q2～Q5仍然依次移位输出，这样就得到了如图2-19所示的波形图。

CD4017有3个输入端：复位清零端R，当在R端加高电平或正脉冲时，计数器清零，在所有输出中，只有对应“0”状态的Q0输出高电平，其余输出均为低电平；时钟输入端CP和CE，其中CP端用于上升沿计数，CE端用于下降沿计数，这两个输入端的内部逻辑电路如图2-18所示。由图2-18可见，CP和CE还有互锁的关系，即利用CP计数时，CE端要接低电平：利用CE计数时，CP端要接高电平。反之则形成互锁。

在“R”端加上高电平或正脉冲时，计数器中各计数单元F1～F5均被置零，计数器为“00000”状态。

图2-18 CD4017芯片CP、CE输入端内部逻辑电路

CD4017有10个译码输出端Q0～Q9，它能随时钟脉冲的输入而依次出现高电平。此外，为了级联方便，还设有进位输出端QC，每输入10个时钟脉冲，就可得到一个进位输出脉冲，所以QC可作为下一级计数器的时钟信号。

从上述分析中可以看出，CD4017（它的基本功能是对“CP”端输入脉冲的个数进行十进制计数，并按照输入脉冲的个数顺序将脉冲分配在Y0～Y9这10个输出端，计满10个数后计数器复零，同时输出—个进位脉冲。

图2-19 CD4017各脚的工作波形图

本例无功补偿控制器电路中，利用十进制计数器/分配器，使其在NE555时钟脉冲信号作用下，按一定的时间间隔，以六进制计数形式（由电路形式所决定），循环输出对电容器组的自动投、切控制信号。

5.高压大电流达林顿管阵列反相器/驱动器MC1416（见图2-20）

MC4016输出端有500mA的电流输出能力，其内部晶体管可承受外电路的50V供电电压；内部输出级为晶体管复合放大器，具有较低的输出阻抗和功率输出能力；输入端吸取极小的信号电流，输入阻抗较高，输入、输入信号相位呈反相关系，输入信号为高电平时，输出端变为低电平，由此产生负载电流的通路。因而被称为高压大电流达林顿管阵列反相器/驱动器，可用于直接驱动继电器、电磁阀、微型电动机等负载，无需添加功率放大电路。器件的引脚功能和内部电路原理如图2-20所示。

本例无功补偿控制器电路中，在DC4013输出信号控制下，由MC1416直接驱动6只继电器，继电器的触点输出信号，再控制主电路交流接触器的线圈电源，实现电容器组的自动设、切控制。

图2-20 MC1416芯片引脚和内部电路原理图