Схемы управления симистором с помощью оптосимистора: Схема управления симистором. Включение тиристора схема включения тиристора

Содержание

Схема управления нагрузкой на симисторе. Как переключать симистор батарейкой для управления переменным током. Какие накладываются ограничения при использовании симисторов

Посмотрело: 7647

Все знают, насколько ардуинщики гордятся миганием лампочками

Так как мигать светодиодами не интересно, речь пойдет про управление лампой накаливания на 220 вольт, включая управление её яркостью. Впрочем, материал относится и к некоторым другим типам нагрузки. Эта тема достаточно избита, но информация об особенностях, которые необходимо учесть, разрозненна по статьям и темам на форумах. Я постарался собрать её воедино и описать различия между схемами и обосновать выбор нужных компонентов.

Выбор управляемой нагрузки
Существует много различных типов ламп. Не все из них поддаются регулировке яркости. И, в зависимости от типа лампы, требуются разные способы управления. Про типы ламп есть хорошая . Я же буду рассматриваться только лампы, работающие от переменного тока. Для таких ламп существует три основных способа управления яркостью (диммирование по переднему фронту, по заднему фронту и синус-диммирование).
Иллюстрация в формате SVG, может не отображжаться в старых браузерах и, особенно, в IE
Отличаются они тем, какая часть периода переменного тока пропускается через лампу. О применимости этих методов можно прочитать . В этой статье речь пойдет только о RL диммере, так как это самая простая и распространенная схема. Она подходит для управления яркостью ламп накаливания (включая галогенные), в том числе подключенных через ферромагнитный (не электронный) трансформатор. Эта же схема может применяться для управления мощностью нагревательных элементов и электромоторов, а также для включения/выключения других электроприборов (без управления мощностью).
Выбор элементной базы
Различных вариантов схем управления нагрузкой в интернете много. Отличаются они по следующим параметрам:Первые два пункта определяются элементной базой. Очень часто для управления нагрузкой используют реле, как проверенный многолетним опытом элемент. Но, если вы хотите управлять яркостью лампы, её необходимо включать и выключать 100 раз в секунду. Реле не рассчитаны на такую нагрузку и быстро выйдут из строя, даже если смогут переключаться так часто. Если в схеме используется MOSFET, то его можно открывать и закрывать в любой момент. Нам нем можно построить и RL, и RC, и синус димер. Но так как он проводит ток только в одну сторону, понадобится два транзистора на канал. Кроме того, высоковольтные MOSFET относительно дороги. Самым простым и дешевым способом является использование симистора. Он проводит ток в обоих направлениях и сам закрывается, когда через него прекращает течь ток. Про то, как он работает можно прочитать в . Далее я буду полагаться на то, что вы это знаете.
Фазовая модуляция
Чтобы управлять яркостью лампы нам нужно подавать импульсы тока на затвор симистора в моменты, когда ток через симистор достигает определенной величины. В схемах без микроконтроллера для этого применяется настраиваемый делитель напряжения и динистор. Когда напряжение на симисторе превышает порог, при котором открывается динистор, ток проходит на затвор симистора и открывает его.
Если же управление ведется с микроконтроллера, то возможны два варианта:
  • Подавать импульсы равно в тот момент времени, когда нужно. Для этого придётся завести на микроконтроллер сигнал с детектора перехода напряжения через ноль

  • К затвору симистора подключить компаратор, на который завести сигнал с делителя напряжения и с аналогового выхода микроконтроллера

  • Первый способ хорош тем, что позволяет легко организовать гальваническую развязку высоковольтной части и микроконтроллера. О её важности будет сказано позже. Но любители arduino будут огорчены: чтобы лапа горела ровно, не вспыхивая и не погасая, импульсы нужно подавать вовремя. Для этого управлять выводом нужно из прерывания таймера, а моменты перехода напряжения через ноль фиксировать с помощью «input capture». Это «недокументированные» функции. Проблема решается отказом от библиотек arduino и внимательным чтением datashit»а на процессоры avr. Это не так сложно, как кажется.
    Второй способ управления симистором крайне прост в программном плане, но из-за отсутствия гальванической развязки я бы не стал его применять.
    Гальваническая развязка
    Самый простой способ управлять симистором — это подключить к затвору ножку микроконтроллера. Есть даже специальная серия симисторов BTA-600SW управляемых малыми токами.Но тогда контроллер и вся низковольтная часть не будет защищена от помех, гуляющих по бытовой сети. Некоторое из них могут быть достаточно мощными, чтобы сжечь микроконтроллер, другие будут вызывать сбои. Кроме того, сразу возникают проблемы со связью микроконтроллера с компьютером или другими микроконтроллерами: нужно будет делать развязку в линии связи или использовать дифференциальные линии, ведь, чтобы управлять симистором прямо с ноги микроконтроллера, нулевой потенциал для него должен совпадать с потенциалом нуля в бытовой сети. У компьютера или другого такого же микроконтроллера, подключенного в другой точке сети, нулевой потенциал почти наверняка будет другим. Результат будет плачевным.
    Простой способ обеспечить гальваническую развязку: использовать драйвер симистора MOC30XX. Эти микросхемы отличаются:
  • Расчетным напряжением. Если для сетей 110 вольт, есть для 220

  • Наличием детектора нуля

  • Током, открывающим драйвер

  • Драйвер с детектором нуля (MOC306X) переключается только в начале периода. Это обеспечивает отсутствие помех в электросети от симистора. Поэтому, если нет необходимости управлять выделяемой мощностью или управляемый прибор обладает большой инерционностью (например это нагревательный элемент в электроплитке), драйвер с детектором нуля будет оптимальным выбором. Но, если вы хотите управлять яркостью лампы освещения, необходимо использовать драйвер без детектора нуля (MOC305X) и самостоятельно открывать его в нужные моменты.
    Ток, необходимый для открытия важен, если вы хотите управлять несколькими нагрузками одновременно. У MOC3051 он 15 мА, у MOC3052 10мА. При этом микроконтроллеры stm могут пропускать через себя до 80-120 мА, а avr до 200 мА. Точные цифры нужно смотреть в соответствующих datashit»ах.
    Устойчивость к помехам/возможность коммутации индуктивной нагрузки
    В электросети могут быть помехи, вызывающие самопроизвольное открытие симистора или его повреждение. Источником помех может служить:
  • Нагрузка, управляемая симистором (обмотка мотора)

  • Фильтр (snubber), расположенный рядом с симистором и призванный его защищать

  • Внешняя помеха (грозовой разряд)

  • Помеха может быть как по напряжению, так и по току, причем более критичны скорости изменения соответствующих значений, чем их амплитуды. В datashit»ах соответствующие значения указаны как:
    V — максимальное напряжение, при котором может работать симистор. Максимальное пиковое напряжение не намного больше.
    I — Максимальный ток, который может пропускать через себя симистор. Максимальный пиковый ток как правило значительно больше.
    dV/dt — Максимальная скорость изменения напряжения на закрытом симисторе. При превышении этого значения он самопроизвольно откроется.
    dI/dt — Максимальная скорость изменения тока при открытии симистора. При превышении этого значения он
    сгорит
    из-за того, что не успеет полностью открыться.
    (dV/dt)c — Максимальная скорость изменения напряжения в момент закрытия симистора. Значительно меньше dV/dt. При превышении симистор продолжит проводить ток.
    (dI/dt)c — Максимальная скорость изменения тока в момент закрытия симистора. Значительно меньше dI/dt. При превышении симистор продолжит проводить ток.
    Подробно о природе этих ограничений и о том, как сделать фильтр, защищающий от превышения этих величин описано в . К немо можно только добавить, что существуют 3Q симисторы, у которых значения dV/dt и dI/dt выше, чем у обычных за счет невозможности работать в 4ом квадранте (что обычно не требуется).
    Выбор симистора
    Максимальный ток коммутации
    Максимальный ток коммутации ограничивается двумя параметрами: максимальным током, который может пропустить симистор и количеством тепла, которое вы можете от него отвести. С первым параметром все просто, он указан в datashit»е. Но если посмотреть внимательно, то при токе в 16 ампер на BTA16-600BW выделяется около 20 ватт. Такую грелку уже не получится засунуть в коробку выключателя без вентиляции.
    Минимальный ток коммутации
    Симистор сохраняет проводимость до тех пор, пока через него идёт ток. Минимально необходимый ток указан в datashit»е под именем latching current. Соответственно, слишком мощный симистор не сможет включать маломощную лампочку так как будет выключаться, как только с затвора пропадёт управляющий сигнал. Но так, как этот сигнал мы самостоятельно формируем микроконтроллером, то можно удерживать управляющий сигнал почти до самого конца полупериода, тем самым убрав ограничение на минимальную нагрузку. Однако, если не успеть снять сигнал, симистор не закроется и лампа не погаснет. При плохо подобранных константах лампы, работающие на не полной яркости периодически вспыхивают.
    Изоляция
    Симисторы в корпусе SOT-220 могут быть изолированными или не изолированными. Я сначала сделал ошибку и купил BT137, в результате радиаторы охлаждения оказались под напряжением, что в моем случае нежелательно. Симисторы с маркировкой BTA изолированы, с маркировкой BTB нет.
    Защита от перегрузки
    Не стоит полагаться на автоматические выключатели. Посмотрите на , при перегрузке в 1.4 раза автомат обязан выключиться
    не ранее
    , чем через час. А быстрое размыкание происходит только при перегрузке в 5 раз (для автоматов типа C). Это сделано для того, чтобы автомат не отключался при включении приборов, требующих при старте значительно больше энергии, чем при постоянной работе. Примером такого прибора является холодильник.
    Симистор нужно защитить отдельным предохранителем, либо контролировать ток через него и отключать его при перегрузке, давая остыть.
    Защита от короткого замыкания
    При перегорании лампы накаливания может образовываться искровой разряд, имеющий очень низкое сопротивление. В результате цепь фактически замыкается накоротко, что приводит к выгоранию симистора. 2t. Задает количество теплоты, накопление которой в кристалле приведет к разрушению кристалла.
    dI/dt ограничивается индуктивностью проводки и внутренней ёмкостью симистора. Так как dI/dt достаточно велика (50 А/с для BTA16), может хватить индуктивности подводящей проводки, если она достаточно длинная. Можно подстраховаться и добавить небольшую индуктивность в виде нескольких витков провода вокруг сердечника.
    С превышением интеграла Джоуля можно бороться либо уменьшая время прохождения тока через симистор, либо ограничивая ток. Так как симистор не закроется, пока ток не перейдет через ноль, не вводя дополнительных размыкателей нельзя сделать время прохождения тока менее одного полупериода. В качестве такого размыкателя можно использовать:
  • Быстродействующий плавкий предохранитель. Обычный предохранитель не подойдет так как симистор сгорит до того, как он сработает. Но стоят такие предохранители дороже новых симисторов.

  • Геркон/реле. Если удастся найти такое, чтобы выдерживало кратковременные большие токи.

  • Можно пойти по другому пути. BTA16-600 может выдержать ток в 160 амер в течении одного периода. Если сопротивление замыкаемой цепи будет порядка 1.5 Ом, то полупериод он выдержит. Сопротивление проводки даст 0.5 Ом. Остается добавить в цепь сопротивление в 1 Ом. Схема станет менее эффективной и появится еще одна грелка, выделяющая при штатной работе до 16 Вт тепла (0.45 Вт при работе 100 ваттной лампы), зато симистор не сгорит, если успеть его вовремя выключить и позаботиться о хорошем охлаждении, чтобы оставался запас на нагрев во время КЗ.
    Из этого сопротивления можно извлечь дополнительную выгоду: измеряя падение напряжения на нем, можно узнавать ток, протекающий через симистор. Полученное значение можно использовать для того, чтобы определять короткое замыкание или перегрузку и отключать симистор.
    Заключение
    Я не претендую на абсолютную верность всего написанного. Статья писалась для того, чтобы упорядочить знания, прочитанные на просторах интернета и проверить, не забыл ли я чего.
    В частности раздел, касающийся защиты от перегрузок я еще не опробовал на практике. Если я где-то не прав, мне было бы интересно узнать об ошибках.
    В статье нет ни одной схемы: знакомые с темой и так знают их наизусть, а новичку придётся заглянуть в datashit к MOC3052 или в AN-3008 и, возможно, он заодно узнает что-то еще и не будет бездумно реализовывать готовую схему.

    Использование оптотиристоров

    Оптосимисторы МОС301х, МОС302х, МОС303х, МОС304х, МОС306х, МОС308х
    Оптосимисторы принадлежат к классу оптронов и обеспечивают очень хорошую гальваническую развязку (порядка 7500 В) между управляющей цепью и нагрузкой. Эти радиоэлементы состоят из инфракрасного светодиода, соединенного посредством оптического канала с двунаправленным кремниевым симистором. Последний может быть дополнен отпирающей схемой, срабатывающей при переходе через нуль питающего напряжения.

    Эти радиоэлементы особенно незаменимы при управлении более мощными симисторами, например при реализации реле высокого напряжения или большой мощности. Подобные оптопары были задуманы для осуществления связи между логическими схемами с малыми уровнями напряжений и нагрузкой, питаемой сетевым напряжением 220 В. Оптосимистор может размещаться в малогабаритном DIP-корпусе с шестью выводами, его цоколевка и внутренняя структура показаны на рис.1.

    В таблице приведена классификация оптосимисторов по величине прямого тока, через светодиод IFT, открывающего прибор, и максимального прямого повторяющегося напряжения, выдерживаемого симистором на выходе (VDRM). В таблице отмечено также и свойство симистора открываться при переходе через нуль напряжения питания. Для снижения помех предпочтительнее использовать симисторы, открывающиеся при переходе через нуль напряжения питания.

    Что касается элементов с обнаружением нуля напряжения питания, то их выходной каскад срабатывает при превышении напряжением питания некоторого порога, обычно это 5 В (максимум 20 В). Серии МОС301х и МОС302х чаще используются с резистивной нагрузкой или в случаях, когда напряжение питания нагрузки должно отключаться.

    Когда симистор находится в проводящем состоянии, максимальное падение напряжения на его выводах обычно равно 1,8В (максимум 3В) при токе до 100мА. Ток удержания (IH), поддерживающий проводимость выходного каскада оптосимистора, равен 100мкА, каким бы он ни был (отрицательным или положительным) за полупериод питающего напряжения.
    Ток утечки выходного каскада в закрытом состоянии (ID) варьируется в зависимости от модели оптосимистора. Для оптосимисторов с обнаружением нуля ток утечки может достигать 0,5мА, если светодиод находится под напряжением (протекает ток IF).
    У инфракрасного светодиода обратный ток утечки равен 0,05 мкА (максимум 100 мкА), и максимальное падение прямого напряжения 1,5В для всех моделей оптосимисторов. Максимально допустимое обратное напряжение светодиода 3 вольта для моделей МОС301х, МОС302х и МОС303х и 6 вольт для моделей МОС304х. МОСЗО6х и МОСЗО8х.
    Предельно допустимые характеристики
    Максимально допустимый ток через светодиод в непрерывном режиме — не более 60ма.
    Максимальный импульсный ток в проводящем состоянии переключателя выходного каскада — не более 1 А.
    Полная рассеиваемая мощность оптосимистора не должна превышать 250 мВт (максимум 120 мВт для светодиода и 150 мВт для выходного каскада при Т — 25˚С).

    Применение оптосимисторов

    На рис.2 а-д представлены различные схемы типичных применений оптосимисторов, отличающиеся друг от друга характером нагрузки и способами подключения нагрузки и питания.
    Сопротивление Rd
    Расчет сопротивления этого резистора зависит от минимального прямого тока инфракрасного светодиода, гарантирующего отпирание симистора. Следовательно, Rd = (+V — 1,5) / IF.
    Например, для схемы транзисторного управления оптосимистором c напряжением питания +5 В (рис.3) и напряжением на открытом транзисторе (Uкэ нас), равном 0.3 В, +V будет 4,7 В, и IF должен находиться в диапазоне между 15 и 50 ма для МОС3041. Следует принять IF — 20 мА с учетом снижения эффективности светодиода в тече¬ние срока службы (запас 5 мА), целиком обеспечивая работу оптопары с постепенным ослаблением силы тока.

    Таким образом, имеем:
    Rв = (4,7 — 1,5) / 0,02 = 160 Ом.
    Следует подобрать стандартное значение сопротивления, то есть 150 Ом для МОС3041 и сопротивление 100 Ом для МОС3020.
    Сопротивление R
    Резистор R необязательно включать, когда нагрузка чисто резистивная. Однако, если симистор защищен цепочкой RР — CР, чаще всего называемой искрогасящей, резистор R позволяет ограничить ток через управляющий электрод оптосимистора. Действительно, в случае индуктивной нагрузки проходящий через симистор ток и напряжение, приложенное к схеме, находятся в противофазе. Так как симистор перестает быть проводником, когда ток проходит через нуль, конденсатор защитной цепочки СР может разряжаться через оптосимистор. Тогда резистор R ограничивает этот ток разряда. Минимальное значение его сопротивления зависит от максимального напряжения конденсатора и максимально допустимого для оптосимистора тока, поэтому для напряжения питания 220 В:
    Rmin = 220 В х 1,41 / 1А — 311 Ом.
    С другой стороны, слишком большая величина R может привести к нарушению работы.
    Поэтому принимают R — 330 или 390 Ом.
    Сопротивление RG
    Резистор RG необходим только тогда, когда входное сопротивление управляющего электрода очень велико, то есть в случае чувствительного симистора. Значение резистора RG может быть в диапазоне от 100 до 500 Ом.
    Резисторы RG и R вводят задержку отпирания симистора, которая будет тем значительнее, чем выше сопротивления этих резисторов. Цепочка Ra — Сa
    Чтобы ограничить скорость изменения напряжения dV/dt на выходе оптосимистора, необходима snubber-цепочка (рис.2 г).
    Выбор значения сопротивления резистора Ra зависит от чувствительности симистора и напряжения Va, начиная с которого симистор должен срабатывать. Таким образом, имеем:
    R + Ra = Va / IG.
    Для симистора с управляющим током IG = 25мА и напряжением отпирания Va = 20В получим: R + Ra = 20 / 0,025 — 800 Ом
    или: Ra = 800 — 330 = 470 Ом.
    Для того чтобы переключение симистора происходило быстро, должно быть выполнено следующее условие: dV / dt = 311 / Ra х Ca.
    Для МОС3020 максимальное значение dV / dt — 10 В/мкс.
    Таким образом: Сa = 311 / (470 х 107) = 66 нФ.
    Выбираем: Сa = 68 нФ.
    Замечание.
    Что касается snubber-цепочки, то экспериментальные значения, как правило, предпочтительнее теоретических расчетов.
    Защита
    Настоятельно рекомендуется защищать симистор и оптосимистор при работе на индуктивную нагрузку или при часто воздействующих на сеть помехах.
    Для симистора искрогасящая RC-цепочка просто необходима. Для оптосимистора с обнаружением нуля, такой как МОС3041, — желательна. Сопротивление резистора R следует увеличить с 27 Ом до 330 Ом (за исключением случая, когда управляемый симистор малочувствительный).
    Если используется модель без обнаружения нуля, то snubber-цепочка Ra — Сa обязательна.

    Симистор («триак» по терминологии, принятой в США) — это двунаправленный симметричный тиристор. Симисторы очень удобны для систем ключевого регулирования в цепях переменного тока. Как следствие, они практически вытеснили тиристоры из бытовой техники (стиральные машины, пылесосы и т. д.).

    У симистора нет анода и катода. Его три вывода называются: УЭ (управляющий электрод), СЭУ (силовой электрод, расположенный ближе к УЭ), СЭ (силовой электрод у основания прибора) . Существуют также аналогичные зарубежные названия, принятые в триаках, соответственно, «G» (Gate — затвор), «Т1» (Main Terminal 1) и «Т2» (Main Terminal 2).

    Симистор, в зависимости от конструкции, может открываться как положительными, так и отрицательными импульсами на выводе УЭ. Ветви ВАХ симметричные, поэтому ток через силовые электроды может быть и втекающим, и вытекающим. Итого, различают четыре режима работы в квадрантах 1…4 (Рис. 2.105).

    Рис. 2.105. Режимы работы симисторов (триаков).

    Первыми были разработаны четырёх квадрантные симисторы или, по-другому, 4Q-TpnaKM. Они требуют для нормальной работы введения в схему демпферных ЛС-цепочек (100 Ом, 0.1 МК Ф), которые устанавливаются параллельно силовым электродам СЭУ и СЭ. Таким нехитрым способом снижается скорость нарастания напряжения через симистор и устраняются ложные срабатывания при повышенной температуре и значительной индуктивной или ёмкостной нагрузке.

    Технологические достижения последнего времени позволили создать трёхквадрантные симисторы или, по-другому, 3Q триаки. Они, в отличие от симисторов «4Q», работают в трёх из четырёх квадрантов и не требуют ЯС-цепочек. Типовые параметры 3Q-TpnaKOB Hi-Com BTA208…225 фирмы Philips: максимальное коммутируемое напряжение 600…800 В, ток силовой части 8…25 А, ток отпирания затвора (УЭ) 2…50 мА, малогабаритный SMD-корпус.

    Схемы подключения симисторов к MK можно условно разделить на две группы: без развязки от сети 220 В (Рис. 2.106, a…r) и с гальванической изоляцией (Рис. 2.107, а…л).

    Некоторые замечания. Типы указанных на схемах симисторов однообразны, в основном КУ208х, BTxxx, MACxxx. Это сделано специально, чтобы заострить внимание на схемотехнике низковольтной управляющей части, поскольку она ближе всего к MK. На практике можно использовать и другие типы симисторов, следя за их выходной мощностью и амплитудой управляющего тока.

    Демпферные цепочки в силовой части на схемах, как правило, отсутствуют. Это упрощение, чтобы не загромождать рисунки, поскольку предполагается, что сопротивление нагрузки R H носит чисто активный характер. В реальной жизни демпфирование необходимо для 4Q-триаков, если нагрузка имеет значительную индуктивную или ёмкостную составляющую.

    а) ВЫСОКИЙ уровень на выходе МК открывает транзистор VT1, через который включается симистор VS1. Варистор RU1 защищает симистор от всплесков напряжения, начиная с порога 470 В (разброс 423…517 В). Это актуально при индуктивном характере нагрузки jR H ;

    б) аналогично Рис. 2.106, а, но с другой полярностью сигнала на выходе MK и с транзистором VT1 другой структуры, который выполняет функцию инвертора напряжения. Благодаря низкому сопротивлению резистора R2, повышается помехоусточивость. Сопротивление резистора R2 выбирается по тем же критериям, что и для схем на тиристорах;

    Рис. 2.106. Схемы подключения симисторов к MK без гальванической изоляции.

    в) высоковольтный транзистор ГУ2замыкаетдиагональдиодного моста VD1 при НИЗКОМ уровне на линии MK. Транзистор VT1 в момент рестарта MK находится в открытом состоянии из-за резистора R1, при этом симистор VS1 закрывается и ток через нагрузку R H не протекает;

    г) прямое управление симистором VS1 с одного или нескольких выходов MK. Запараллеливание линий применяется при недостаточном токе управления (показано пунктиром). Ток через нагрузку R H не более 150 мА. Возможные замены: VS1 — MAC97A8, VD2— KC147A.

    а) симистор VS1 включается/выключается при наличии/отсутствии импульсов 50…100 кГц, генерируемых с выхода MK. Изолирующий трансформатор T1 наматывается на кольце из феррита N30 и содержит в обмотке I — 15 витков, в обмотке II — 45 витков провода ПЭВ-0.2;

    б) простая схема трансформаторной развязки. Симистор VS1 включается короткими импульсами с выхода MK. Ток управления зависит от коэффициента трансформации 77;

    Рис. 2.107. Схемы гальванической изоляции МК от симисторов.

    в) разделительный трансформатор T1 наматывается на ферритовом кольце M1000HM размерами K20xl2x6 и содержит в обмотке I — 60 витков, в обмотке II — 120 витков провода ПЭВ-0. 2. Цепочка R3, C1 накапливает энергию для импульсной коммутации транзистора K77;

    г) если не требуется частое включение/выключение нагрузки, то для гальванической развязки можно использовать реле K1. Его контакты должны выдерживать без пробоя переменное напряжение 220 В. В некоторых схемах токоограничивающий резистор R3 закорачивают;

    д) контакты геркона SF1 замыкаются при протекании тока через катушку индуктивности L1, которая намотана на его корпус. Достоинство — сверхбольшое сопротивление изоляции;

    е) гальваническая развязка на транзисторной оптопаре VU1. Резистор R3 повышает помехоустойчивость, но может отсутствовать. Резистор Я2определяет порог открывания транзистора VT1. При использовании симисторов КУ208, TC106-10 сопротивление резистора Я2уменьшают до 30…75 кОм;

    ж) симистором VS1 управляет драйвер DA1 (по-старому, КР1182ПМ1), который обеспечивает плавное изменение тока в нагрузке R H в зависимости от напряжения на конденсаторе C1. Если транзистор оптопары W/закрыт, то конденсатор С1 заряжается от внутреннего ИОН микросхемы DA1 и в нагрузке устанавливается максимальное напряжение. Резистор R4 может отсутствовать при наличии резистора R3. Резистор R3 можно закоротить при наличии резистора R4\

    з) гальваническая развязка на опторезисторе VU1. Резистором R1 подбирается ток через своизлучатель VU1 и, соответственно, ток управления симистором VS1;

    и) применение двух оптотиристоров VU1, УУ2щ\я коммутации симистора VS1 в любой пупериод сетевого напряжения. Резистор Л2ограничивает ток управления симистора;

    к) питание входа УЭ симистора VS1 осуществляется от отдельной низковольтной обмотки промышленного трансформатора T1ТПП235-220/110-50;

    л) применение оптотиристора VU1 для управления симистором VS1 (замена КУ208Д1). Из двух токоограничивающих резисторов R2, R3 обычно оставляют один, второй замыкают перемычкой. Замена VD1 — мост КЦ407А или четыре отдельных диода КД226.

    Источник :
    Рюмик, С. М., 1000 и одна микроконтроллерная схема. Вып. 2, :ЛР Додэка-ХХ1, 2011. — 400 с.: ил. + CD. — (Серия «Программируемые системы»).

    В следующих статьях будут устройства, которые должны управлять внешней нагрузкой. Под внешней нагрузкой я понимаю все, что прицеплено к ножкам микроконтроллера – светодиоды, лампочки, реле, двигатели, исполнительные устройства … ну Вы поняли. И как бы не была заезжена данная тема, но, чтобы избежать повторений в следующих статьях, я все-же рискну быть не оригинальным — Вы уж меня простите:). Я кратенько, в рекомендательной форме, покажу наиболее распространенные способы подключения нагрузки (если Вы что-то захотите добавить – буду только рад).
    Сразу договоримся, что речь идет о цифровом сигнале (микроконтроллер все-таки цифровое устройство) и не будем отходить от общей логики: 1 -включено, 0 -выключено. Начнем.

    Нагрузкой постоянного тока являются: светодиоды, лампы, реле, двигатели постоянного тока, сервоприводы, различные исполнительные устройства и т.д. Такая нагрузка наиболее просто (и наиболее часто) подключается к микроконтроллеру.

    1.1 Подключение нагрузки через резистор.
    Самый простой и, наверно, чаще всего используемый способ, если речь идет о светодиодах.

    Резистор нужен для того, чтобы ограничить ток протекающий, через ножку микроконтроллера до допустимых 20мА . Его называют балластным или гасящим. Примерно рассчитать величину резистора можно зная сопротивление нагрузки Rн.

    Rгасящий = (5v / 0.02A) – Rн = 250 – Rн

    Как видно, даже в самом худшем случае, когда сопротивление нагрузки равно нулю достаточно 250 Ом для того, что бы ток не превысил 20мА. А значит, если неохота чего-то там считать — ставьте 300 Ом и Вы защитите порт от перегрузки. Достоинство способа очевидно – простота.

    1.2 Подключение нагрузки при помощи биполярного транзистора.
    Если так случилась, что Ваша нагрузка потребляет более 20мА, то, ясное дело, резистор тут не поможет. Нужно как-то увеличить (читай усилить) ток. Что применяют для усиления сигнала? Правильно. Транзистор!

    Для усиления удобней применять n-p-n транзистор, включенный по схеме ОЭ . При таком способе можно подключать нагрузку с большим напряжением питания, чем питание микроконтроллера. Резистор на базе – ограничительный. Может варьироваться в широких пределах (1-10 кОм), в любом случае транзистор будет работать в режиме насыщения. Транзистор может быть любой n-p-n транзистор. Коэффициент усиления, практически не имеет значения. Выбирается транзистор по току коллектора (нужный нам ток) и напряжению коллектор-эмиттер (напряжение которым запитывается нагрузка). Еще имеет значение рассеиваемая мощность — чтоб не перегрелся.

    Из распространенных и легко доступных можно заюзать BC546, BC547, BC548, BC549 с любыми буквами (100мА), да и тот-же КТ315 сойдет (это у кого со старых запасов остались).
    — Даташит на биполярный транзистор BC547

    1.3 Подключение нагрузки при помощи полевого транзистора.
    Ну а если ток нашей нагрузки лежит в пределах десятка ампер? Биполярный транзистор применить не получиться, так как токи управления таким транзистором велики и скорей всего превысят 20мА. Выходом может служить или составной транзистор (читать ниже) или полевой транзистор (он же МОП, он же MOSFET). Полевой транзистор просто замечательная штука, так как он управляется не током, а потенциалом на затворе. Это делает возможным микроскопическим током на затворе управлять большими токами нагрузки.

    Для нас подойдет любой n-канальный полевой транзистор. Выбираем, как и биполярный, по току, напряжению и рассеиваемой мощности.

    При включении полевого транзистора нужно учесть ряд моментов:
    — так как затвор, фактически, является конденсатором, то в моменты переключения транзистора через него текут большие токи (кратковременно). Для того чтобы ограничить эти токи в затвор ставиться ограничивающий резистор.
    — транзистор управляется малыми токами и если выход микроконтроллера, к которому подключен затвор, окажется в высокоимпедансном Z-состоянии полевик начнет открываться-закрываться непредсказуемо, вылавливая помехи. Для устранения такого поведения ножку микроконтроллера нужно «прижать» к земле резистором порядка 10кОм.
    У полевого транзистора на фоне всех его положительных качеств есть недостаток. Платой за управление малым током является медлительность транзистора. ШИМ, конечно, он потянет, но на превышение допустимой частоты он Вам ответит перегревом.

    1.4 Подключение нагрузки при помощи составного транзистора Дарлингтона.
    Альтернативой применения полевого транзистора при сильноточной нагрузке является применение составного транзистора Дарлингтона. Внешне это такой-же транзистор, как скажем, биполярный, но внутри для управления мощным выходным транзистором используется предварительная усилительная схема. Это позволяет малыми токами управлять мощной нагрузкой. Применение транзистора Дарлингтона не так интересно, как применение сборки таких транзисторов. Есть такая замечательная микросхема как ULN2003. В ее составе аж 7 транзисторов Дарлингтона, причем каждый можно нагрузить током до 500мА, причем их можно включать параллельно для увеличения тока.

    Микросхема очень легко подключается к микроконтроллеру (просто ножка к ножке) имеет удобную разводку (вход напротив выхода) и не требует дополнительной обвязки. В результате такой удачной конструкции ULN2003 широко используется в радиолюбительской практике. Соответственно достать ее не составит труда.
    — Даташит на сборку Дарлингтонов ULN2003

    Если Вам нужно управлять устройствами переменного тока (чаще всего 220v), то тут все сложней, но не на много.

    2.1 Подключение нагрузки при помощи реле.
    Самым простым и, наверное, самым надежным есть подключение при помощи реле. Катушка реле, сама собой, является сильноточной нагрузкой, поэтому напрямую к микроконтроллеру ее не включишь. Реле можно подключить через транзистор полевой или биполярный или через туже ULN2003, если нужно несколько каналов.

    Достоинства такого способа большой коммутируемый ток (зависит от выбранного реле), гальваническая развязка. Недостатки: ограниченная скорость/частота включения и механический износ деталей.
    Что-то рекомендовать для применения не имеет смысла — реле много, выбирайте по нужным параметрам и цене.

    2. 2 Подключение нагрузки при помощи симистора (триака).
    Если нужно управлять мощной нагрузкой переменного тока а особенно если нужно управлять мощностью выдаваемой на нагрузку (димеры), то Вам просто не обойтись без применения симистора (или триака). Симистор открывается коротким импульсом тока через управляющий электрод (причем как для отрицательной, так и для положительной полуволны напряжения). Закрывается симистор сам, в момент отсутствия напряжения на нем (при переходе напряжения через ноль). Вот тут начинаются сложности. Микроконтроллер должен контролировать момент перехода через ноль напряжения и в точно определенный момент подавать импульс для открытия симистора — это постоянная занятость контроллера. Еще одна сложность это отсутствие гальванической развязки у симистора. Приходится ее делать на отдельных элементах усложняя схему.


    Хотя современные симисторы управляются довольно малым током и их можно подключить напрямую (через ограничительный резистор) к микроконтроллеру, из соображений безопасности приходится их включать через оптические развязывающие приборы. Причем это касается не только цепей управления симистором, но и цепей контроля нуля.

    Довольно неоднозначный способ подключения нагрузки. Так как с одной стороны требует активного участия микроконтроллера и относительно сложного схемотехнического решения. С другой стороны позволяет очень гибко манипулировать нагрузкой. Еще один недостаток применения симисторов — большое количество цифрового шума, создаваемого при их работе — нужны цепи подавления.

    Симисторы довольно широко используются, а в некоторых областях просто незаменимы, поэтому достать их не составляет каких либо проблем. Очень часто в радиолюбительстве применяют симисторы типа BT138.

    Автор : elremont от 17-03-2014

    Это схема, в которой есть неизолированные металлические части под напряжением! Будьте осторожны и примите все меры предосторожности, чтобы избежать поражения электрическим током. Кроме того, обязательно используйте предохранитель с низким значением отсечки (мА) , поставив его на провод от аккумуляторной батареи до управляющего электрода. Вы имеете дело с 220В! Металлический лепесток на симисторе (T2) всегда ПОД НАПРЯЖЕНИЕМ. Тем из вас, кто имел мало опыта работы с электроникой, не стоит заниматься этим проектом. Как я говорю и в видео, вам необходимо удостоверится, где в розетке «фазовый» и где «нейтральный» контакт с помощью индикатора на 220 В! Маленькие контакты могут быть фазными, а большое лезвие всегда НЕЙТРАЛЬНО. Ничего не берите на веру. Всегда проверяйте отсутствие напряжения до прикосновения к контакту.
    Итак, это руководство для переключения симистора постоянным током. Большинство людей не понимают, что вы можете отдельным источником постоянного тока переключать симистор, как на этой схеме. Для простоты я использую BT136/600 и его распиновка такая: Т1, Т2 … Т2 пойдет к нагрузке, T1 пойдет на нейтраль и G это управление. Итак, что мы делаем, по цепи 220 В, провод идет в нагрузку, которой может быть все что угодно: свет, электронное устройство, а затем попадает на контакт T2 симистора. Контакт T2 переходит на T1 подключенный к нейтральному проводу, завершая цепь. Включить и выключить симистор вы можете с помощью отдельной батареи. При желании вы могли бы использовать понижающий трансформатор с электропитанием от той же линии, что у вас есть, чтобы получить постоянное напряжение для тока управления. Или вы можете использовать внешнюю сеть переменного тока, есть много вариантов получения постоянного тока для управления. Скажем, вы придумали схему, которая работает на постоянном токе, и вы хотите что то включить на переменном, так что это прекрасно подходит для этого. Хорошо, у меня есть 6-вольтовая батарея, я покажу вам ее через минуту. Берем минус и проверяем, что он присоединен к нейтральной шине. Это очень важно. Не надо делать этого в обратном направлении, проверьте, что эта отрицательная клемма на нейтрали. При помощи индикатора или тестера убедитесь, что провода к электрической розетке присоединены правильно. Итак минус на нейтраль, и хорошей идеей будет поставить предохранитель между минусом и нейтралью. В случае, если что либо замкнет в симисторе, и один из контактов замкнет на управляющий электрод, то вы можете получить 220 вольт, проходящие через батарейку. Так что ставьте предохранитель прямо здесь, на очень низкую сила тока. Лучше всего поставить на 50 миллиампер. Так что, если произойдет короткое замыкание, оно будет кратковременно и не катастрофично. Теперь берем наш плюс, он проходит через цепи коммутации и управления и на управляющий электрод симистора плюс поступает через токоограничивающий резистор. Этот симистор — BT136, с током управления максимум 35 мА, а напряжение, я думаю, максимум 12. Но я использую 6. Таким образом, вычислить сопротивление резистора очень просто, вы берете свое напряжение и делите его на ток который необходим, и вы получите сопротивление в Омвх. Я взял резистор 330 Ом, и эта батарея как я уже сказал, на 6.2 вольта. Я покажу прямо сейчас. У меня есть удлинитель подключенный к ночнику на 7 Вт, мощность этого симистора достаточно высока, вероятно, в 1000 или 1500 Вт. Убедитесь, что он стоит на радиаторе с термопастой, и все будет нормально. Нагрузка… я знаю, что это зеленая жила кабеля, но это не имеет значения. Вы проводите линию, идущую к нагрузке, в данном случае это 7 ваттная лампа. С другой стороны нагрузки подключен красный провод, хорошо. Это контакт T2, корпус это его часть, лепесток корпуса и средний контакт на этом симисторе это T2. T1 это первый контакт, он присоединен к нейтральной шине. Эта нейтральная шина соединена с нейтралью домовой проводки.Теперь берем 6 вольтовую батарею. Вы берете общий провод от нейтрали, и присоединяете его к минусу. У меня есть небольшой предохранитель он на 100 миллиампер, но лучше было бы поставить на 50, если ты собираешься это сделать. Поэтому убедитесь, что ставите на 50 с нейтральной стороны. Положительный полюс батарейки присоединяем к резистору, ведущему к управляющему электроду. Я поморгаю светом, просто прикасаясь к нейтральной шине, подключив ее к отрицательному полюсу на батарейке. Все готово к включению. Я все покажу. Мы замкнем цепь от батареи к управляющему электроду, и вы можете увидеть, что свет включается. И я проверил это… Все работает прекрасно, и я проверю разъем на лампе, и я получаю полное напряжение, что означает, что управление полностью открыло симистор. Так что это действительно хорошая схема для понимания работы симистора. Теперь вы можете включать устройства переменного тока. Как я уже говорил… Я оставлю это подключенным. Хорошо, что в итоге. В том случае, если в симисторе будет короткое замыкание, у нас фазовое напряжение будет пытаться идти в эту батарею. Поэтому поставьте предохранитель как можно меньше. Как только высокое напряжение попытается войти, если случится короткое замыкание, предохранитель перегорит, и батарея будет в порядке. Хорошо, я покажу вам еще работу с дрелью, и вы увидите, что питание это не проблема. Я присоединю штекер на секунду. Я отодвину камеру подальше, чтобы вы рассмотрели. Замечательно. Я прикоснусь… Выключено. Включено. Переключается от батарейки.
    _


    Оптосимисторы в схемах на микроконтроллере

    Оптосимистор, как следует из названия, включается освещением полупроводникового слоя. По сути дела это комбинация оптоизлучателя и симистора, но в одном корпусе. Преимущество — простая схема управления и изоляция цепей.

    Оптосимисторы могут коммутировать нагрузку сами (Рис. 2.108, а…в) или служить гальванической развязкой для MK (Рис. 2.109, а…ж).

    а) прямое управление мощным оптосимистором VU1 (фирма Sharp) от MK;

    б) оптосимистор VU1 (оптотриак фирмы Teledyne Technologies) управляет нагрузкой RH в сети переменного напряжения 220 В/16 А и имеет встроенный резистор Rx 440 Ом;

    в) включение оптосимистора VU1 (замена S201S05V) через буферный транзистор VT1, который защищает порт MK при аварии. Мощность в нагрузке RH не более 100 Вт.

    Рис. 2.109. Схемы гальванической изоляции симисторов при помощи оптосимисторов (начало):

    а)         трёхступенчатая схема управления на оптосимисторе VU1 и двух триаках KS7, VS2. Для сети 220 В триаки (они же симисторы) следует выбирать на напряжение не менее 600 В;

    б) маломощный оптосимистор VU1 управляет мощным симистором VS1. Сопротивления резисторов R2, R3 варьируются в разных схемах. Встречающиеся варианты: VU1 — MOC3021, MOC3052; VS1 — ТС112…ТС142сдопустимым напряжением коммутации не менее 400 В;

    в) аналогично Рис. 2.109, б, но с демпфирующей цепочкой R4, C1, а также с другим расположением нагрузки относительно симистора VS1 и другой полярностью сигнала с выхода MK. Возможные замены: VS1 – BT138-600, VU1 – MOC3062, MOC3063, MOC3051…MOC3053;

    г) схема включения триака VS1, рассчитанного на напряжение 600 В и ток 8 А. Конденсаторы должны выдерживать переменное напряжение не менее 275 В. Для повышения устойчивости можно установить резистор 220…470 Ом между средним и нижним выводами триака;

    д)аналогично Рис.2.109, г, но с активным ВЫСОКИМ уровнем на выходе MK, напряжением сети 120 В и с другими номиналами ЭРИ. Фильтр L1, C2 снижает коммутационные помехи;

     Рис. 2.109. Схемы гальванической изоляции симисторов при помощи оптосимисторов

    (окончание):

    е) аналогично Рис. 2.109,6, но с дополнительной фильтрацией помех и снижением нарастания фронта управляющего сигнала при помощи конденсаторов С/, C2. Встречающиеся варианты замены элементов: VU1 — MOC3041, VS1 — BTA12-600, R2 = 470 Ом, R4 и C2 в некоторых схемах отсутствуют;

    ж) оптосимистор VU1 управляет двумя относительно низковольтными симисторами VS1, VS2, включёнными последовательно (желательно подобрать пару с одинаковыми токами утечки). Резисторы RS, R6 распределяют примерно поровну сетевое напряжение в средней точке соединения VS1, VS2. Светодиоды HL1, HL2 индицируют аварийное состояние симисторов или же значительную ассиметрию их ВАХ. Вместо низковольтных симисторов КУ208Б можно поставить симисторы КУ208Г с вдвое большим допустимым напряжением. Как следствие, увеличится надёжность устройства и сохранится работоспособность при пробое одного из симисторов.

    Источник: Рюмик, С. М., 1000 и одна микроконтроллерная схема. Вып. 2 / С. М. Рюмик. — М.:ЛР Додэка-ХХ1, 2011. — 400 с.: ил. + CD. — (Серия «Программируемые системы»).

    Russian HamRadio — Управление нагрузкой на переменном токе.

    В настоящей статье рассматривается несколько простых вариантов управления нагрузкой, включенной в цепь переменного тока, и описываются их достоинства и недостатки.

    При создании современных устройств автоматики часто возникает задача коммутации нагрузки, включенной в цепь переменного тока. Такой нагрузкой могут быть различные нагревательные и осветительные элементы, силовые пускатели, трансформаторы, двигатели и т. п.

    Рис.1.

    Существует много относительно простых схем узлов, позволяющих выполнить эту задачу.

     

    Все варианты можно разделить на ряд групп:

    • использование электромагнитных реле;

    • коммутация диагонали диодного моста;

    • использование твердотельных реле;

    • использование оптотиристоров и оптосимисторов;

    • использование оптронов;

    • использование драйверов тиристоров и симисторов.

    Рис.2.

    Узлы с использованием электромагнитных реле являются наиболее простыми, однако они имеют множество недостатков.

    Рис.3.

    Наиболее серьезными из них являются значительное время срабатывания, что не позволяет использовать их в импульсных устройствах управления, дребезг контактов, их искрение и обгорание, относительно малый ресурс, малая распространенность малогабаритных реле, способных коммутировать большие токи, большое содержание драгоценных металлов и высокая стоимость мощных реле.

    В настоящее время узлы с электромагнитными реле считаются морально устаревшими и используются редко, в основном в устройствах, в которых переключение происходит достаточно редко.

    Узлы с коммутацией диагонали диодного моста находят достаточно широкое применение в радиолюбительской практике.

    Рис.4.

    Для коммутации используются мощные высоковольтные транзисторы или тиристоры.

    На рис. 1 показана типовая схема с коммутацией диодного моста с помощью транзистора, описанная, например, в [1, 2], а на рис. 2— с помощью тиристора [3, 4].

    К недостаткам приведенных вариантов следует, в первую очередь, отнести гальваническую связь цепей управления с сетью.

    При этом необходим изолированный источник питания и повышенные меры безопасности при наладке и эксплуатации.

    Узел имеет большое число элементов, в том числе — пять мощных (четыре диода и транзистор или тиристор), которые при больших токах нагрузки имеют повышенную температуру и нуждаются в теплоотводе.

    В последнее время за рубежом получили широкое распространение так называемые “твердотельные реле”, представляющие собой специализированный оптрон, светодиод которого открывает двунаправленный ключ, выполненный на полевых транзисторах.

    Рис.5.

    Примером может служить серия приборов HSR312/412 фирмы Fairchild Semiconductors [5] (рис. 3).

    Твердотельные реле, рассчитанные на малые токи (до 1 А), иногда применяются для коммутации диагонали диодного моста,

    вследствие чего несколько уменьшаются габариты и стоимость изделия (рис. 4).

    Сильноточные твердотельные реле могут использоваться для коммутации нагрузки непосредственно (рис. 5), но имеют очень высокую стоимость (несколько десятков долларов) и достаточно дефицитны, поэтому в отечественной практике применяются редко.

    Довольно часто и в промышленной, и в радиолюбительской отечественной аппаратуре встречаются узлы с использованием оптотиристоров (например, Т0125-10) и оптосимисторов (например, ТСО142-40).

    Рис.6.

    Это довольно удобные в эксплуатации сильноточные приборы.

    На рис. 6 показана типовая схема включения оптосимистора, а на рис. 7 — двух включенных встречно-параллельно оптотиристоров.

    Описанные варианты имеют три серьезных недостатка.

    Во-первых, эти полупроводниковые приборы имеют мощные светодиоды с большим током открывания (220…300 мА).

    Это заставляет разработчиков использовать мощные транзисторные ключи, между коллектором и плюсом источника питания (+

    5В) которых включаются последовательно соединенные гасящий одноваттный резистор 15…22 Ом и светодиод оптосимистора или два соединенных последовательно светодиода оптотиристоров. Рис.7.

    Во-вторых, стоимость оптосимисторов довольно велика и составляет примерно $2,7…3, стоимость всего узла на оптосимисторе может достигать $4. ..5, а на двух оптотиристорах и того более.

    В третьих, описываемые приборы недостаточно устойчиво открываются постоянным током при малых коммутируемых напряжениях или токах, что заставляет разработчиков для их включения использовать серию импульсов, усложняет схему и еще больше повышает стоимость.

    Некоторые разработчики используют обычные симисторы, управляемые через динисторные или другие оптроны. Один из таких вариантов включения описан в [6] и показан на рис. 8.

    Недостатками таких узлов являются необходимость тщательного подбора оптронов для обеспечения близких значений углов открывания симистора при разных полуволнах, а также значительное число элементов и относительно высокая стоимость.

    Рис.8.

    Учитывая актуальность проблемы управления нагрузкой, включенной в сеть переменного тока, а также недостатки описанных выше методов, некоторые фирмы освоили выпуск малогабаритных и низкостоимостных микросхем драйверов симисторов и тиристоров.

    Наиболее известным производителем таких микросхем является фирма Fairchild Semiconductors [5].

    Она производит микросхемы драйверов двух типов: с произвольным моментом включения и с привязанным к прохождению напряжения через нуль.

    Первый тип микросхем содержит светодиод и оптосимистор, второй — те же элементы и специальную цепь определения перехода переменного напряжения через нуль (ZCC — Zero-Cross Circuit).

    Рис.9.

    Именно эта цепь и включает симистор в соответствующий момент.

    Схема микросхемы драйвера с включением в произвольный момент показана на рис. 9, а микросхемы драйвера с включением в момент прохождения через нуль — на рис. 10.

    Первый вариант микросхем предназначен для управления нагрузкой в устройствах с широтно-импульсной модуляцией.

    При его использовании в момент включения мощных симисторов (тиристоров) возникают большие импульсные помехи

    , и требуется применение эффективных сетевых фильтров.

    Рис.10.

    Второй вариант предназначен для использования в медленнодействующих малошумящих коммутаторах, в которых мощные симисторы (тиристоры) включаются при малых напряжениях, близких к нулю, и не создают больших помех.

    Стоимость таких микросхем достаточно низкая, примерно $0,5.

    Микросхемы драйверов, имеющие индивидуальные номера, оканчивающиеся на 1, 2 и 3, обеспечивают включение нагрузки при подаче на светодиод тока, соответственно равного 15, 10 и 5 мА.

    Рис.11.

    Типовая схема включения драйвера для случая управления мощным симистором приведена на рис. 11, а для случая управления двумя встречно-параллельно включенными тиристорами — на рис. 12 [7].

    Показанные на рисунках RC-цепочки, включенные параллельно симистору (тиристорам), рекомендуется использовать для улучшения их динамических характеристик.

    Меньшее из диапазона сопротивление резистора соответствует резистивной нагрузке, а большее — индуктивной.

    Стоимость такого узла обычно не превышает $2.

    Хорошие динамические характеристики, низкие токи управления и малые габаритные размеры позволяют считать их наиболее целесообразными как для профессионального, так и для любительского применения.

     

    Рис.12.

    Приведенные в данной статье схемы управления нагрузкой, включенной в цепь переменного тока, а также отмеченные достоинства и недостатки позволят читателю легче ориентироваться в всех возможных вариантах решения этой задачи и выбрать вариант, наиболее удовлетворяющий конкретным техническим требованиям с учетом доступности и стоимости элементов.

     

     

    Основные параметры микросхем драйверов фирмы Fairchild Semiconductors приведены в табл. 1.

    О. Николайчук [email protected]

    Литература:

    1. В. Янцев. Регулятор сетевого напряжения.— Моделист-конструктор, 1990, №4, с. 21.

    2. С. Алексеев. Триггеры Шмитта без источника питания. — Схемотехника, 2002, № 12, с. 24.

    3. Л. Бжевский. Светорегулятор с выдержкой времени.— Радио, 1989, № 10, с. 76.

    4. С. Христофоров. Управление тринисторами и симисторами.— Схемотехника, 2001, № 12, с. 21—25.

    5. https://www. onsemi.com

    6. С. Карелин. Модификация тринисторного регулятора мощности.— Радио, 1990, № 11, с. 47.

    Оптосимисторы и их использование. | Старый радиолюбитель

    Оптосимистор — оптоэлектронный полупроводниковый прибор, имеющий структуру, схожую со структурой обычного симистора, но отличающийся от последнего тем, что включается не напряжением, а светом, падающим на симисторную структуру. При этом источник света — светодиод из арсенида галлия — интегрирован в одном светонепроницаемом корпусе с кремниевой симисторной структурой.
    В настоящее время широкое распространение получили импортные оптопары серий МОС3021-МОС3023, МОС3041-МОС3043, МОС3061-МОС3063. Следует отметить, что приборы серий МОС3021-МОС3023 — это так сказать, чистые оптосимисторы, состоящие из управляющего светодиода и симистора.

    Рис. 1. Устройство оптопары типа МОС3021-МОС3023.

    Рис. 1. Устройство оптопары типа МОС3021-МОС3023.

    А вот серии МОС3041-МОС3043, МОС3061-МОС3063 содержат еще внутри корпуса узел синхронизации момента включения с нулем переменного напряжения. Т.е. переключение может произойти только в тот момент, когда сетевое напряжение переходит чез ноль. Это позволяет сильно уменьшить помехи, создаваемые тиристором.

    Рис. 2. Устройство оптопары типа МОС3041-МОС3043, МОС3061-МОС3063.

    Рис. 2. Устройство оптопары типа МОС3041-МОС3043, МОС3061-МОС3063.

    Выходной симистор оптопары имеет такие же особенности, как и его дискретный аналог. В частности, он имеет лишь два устойчивых состояния: или выключен и не проводит ток, или включен. Управление симистором производит светодиод оптопары. Изменяя ток через светодиод, можно изменять силу его свечения, но исполнительный симистор оптопары включается, как и любой симистор, только дискретно, т.е. он не может «приоткрыться» чуть-чуть или «слегка» запереться.

    Рис. 3. Внешний вид оптотиристора МОС3063.

    Рис. 3. Внешний вид оптотиристора МОС3063.

    А как же тогда регулировать яркость свечения лампы? Это возможно при использовании широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Что это такое?

    Давайте рассмотрим принцип работы регулятора с ШИМ на простейшем примере:

    Рис. 4. Принцип работы регулятора с ШИМ.

    Рис. 4. Принцип работы регулятора с ШИМ.

    Допустим, нам нужно регулировать температуру резистора R2, включенного в коллекторную цепь транзистора. Можно, конечно, не мудрствуя лукаво, просто подавать на базу транзистора изменяющийся ток через резистор R1. При этом, с увеличением тока базы, будет увеличиваться и ток коллектора, а значит и ток через резистор R1, который будет нагревать его. Но часть мощности будет теряться на транзисторе, нагревая его. Минимальный нагрев транзистора будет будет в двух случаях: когда он полностью закрыт (его сопротивление очень велико) или когда он полностью открыт (его сопротивление мало).

    А теперь будем подавать на базу транзистора через токоограничительный резистор R1 импульсный сигнал постоянной частоты но с переменной скважностью (скважность — это безразмерная величина определяющая отношение периода следования (повторения) импульсов к длительности импульса). При подаче на вход низкого логического уровня (НЛУ) транзистор будет закрыт, а при подаче высокого логического уровня (ВЛУ) — полностью открыт (для этого подбирают сопротивление R1).

    Теперь, если мы подадим на базу транзистора последовательность импульсов, соответствующую графику А, транзистор бОльшую часть времени будет открыт и резистор R2 будет сильно нагреваться (на нем будет рассеиваться большАя мощность). Если подадим импульсы, которым соответствует график В, то бОльшую часть времени транзистор будет закрыт и на резисторе R2 будет рассеваться небольшая мощность.

    А теперь перейдем к использованию оптосимисторов. Они используются как правило для управления мощными тиристорами или симисторами с целью разделения и изоляции цепи управления от высоковольтной цепи. Пробивное напряжение между управляющей и силовой цепями составляет около 7500 В.

    Вот пример:

    Рис. 5. Схема управления мощным симистором с помощью оптосимистора

    Рис. 5. Схема управления мощным симистором с помощью оптосимистора

    Управление транзистором VT1 осуществляется или от компьютера или от генератора импульсов. R1 ограничивает ток через светодиод оптотиристора. Его сопротивление зависит от напряжения питания, ток через светодиод зависит от типа оптотиристора и должен быть от 10 до 20 мА (на 5 мА больше номинального, чтобы компенсировать деградацию кристалла светодиода в течении срока службы).

    Резистор R2 ограничивает ток через открытый оптосимистор ( макс. — около 1А) и для сетевого напряжения 220 В его сопротивление составляет от 300 до 400 Ом при мощности рассеивания 1 Вт.

    Резистор R3  подключается, только если электрод мощного симистора имеет повышенную чувствительность. Как правило, его сопротивление  находится в диапазоне от 100 Ом до 5 кОм. Вполне подойдет номинал 1 кОм при мощности рассеивания 1 Вт.

    Цепочка R4С1 — ,так называемый снаббер, служит для поглощения выбросов напряжения при выключении симистора. Особенно снаббер необходим при работе с нагрузкой. имеющей индуктивный характер а также при использовании оптосимисторов без схемы индикации перехода напряжения через 0. В случае активной нагрузки и использовании оптосимисторов с схемой индикации перехода напряжения через 0 снаббер не обязателен (но желателен). Емкость конденсатора С1- от 10 до 100 нФ, сопротивление резистора R4 — от 20 до 500 Ом.

    Нагрузка, в соответствии с даташитом, подключается в разрыв нулевого провода.

    Используя таймер 555 можно собрать простой генератор прямоугольных импульсов с переменной скважностью.

    Рис. 6. Схема генератора прямоугольных импульсов с переменной скважностью.

    Рис. 6. Схема генератора прямоугольных импульсов с переменной скважностью.

    Еще раз напомню, что оптосимисторы используются, когда нужно изолировать управляющую цепь от исполнительной. Если этого не требуется, то для управления тиристорами и симисторами есть схемы попроще.

    Всем здоровья и успехов!

    Оптосимистор: параметры и схемы подключения

    Оптосимисторы  относится к виду оптронов с отличными электрическими параметрами. Они создают крайне надежную гальваническую развязку, выдерживающую напряжение порядка 7,5кВ, имеющуюся между подключенной управляемой нагрузкой и схемой управления.

    Данные радиокомпоненты построены из арсенид-галлиевого ИК светодиода, имеющего связь с кремниевым двухканальным переключателем. В свою очередь этот переключатель может иметь в своем составе отпирающий элемент, который включается в момент перехода через ноль питающего переменного напряжения.

    Оптосимисторы  необычно полезны при осуществлении контроля за более мощными симисторами. Аналогичные  оптосимисторы были спроектированы для реализации связи между нагрузкой, которая питается переменным напряжением 220 вольт и логикой  с низким уровнем напряжения.

    Оптосимистор, как правило, выпускаются в компактном DIP-корпусе, имеющий  шесть контактов. Его внутренняя схема, параметры, а так же распиновка, показаны ниже.

    Схема подключения активной нагрузки к оптосимистору

    В этой схеме имеется два компонента, которые необходимо вычислить, но фактически подобные расчеты параметров выполняются не всегда. Но все, же приведем эти расчеты параметров для информации.

    Расчет параметра резистора RD. Вычисление сопротивления данного резистора влияет от наименьшего прямого тока ИК светодиода, обеспечивающего открытие симистора. Таким образом,

    RD = (+VDD -1,5) / If

    Допустим, для схемы с транзисторным контролем (которое применяется довольно часто в схемах регуляторов температуры), имеющим питания  12В и напряжение на открытом транзисторе (Uкэ)  0,3 В; VDD = 11,7 B и следовательно диапазон If приблизительно равен   15мА для MOC3041.

    Необходимо сделать If = 20 мА с учетом понижения эффективности свечения светодиода в течении срока службы (добавить 5 мА) получаем:

    RD=(11,7В — 1,5В)/0,02А = 510 Ом.

    Расчет параметра сопротивления R. Управляющий электрод оптосимистора может выдержать определенный максимальный ток. Увеличение данного параметра выводит из строя оптрон. Следовательно, нужно вычислить сопротивление, чтобы при наибольшем напряжении сети (к примеру, 220 В) ток не был больше максимально допустимого параметра.

    Для примера возьмем максимально-допустимый ток в 1А, тогда сопротивление будет равно:

    R=220 В * 1,44 / 1 А = 311 Ом.

    Нужно иметь в виду, что слишком большое сопротивление данного резистора может оказать нарушение в стабильности включения оптосимистора.

    Расчет параметра сопротивления Rg. Резистор Rg  подключается, только если электрод симистора имеет повышенную чувствительность. Как правило, сопротивление Rg  находится в диапазоне от 100 Ом до 5 кОм. Желательно применять 1 кОм.

    В случае если в управляемой  нагрузке есть  индуктивная составляющая, то необходимо применять другую схему подключения с защитой силового симистора и оптосимистора.

    Схема подключения индуктивной нагрузки к оптосимистору

    Сигнал, поступающий от оптосимистора на управляющий электрод симистора, нужен только для его открывания. Но при большой частоте переключения  коммутируемого напряжения, возникает большая вероятность спонтанного включения управляемого симистора, даже если отсутствует сигнал управления.

    Факторами  ложных срабатываний   могут быть выбросы напряжения при включении ключа, подключенного к  индуктивной нагрузке, импульсные помехи в линиях питания нагрузки. Действенный  способ устранения данных неприятных моментов – применение в схеме снабберной (демпфирующей) RC – цепочки, которая подключается параллельно выходу ключевого блока.

    Конденсатор в снабберной RC-цепи  — металлопленочный с номиналом от 0,01 до 0,1 мкФ, сопротивление резистора составляет  20…500 Ом. Данные параметры элементов необходимо рассматривать исключительно в качестве приблизительных величин.

    Экономичное устройство управления симисторами — RadioRadar

    стройство предназначено для компактных и экономичных изделий бытовой автоматики. Оно независимо подключает и отключает одну или несколько нагрузок к сети переменного тока напряжением 220 В в зависимости от внешнего логического сигнала. При этом импульс, управляющий симисто-ром, формируется минимальной длительности, достаточной для его открывания [1]. Кроме того, обеспечена привязка моментов включения нагрузки к моментам перехода напряжения сети через ноль, причём в нагрузку поступает всегда целое число периодов сетевого напряжения. Это снижает уровень коммутационных помех, что особенно важно для мощных нагрузок, а также гарантирует отсутствие постоянной составляющей тока нагрузки.

    Рис. 1

     

    На рис. 1 показана схема устройства для независимого управления двумя нагрузками. Нагрузку 1 коммутирует симистор VS2. Им управляют элементы DD1.1, DA1, VD2, VD3, R7, R9, R11, R12. Аналогично нагрузку 2 коммутирует симистор VS3, которым управляют элементы DD1.2, DA2, VD4, VD5, R8, R10, R13, R14. Так можно управлять любым числом нагрузок, при этом С1, R1-R3 — общие для всех. Элементы R4-R6, С2- С4, VD1, VD6, VD7, VS1, DA3 образуют блок питания, напряжение которого подаётся также на внешнее управляющее устройство. Он обеспечивает выходное напряжение 12 В при токе нагрузки до 100 мА. Блок работает по принципу описанного в статье [2] блока питания с балластным конденсатором и узлом ограничения выходного напряжения на стабилитроне и транзисторном аналоге тринистора. Но вместо аналога тринистора применён реальный прибор VS1, как показано на рис. 1.

    В моей предыдущей статье [3] описан узел управления симистором на таймере КР1441ВИ1 с фиксированной длительностью управляющих импульсов, а потому его применение в случае управления нагрузкой с индуктивной составляющей затруднительно. В предлагаемой статье это ограничение устранено. Нагрузками могут быть компактные люминесцентные («энергосберегающие») лампы с электронным балластом. Если выяснилось, что подключённая к устройству энергосберегающая лампа в выключенном состоянии периодически вспыхивает, нужно попытаться подобрать симистор с меньшим током утечки, а если это не удалось, зашунти-ровать лампу резистором или конденсатором, как рекомендовано в статье [4].

    Триггеры микросхемы DD1 служат для синхронизации моментов включения симисторов с переходами напряжения сети через ноль. Вход D каждого триггера управляющий — на него подаётся сигнал, который определяет включение или выключение соответствующей нагрузки.

    Делитель R2R3 обеспечивает поступление тактовых импульсов на входы С триггеров в моменты, когда мгновенное напряжение в сети проходит через нулевое значение и растёт (на верхнем по схеме сетевом проводе относительно нижнего). Таким образом, тактовые импульсы следуют с частотой 50 Гц синхронно с сетью. В момент включения устройства в сеть импульс через цепь R1C1 устанавливает устройство так, чтобы все нагрузки были отключены.

    Рассмотрим работу устройства на примере коммутации нагрузки 1. После включения питания триггер DD1.1 устанавливается в состояние высокого уровня на инверсном выходе и низкого уровня на прямом выходе. Здесь и далее логические уровни указаны относительно линии питания -12 В. В такое же состояние устанавливается этот триггер при соединении его входа D (вывод 5) с минусовым проводом питания после поступления на вход С (вывод 3) тактового импульса. Диоды VD2 и VD3 открываются. Высокий уровень через диод VD2 поступает на вход Е (сигнал разрешения запуска — вывод 4) таймера DA1, а на его входе S устанавливается низкий уровень. В результате на выходе таймера DA1 (соединённые выводы 3 и 7) устанавливается высокий уровень. Через управляющий электрод симистора VS2 ток не идёт, симистор закрыт, нагрузка 1 отключена.

    При соединении входа D триггера DD1.1 с плюсовым проводом питания после поступления на вход С тактового импульса триггер устанавливается в состояние высокого уровня на прямом выходе и низкого уровня на инверсном выходе. Диоды VD2 и VD3 закрываются. Состояние таймера DA1 определяется значениями напряжения на выходах делителя R11R7R9, которые подключены к входам Е и S таймера. Сопротивления резисторов этого делителя подобраны так, что через управляющий электрод симистора VS2 протекает ток, когда абсолютное значение напряжения U2-i между его электродами 2 и 1 превышает 9,8 В.

    Вход Е таймера имеет больший приоритет, чем S, a S — больший, чем R. Вход R таймера соединён с плюсом его питания. Поэтому таймер находится в состоянии низкого уровня на выходе, если этому не препятствуют сигналы на входах Е и S. Пока абсолютное значение напряжения U2-1 меньше 9,8 В, высокий уровень на входе Е разрешает установку по входу S. Напряжение низкого уровня на входе S устанавливает таймер в состояние высокого уровня на выходе. Через управляющий электродсимистора VS2 ток не идёт, нагрузка 1 отключена.

    Если напряжение U2-i больше +9,8 В, то напряжение на входе S превышает порог переключения, поэтому сигналом с входа R таймер переходит в состояние низкого уровня на выходе. Из управляющего электрода симистора VS2 через токоограничительный резистор R12 на выход таймера втекает ток. Симистор VS2 открывается и подключает нагрузку 1 к сети.

    Если напряжение U2-1 меньше -9,8 В, устанавливается напряжение низкого уровня на обоих входах Е и S. Низкий уровень на входе Е переключает таймер

    в состояние низкого уровня на выходе. Из управляющего электрода симистора VS2 через токоограничительный резистор R12 на выход таймера втекает ток. Симистор VS2 открывается и подключает нагрузку 1 к сети.

    После открывания симистора VS2 напряжение на нём падает почти до нуля, в результате чего таймер DA1, как описано выше, переходит в состояние высокого уровня на выходе, ток через управляющий электрод симистора VS2 прекращается, в результате чего достигается экономичное управление симистором.

    Если необходимо, чтобы нагрузка 1 включалась после соединения входа D триггера DD1.1 с минусовым проводом питания, а отключалась — с плюсовым, меняют местами подключение входов S и R, а также выходов этого триггера.

    Резисторы R12 и R14 задают ток управляющих электродов симисторов, который достигает 100 мА для указанного на схеме сопротивления 100 Ом. Такой ток достаточен для открывания большинства симисторов КУ208Г и всех ТС106-10-4. Если используемые симисторы отобраны так, что они открываются током 50 мА или установлены зарубежные симисторы MAC16D или ВТА216-500В, которые гарантированно открываются током 50 мА, то сопротивление резисторов R12 и R14 можно увеличить до 200 Ом.

    Так как симистор управляется напряжением минусовой полярности на управляющем электроде относительно его электрода 1, соединённого с общим проводом, то для питания устройства необходимо напряжение минусовой полярности.

    Предлагаемое устройство можно питать и от блока питания управляющего устройства, выход которого подключают к конденсатору С4, соблюдая полярность. В этом случае элементы R4-R6, С2, СЗ, VD1, VD6, VD7, VS1, DA3 не устанавливают. При отсутствии заметной индуктивной составляющей в нагрузке устройство потребляет ток около 200…300 мкА на одну нагрузку. Тем не менее для надёжного запуска источник питания должен обеспечивать выходной ток не менее 6 мА на нагрузку.

    Следует помнить о гальванической связи с сетью и соблюдать меры предосторожности. Устройство должно быть помещено в изолированный корпус и не соединяться непосредственно с другими устройствами, кроме тех, которыеоно коммутирует. Для повышения электробезопасности сетевой провод, являющийся общим, рекомендуется соединять с «нулём», другой сетевой провод — с «фазой», как показано на схеме.

    Рис. 2

     

    Если управляющее устройство вырабатывает логические сигналы плюсовой полярности относительно общего провода, их подают через согласующее устройство, схема которого показана на рис. 2. Сопротивление резистора R1 (в килоомах) рассчитывают по формуле R1 = (Uвx1-0,7 В) /0,1 мА, где UBX1 — напряжение сигнала высокого уровня плюсовой полярности (в вольтах). В знаменателе формулы — максимальный расчётный ток через этот резистор 0,1 мА. Указанное на рис. 2 его сопротивление соответствует высокому уровню сигнала ТТЛ.

    Рис. 3

    Если управляющее устройство не имеет собственного блока питания, то его можно питать от двухполярного блока питания с балластным конденсатором, схема которого показана на рис. 3. Он рассчитан на выходной ток до 100 мА по каждому напряжению. От плюсового напряжения питается управляющее устройство, а от минусового — предлагаемое.

    Микросхему HEF4013BP нежелательно заменять аналогами, поскольку её счётные входы оснащены триггерами Шмитта. Тем не менее возможно применение других зарубежных микросхем серии 4013В. В крайнем случае можно использовать и К561ТМ2, но тогда между выводами 3, 11 и выводом 7 следует включить диод Шотки КД923А, КД922А, КД922Б или 1N17-1N19 (анодом к выводу 7), который предотвращает протекание тока через внутренние защитные диоды. Хотя этот ток не превышает допустимого для серии К561 значения 10 мА, он приводит к некорректной работе микросхемы.

    Таймеры КР1441ВИ1 можно заменить аналогичными импортными ICM7555IPA, ILC555N, GLC555. Возможно применение и сдвоенных таймеров, таких как GLC556, ICM7556IPD.

    Интегральный стабилизатор с выходным напряжением -12 В (DA3 на рис. 1 и DA2 на рис. 3) может быть из серий КР1168ЕН12, КР1199ЕН12 или импортный типа 79L12. Микросхема КР1170ЕН5 (DA1 на рис. 3) заменима аналогом 2931AZ-5.

    Транзистор VT1 (см. рис. 2) — любой из серии КТ3107. Симистор МАС97А4 (VS1 на рис. 3) можно заменить на МАС97А6, МАС97А8, а также любым из серии ВТ131. Тринистор VS1 (см. рис. 1) — любой из серий КУ251, MCR100, ВТ149.

    Диоды VD1, VD7 на рис .1 и VD3, VD4 на рис.3 — из серий КД105, 2Д212, КД212 (кроме КД212Б и КД212Г), Д237 (кроме Д237В, Д237Г и Д237Л), КД243, 1N4001 — 1 N4007. Диоды КД521А можно заменить другими маломощными кремниевыми. Стабилитрон

    КС216Ж (VD6 на рис. 1) можно заменить на 2С216Ж, КС508В, 1 N4703, BZX55-C16. Напряжение стабилизации используемого стабилитрона должно находиться в пределах 15,5… 16,5 В при токе 2 мА.

    Конденсаторы ёмкостью 3,3 мкФ с номинальным напряжением 400 В (С2 на рис. 1 и С1 на рис. 3) — импортные с маркировкой «АС», предназначенные для включения в цепь переменного тока.

    Литература

    1.    Володин В. Экономичное управление симистором. — Радио, 2003, № 6, с. 27, 28.

    2.    Цесарук Н. Импульсный стабилизатор конденсаторного блока питания. — Радио, 1999, № 11, с. 39.

    3.    Гаврилов К. Применение микросхемы КР1441ВИ1. — Радио, 2011, № 6, с. 34-36.

    4.    Мороз К. Устранение мигания люминесцентной энергосберегающей лампы. — Радио, 2012, №4, с. 41.
     

    Автор: К. Гаврилов, г. Новосибирск

    Управление мощной нагрузкой переменного тока — Конструкции для дома — Конструкции для дома и дачи

    Иногда нужно слабым сигналом с микроконтроллера включить мощную нагрузку, например лампу в комнате. Особенно эта проблема актуальна перед разработчиками умного дома. Первое что приходит на ум — реле. Но не спешите, есть способ лучше 🙂

    В самом деле, реле это же сплошной гемор. Во первых они дорогие, во вторых, чтобы запитать обмотку реле нужен усиливающий транзистор, так как слабая ножка микроконтроллера не способна на такой подвиг. Ну, а в третьих, любое реле это весьма громоздкая конструкция, особенно если это силовое реле, расчитанное на большой ток.

    Если речь идет о переменном токе, то лучше использовать симисторы или тиристоры. Что это такое? А сейчас расскажу.

    Симистор BT139
    Схема включения из даташита на MOC3041

    Если на пальцах, то тиристор похож на диод, даже обозначение сходное. Пропускает ток в одну сторону и не пускает в другую. Но есть у него одна особенность, отличающая его от диода кардинально —управляющий вход.
    Если на управляющий вход не подать ток открытия, то тиристор не пропустит ток даже в прямом направлении. Но стоит подать хоть краткий импульс, как он тотчас открывается и остается открытым до тех пор, пока есть прямое напряжение. Если напряжение снять или поменять полярность, то тиристор закроется. Полярность управляющего напряжения предпочтительно должна совпадать с полярностью напряжения на аноде.

    Если соединить встречно параллельно два тиристора, то получится симистор — отличная штука для коммутации нагрузки на переменном токе.

    На положительной полуволне синусоиды пропускает один, на отрицательной другой. Причем пропускают только при наличии управляющего сигнала. Если сигнал управления снять, то на следующем же периоде оба тиристора заткнутся и цепь оборвется. Крастота да и только. Вот ее и надо использовать для управления бытовой нагрузкой.

    Но тут есть одна тонкость — коммутируем мы силовую высоковольтную цепь, 220 вольт. А контроллер у нас низковольтный, работает на пять вольт. Поэтому во избежание эксцессов нужно произвестипотенциальную развязку. То есть сделать так, чтобы между высоковольтной и низковольтной частью не было прямого электрического соединения. Например, сделать оптическое разделение. Для этого существует специальная сборка — симисторный оптодрайвер MOC3041. Замечательная вещь!
    Смотри на схему подключения — всего несколько дополнительных деталек и у тебя силовая и управляющая часть разделены между собой. Главное, чтобы напряжение на которое расчитан конденсатор было раза в полтора два выше напряжения в розетке. Можно не боятся помех по питанию при включении и выключении симистора. В самом оптодрайвере сигнал подается светодиодом, а значит можно смело зажигать его от ножки микроконтроллера без всяких дополнительных ухищрений.

    Вообще, можно и без развязки и тоже будет работать, но за хороший тон считается всегда делать потенциальную развязку между силовой и управляющей частью. Это и надежность и безопасность всей системы. Промышленные решения так просто набиты оптопарами или всякими изолирующими усилителями.

    Ну, а в качестве симистора рекомендую BT139 — с хорошим радиатором данная фиговина легко протащит через себя ток в 16А

    Опто-триаки, твердотельные реле (SSR), пересечение нуля и принцип их работы

    Обзор опто-триаков

    • Опто-триаки или твердотельные реле (ТТР) состоят из инфракрасного светодиода и симистора в одном корпусе. Светодиод включается и выключается маломощной схемой управления постоянным током, и это переключает симистор, который можно использовать для управления устройствами переменного тока до сетевого напряжения.
    • Оптотриаки обеспечивают гальваническую развязку между цепью управления и цепью переменного тока.
    • Опто-триаки доступны в «случайном» и нулевом типах.
    • Поскольку светодиодная часть опто-симистора представляет собой инфракрасный светодиод, значение последовательного резистора можно рассчитать, если известен требуемый ток. (Узнайте это значение из таблицы данных устройства.)

    Безопасность

    Триаки обычно используются на сетевом напряжении. Это представляет серьезную опасность поражения электрическим током. Новичкам в электронике не рекомендуется работать от сетевого напряжения.

    Как работают симисторы

    Триаки представляют собой полупроводниковые переключатели, которые могут включаться импульсом на затвор или триггерный штифт.После включения они остаются включенными до тех пор, пока ток не упадет ниже значения удержания. Задерживая точку включения до некоторого времени после того, как напряжение пересечет ноль вольт — точку пересечения нуля — напряжение можно отрегулировать, хотя оно больше не является синусоидальным.

    Рис. 1. Верхняя кривая показывает задержку триггера, близкую к концу цикла. Результирующее эффективное напряжение низкое. Нижняя кривая показывает триггер близко к началу цикла. Это приведет к близкому к полному напряжению. Зависимость между задержкой фазового угла и результирующим среднеквадратичным значением напряжения показана на графике справа.Рис. 2. Схематические обозначения дискретного симистора и опто-симистора. Обратите внимание, что, поскольку оптотриак запускается оптически, он (обычно) не имеет затвора или пускового штифта.

    Устройства, показанные на рис. 2, можно использовать для управления переменным фазовым углом, как показано на рис. 1. (Иногда их называют «случайными» опто-триаками или SSR, но термин «случайный» является неправильным, поскольку обычно точкой срабатывания является что угодно. но случайный и контролируемый. Имеется в виду «переменная» точка срабатывания.)

    Рисунок 4. Оптотриак с переходом через ноль или SSR.

    Когда светодиод опто-симистора с пересечением нуля загорается, схема обнаружения перехода через ноль будет ждать, пока напряжение не станет очень близким к нулю, прежде чем включать симистор. Это сводит к минимуму шум переключения и электромагнитные помехи (EMI) соседнему оборудованию.

    Рис. 4. При переключении через нуль сигнал состоит из нескольких полных полупериодов.

     

    Как работает обнаружение пересечения нуля

    Рис. 5. Внутреннее устройство схемы обнаружения перехода через ноль на базе G3MB-202P с входом 5 В.
    • Если значение \(V_{L1−L2}\) низкое (выше, но близко к нулю) и Q1 включается фотодействием от D1, то срабатывает SCR1. Это, в свою очередь, будет пропускать ток через R6, достаточный для того, чтобы напряжение затвора TRI1 было достаточно высоким для срабатывания.
    • Когда напряжение превысит определенный уровень, транзистор Q2 будет смещен. Напряжение на коллекторе упадет, и его будет недостаточно для включения SCR1, даже если впоследствии включится Q1.

    Эффект заключается в том, что TRI1 не может включиться, пока он не сработает вблизи пересечения нуля.

    Дальнейшее чтение

    Оптотриаки и твердотельные реле

    • Изучив этот раздел, вы должны уметь:
    • Опишите типичное использование оптосимисторов:
    • • Электрическая изоляция.
    • • Возможность переключения.
    • • Типовая конструкция.
    • Опишите типичные характеристики твердотельных реле:
    • • Электрическая изоляция.
    • • Переключение нагрузок переменного и постоянного тока.
    • • Типовые параметры.
    • Опишите типичные функции безопасности, используемые в твердотельных реле (ТТР):
    • • Защита от обратной полярности.
    • • Защита от перенапряжения.
    • • Подавление переходного напряжения.
    • • Цепи снаббера.
    • • Пересечение нулевого напряжения.
    • Описать основные меры по тестированию оптопарных устройств на основе интегральных схем.
    • • Базовые тесты.
    • • Вопросы безопасности для устройств среднего и высокого напряжения.

    Оптотриаки

    Устройства, которые используются для управления высоковольтным/мощным оборудованием, должны иметь хорошую электрическую изоляцию между их высоковольтным выходом и низковольтным входом. В таких условиях полагаться на слой оксида кремния толщиной в несколько атомов для обеспечения требуемой изоляции нецелесообразно.Когда возникают отказы (а они более вероятны в цепях большой мощности), последствия могут быть катастрофическими не только для компонентов схемы, но и для пользователей такого оборудования. Физическая изоляция (имеется в виду полное отсутствие электрического соединения между входом и выходом) — это то, что необходимо. К счастью, есть доступные решения этой проблемы. Сегодня многие мощные цепи управляются низковольтными слаботочными цепями, такими как микропроцессоры, с использованием оптоэлектронных устройств, таких как опто-триаки, опто-тиристоры и твердотельные реле, для изоляции цепей малой и большой мощности.

    Устройство управления должно быть способно выдерживать высокие напряжения, включая очень высокие пики напряжения, которые могут возникать в выходных цепях переменного или постоянного тока из-за противо-ЭДС от индуктивных нагрузок, и пики напряжения, которые могут случайным образом присутствовать в сети (линии) питания. поставка. Кроме того, высокие значения импульсного тока (намного выше нормального «рабочего тока»), возникающие, например, при включении таких нагрузок, как двигатели или лампы накаливания, могут потребовать, чтобы устройство управления было рассчитано на токи выброса до 40 или В 50 раз выше нормального «рабочего» тока.Выбранное устройство управления также должно обеспечивать гальваническую развязку между входной и выходной цепями. В дополнение к этим критериям цепь вокруг устройства управления также должна обеспечивать защиту от опасных ситуаций. Например, адекватные радиаторы для используемых твердотельных устройств. Также необходимы специальные очень быстродействующие предохранители или автоматические выключатели, чтобы предотвратить повреждение полупроводников из-за перегрузок по току.

    Рис. 6.6.1 Оптосимистор и оптотиристор

    В этой группе оптопар фототриаки, фототиристоры или комбинации фотодиод/МОП-транзистор заменяют фотодиоды и фототранзисторы, описанные в Модуле 5 оптопарных устройств, а также легко доступны в виде интегральных схем (I.в) форма для коммутации относительно маломощных нагрузок переменного или постоянного тока. Твердотельные реле большой мощности (ТТР), показанные на рис. 6.6.2, используют ИС, подобные показанным на рис. 6.6.1, с дополнительной «встроенной» схемой для безопасного и надежного управления нагрузками высокого напряжения и сильного тока.

    Рис. 6.6.2 Типовое твердотельное реле высокой мощности

    Твердотельные реле

    Opto Triacs и Opto SCR используются для переключения нагрузок переменного тока, но также доступны твердотельные реле, использующие мощные MOSFET-транзисторы, которые могут переключать переменный или постоянный ток.Твердотельные реле малой мощности, состоящие в основном из оптосимисторных схем, типа показанного на рис. 6.6.1, могут использоваться как обычные интегральные схемы, смонтированные на печатной плате. В качестве альтернативы эти маломощные оптопары могут быть заключены в изолированный корпус вместе с мощными симисторами или тринисторами и дополнительными компонентами безопасности, такими как радиаторы и компоненты подавления импульсов, в более крупных твердотельных реле (ТТР), монтируемых в стойку, всего с четырьмя или пятью винтами. клеммы для тяжелых условий эксплуатации, которые можно рассматривать как сетевые (линейные) силовые выключатели и которые могут заменить многие типы электромеханических реле.

    Рис. 6.6.3 Твердотельное реле MOSFET

    Одной из наиболее важных особенностей твердотельных реле является то, что оптопара обеспечивает полную электрическую изоляцию между входной цепью малой мощности и выходной цепью большой мощности. Когда выходной переключатель «разомкнут» (т. е. полевые МОП-транзисторы выключены), твердотельное реле имеет почти бесконечное сопротивление на своих выходных клеммах и почти нулевое сопротивление в «замкнутом» состоянии (т. е. полевые МОП-транзисторы с большой проводимостью). Даже в этом случае некоторая мощность будет рассеиваться полупроводниковым переключателем, когда он находится в состоянии «включено» или «выключено» с переменным или постоянным током.По этой причине для предотвращения перегрева требуются адекватные радиаторы.

    Типичная схема базового MOSFET SSR показана на рис. 6.6.3. Ток около 20 мА через светодиод достаточен для активации полевых МОП-транзисторов, которые заменяют контакты механического реле. (Инфракрасный) свет от светодиода падает на фотогальванический блок, который состоит из нескольких фотодиодов. Поскольку один фотодиод будет производить только очень низкое напряжение, диоды в фотогальваническом блоке расположены последовательно/параллельно, чтобы обеспечить достаточное напряжение для включения полевых МОП-транзисторов.

    Рис. 6.6.4 Использование микросхемы реле MOSFET для


    переключения переменного или постоянного тока

    На рис. 6.6.4 представлен базовый пример MOSFET твердотельного реле, показывающий, как можно расположить выходы, чтобы твердотельное реле могло переключать нагрузки переменного или постоянного тока. Доступен ряд аналогичных твердотельных реле для удовлетворения различных требований к выходному напряжению и току переменного и постоянного тока, типичным примером является твердотельное реле PVT412 от International Rectifier (теперь часть Infineon Technologies), выпускаемое в нескольких версиях в виде 6-контактного DIL-корпуса и способное заменить однополюсное механическое реле для переключения переменного или постоянного напряжения до 400 В (пиковое) с током до 140 мА переменного тока или 210 мА постоянного тока.Доступны и другие микросхемы, которые действуют как двухполюсные, нормально замкнутые (НЗ), нормально разомкнутые (НО) и переключающие реле с широким спектром дополнительных возможностей. Твердотельные реле также производятся с различными выходными напряжениями и номинальным током, с различными типами корпусов, начиная от небольших компонентов для поверхностного монтажа и заканчивая сложными многовыводными микросхемами и крупными сильноточными образцами для монтажа в стойку в электрических шкафах управления. Дополнительную информацию о твердотельных реле можно найти, выполнив поиск твердотельных реле на веб-сайтах производителей, таких как Infineon Technologies, или у поставщиков полупроводников, таких как RS Components

    .

    Рис.6.6.5 Функции безопасности твердотельных реле

    Средства безопасности SSR

    ТТР

    в основном состоят из оптопары, управляющей некоторым мощным переключающим устройством, таким как силовой симистор, МОП-транзистор или тринистор, но, поскольку их целью является переключение мощных электрических нагрузок, часто в критических с точки зрения безопасности ситуациях твердотельные реле изготавливаются с широким спектром функций. , предназначенный для обеспечения безопасной и надежной работы. Некоторые из них показаны на схеме, показанной на рис. 6.6.5:

    .

    Защита от обратной полярности.Если входные клеммы подключены в неправильной полярности, диод D1 проводит и снижает напряжение на дне R1 примерно до 0,7В, тем самым спасая светодиод оптопары от повреждения. Обратите внимание, что номинальная мощность диода и токоограничивающего резистора R1 должна выдерживать ток обратной полярности при максимальном входном напряжении без повреждений, в противном случае входной предохранитель соответствующего номинала может быть вставлен между входной положительной клеммой и токоограничивающим резистором.

    Защита от перегрузки по току.Твердотельные реле обычно могут работать в диапазоне входных напряжений постоянного тока, например, от 5 до 24 В. Эти более высокие напряжения могут привести к тому, что ток через светодиод оптопары превысит его требуемый максимум, в этом случае схема защиты от перегрузки по току срабатывает для поддержания подходящего уровня тока через светодиод. R2 — низкоомный резистор для измерения тока; это значение выбрано таким образом, чтобы при нормальных условиях работы Tr1 смещался чуть ниже порога отсечки, но если ток через входной светодиод оптопары увеличивается из-за чрезмерного входного напряжения, дополнительный ток через R2 заставит Tr1 проводить, отклоняя некоторая часть тока светодиода через Tr1 снижает напряжение на дне резистора R1 и ток через светодиод до безопасного уровня.

    Рис. 6.6.6 Подавление переходного напряжения

    Диод подавления переходного напряжения (TVS). ТТР, используемые в ситуациях управления, могут быть подвержены повреждениям, вызванным внезапными и кратковременными (т. Е. Переходными) скачками напряжения, которые могут быть вызваны внешними событиями, такими как импульсы противо-ЭДС при переключении индуктивных нагрузок; также удаленные грозовые разряды и другие электромагнитные или электростатические разряды представляют собой явления высокого риска для полупроводниковых устройств. Такие всплески напряжения могут быть очень короткими по продолжительности, но могут достигать сотен или тысяч вольт по амплитуде, и хотя создаваемый ими ток может быть очень мал, напряжение, вызванное такими напряжениями, может привести к полному выходу из строя полупроводниковых устройств, используемых в твердотельных реле.Одним из способов уменьшения этих опасных событий является использование диода для подавления переходных напряжений (TVS), подключенного параллельно с чувствительными устройствами, такими как оптопара, как показано на рис. 6.6.5.

    На рис. 6.6.6 показано действие TVS-диода, а также синусоидальный выходной сигнал, наложенный на характеристики TVS-диода. Двунаправленный TVS-диод работает скорее как два встречных стабилитрона, где при превышении определенного обратного напряжения происходит пробой тока, и диод сильно проводит.Поскольку TVS-диод в данном случае двунаправленный, пробой происходит как в прямом, так и в обратном режиме.

    При использовании диод TVS должен иметь напряжение пробоя выше, чем пиковое напряжение волны переменного тока, которое составляет 1,414 x V RMS , поэтому диод TVS с напряжением пробоя примерно в 1,5 раза больше, чем среднеквадратичное напряжение синусоидальной волны обычно используется. Всплеск напряжения, превышающий этот предел, заставляет диод сильно проводить, ограничивая его напряжение напряжением пробоя диода.Заметное различие между стабилитроном и TVS-диодом заключается в том, что TVS-диод имеет более прочную область перехода, чтобы справиться с внезапным сильным броском тока во время всплесков. Однако, как только всплеск прекращается, диод перестает проводить ток (за исключением небольшого обратного тока утечки) и больше не влияет на выходную волну, пока не возникнут дальнейшие всплески. Диоды TVS также доступны в однонаправленных типах, которые также могут использоваться на входной стороне оптопары в твердотельных реле, использующих вход постоянного тока, если существует высокий риск возникновения пиков.Однако, поскольку вход постоянного тока обычно питается от сглаженного источника питания постоянного тока, обычно ожидается, что это минимизирует риск, поэтому использование TVS-диодов на входных компонентах редко считается необходимым.

    Рис. 6.6.7 Цепи снаббера RC

    Цепи демпфера RC. Эти схемы обеспечивают метод снижения разрушительного воздействия скачков напряжения в сети переменного тока или очень больших и быстрых изменений напряжения, которые могут возникнуть при включении или выключении индуктивной нагрузки (коммутации).В более старых типах симисторов или тринисторов эта RC-цепочка (R5 и C1) подключается через выходной симистор или тринистор, как показано на рис. 6.6.5 и рис. 6.6.7. Его эффект заключается в замедлении быстрого увеличения или уменьшения напряжения во время всплеска. Использование демпферной схемы также может уменьшить радиопомехи, вызванные переключением симистора или тиристора. Выбрав подходящую постоянную времени для R5/C1, конденсатор не успеет зарядиться по мере роста пикового напряжения, прежде чем напряжение снова снизится и разрядит конденсатор.Таким образом снижается амплитуда любых быстрых всплесков напряжения. Типичные значения R составляют от 39 до 100 Ом для R5 и от 22 до 47 нФ для C1. Конденсатор также должен быть импульсного типа с очень высоким максимальным рабочим напряжением, намного превышающим пиковое значение выходной волны, чтобы учесть дополнительную нагрузку, вызванную любыми скачками напряжения. Однако проектирование демпферных цепей является более сложным, чем простой выбор типичных значений R и C, и должно учитывать ряд факторов, которые будут уникальными для цепи или компонента, защищаемого снаббером, и для нагрузок, которые цепь может управлять. .

    HIQUEL (High Quality Electronics) предоставляет полезные указания по применению конструкции демпфера и калькулятора компонентов.

    Генераторы

    В качестве альтернативы доступны современные симисторы, которые также могут называться «альтернисторами» или «триаками-альтернисторами», которые гораздо менее подвержены повреждениям или случайным ложным срабатываниям, вызванным быстрыми переходными напряжениями. У нескольких производителей полупроводников есть свои собственные линейки устройств, например серия «Snubberless TM » от ST Microelectronics или серия «Hi-Com TM » от WeEn Semiconductors, которые способны выдерживать скачки напряжения, а также быстрые События dV/dt, возникающие при коммутации (отключении) с индуктивными нагрузками.Внутренняя конструкция этих симисторов отличается от оригинальных типов, благодаря чему они намного лучше справляются с быстрыми изменениями высокого напряжения, которые могут произойти при отключении индуктивных нагрузок из-за разности фаз между током и напряжением в катушках индуктивности. В этом случае возможно, что при отключении симистора при переходе сетевого (линейного) тока через ноль вольт сетевое напряжение на симисторе может быть максимальным. Хотя такие события в оригинальных конструкциях симисторов могли вызвать проблемы с неконтролируемым повторным срабатыванием, в современных конструкциях это значительно уменьшилось.

    Рис. 6.6.8 Действие SSR при пересечении нуля

    Пересечение нулевого напряжения. Некоторые твердотельные реле включают схемы «пересечения нуля» или «синхронного переключения», которые уменьшают возможность введения быстро меняющихся «пиков» в сеть (линию) питания, гарантируя, что их выход будет включаться только тогда, когда цикл сетевого напряжения проходит через ноль вольт. . Как показано на рис. 6.6.8, если управляющее напряжение запрашивает включение в тот момент цикла напряжения, когда напряжение переменного тока не достигает 0 В, действие переключения откладывается до тех пор, пока напряжение не пересечет 0 В в конце текущего полугодия. цикл.Однако схема пересечения нулевого напряжения не играет никакой роли в отключении выхода; это контролируется действием симистора или тиристора, который после включения отключается только тогда, когда выходной ток нагрузки падает ниже указанного тока удержания симистора или тиристора, что он будет делать, когда форма волны тока проходит через ноль.

    Приведенное выше описание функций безопасности предназначено для ознакомления пользователей SSR с некоторыми необходимыми ограничениями безопасности при выборе правильного SSR для любой конкретной операции.Однако этот список не предлагается в качестве исчерпывающего руководства, важность или неважность любого из этих факторов будет во многом зависеть от предполагаемого использования SSR. Поэтому рекомендуется, особенно при рассмотрении безопасной эксплуатации цепей, получить консультацию, относящуюся к предполагаемому проекту, многие производители или национальные и международные агентства по безопасности могут легко дать квалифицированный совет о пригодности твердотельных реле для конкретных целей. Вам также предлагается продолжить изучение, следуя некоторым из рекомендуемых ссылок в нижней части этой страницы.

    Твердотельное и механическое переключение по сравнению с

    Твердотельные реле

    (SSR) имеют ряд преимуществ по сравнению с электромеханическими реле, некоторые из которых являются очевидными преимуществами, а некоторые могут быть оспорены сторонниками (и производителями) электромеханических реле. Однако какой тип реле лучше для конкретного приложения, зависит больше от приложения, а не от типа реле. Поэтому это следует тщательно учитывать при чтении следующих списков.

    Преимущества твердотельных реле по сравнению с электромеханическими реле.

    1. Поскольку твердотельные реле не имеют индуктивных катушек или подвижных контактов, они не создают электромагнитных помех.
    2. Твердотельные реле
    3. не вызывают потенциально опасного искрения.
    4. Твердотельные реле
    5. работают бесшумно.
    6. Твердотельные реле
    7. не подвержены механическому износу, поэтому потенциально могут выполнять гораздо больше операций переключения, чем электромеханические реле (однако любой тип может быть разработан для выполнения большего количества операций, чем требуется в течение срока службы оборудования, в котором они используются).
    8. Твердотельные реле
    9. не страдают от дребезга контактов.
    10. Твердотельные реле
    11. имеют более быстрое время переключения, чем электромеханические реле.
    12. Для коммутации переменного тока доступны твердотельные реле с переходом через нуль, которые включаются только в момент или близко к тому моменту, когда форма волны переменного тока проходит через нулевое напряжение, что снижает вероятность возникновения всплесков напряжения, возникающих, если цепь включается при напряжении переменного тока. по максимуму.
    13. Твердотельные реле
    14. могут быть физически меньше электромеханических реле сопоставимых типов.

    Недостатки твердотельных реле по сравнению с электромеханическими реле.

    1. Когда твердотельные реле включены, между выходными клеммами возникает измеряемое сопротивление, поэтому твердотельные реле выделяют некоторое количество тепла, а также падение напряжения во включенном состоянии.
    2. Когда твердотельные реле находятся в выключенном состоянии, на выходе все еще протекает небольшой обратный ток утечки. Таким образом, в отличие от электромеханических реле, твердотельные реле не являются полностью «включенными» или «выключенными». Поэтому они могут быть запрещены к использованию в соответствии с некоторыми правилами техники безопасности.
    3. Поскольку SSR могут включаться очень быстро (в миллисекундах), случайные выбросы помех в их входных цепях или внезапные быстрые изменения напряжения на их выходах могут вызвать нежелательное переключение некоторых SCR или симисторов.
    4. Отказ твердотельного реле обычно вызывает короткое замыкание (включение), тогда как отказ электромеханического реле обычно вызывает размыкание цепи (отключение). Из-за этого использование твердотельных реле может вызвать некоторые опасения в критических с точки зрения безопасности системах.

    Дополнительная информация

    Твердотельные реле против электромеханических реле — Замечания по применению Твердотельные реле Patronize USA

    Как правильно выбрать реле — National Instruments

    Технические советы по реле-Crydom Inc.

     

    Управление переключателем переменного тока с опто-триаком

    Переключатели переменного тока

    представляют собой полупроводниковые устройства, управляющие нагрузками переменного тока, напрямую подключенными к сети переменного тока. Это означает, что управляющий эталонный вывод выключателя переменного тока может быть подключен к линейному потенциалу. Эта схема объясняет необходимость изоляционного слоя для блока управления и способ его реализации для переключателя переменного тока.

    Раньше считалось, что следует избегать подключения MCU к линии, так как это приведет к плохой устойчивости устройства.Но с годами было продемонстрировано, что такая топология обеспечивает хороший иммунитет. Подключение источника питания микроконтроллера к стабильному неплавающему опорному источнику еще лучше для обеспечения помехоустойчивости.

    Между доступными частями и высоковольтными цепями должна быть предусмотрена защитная изоляция для защиты конечных пользователей от поражения электрическим током. Не требуется обеспечивать безопасную изоляцию путем изоляции низковольтных цепей управления (таких как MCU) от высоковольтных частей (таких как переключатели переменного тока). На самом деле изоляция может быть реализована в другом месте, например, на клавиатуре, к которой имеет доступ конечный пользователь, оставив MCU подключенным к линии.Это может быть рентабельно, поскольку тогда будет достаточно неизолированного источника питания и неизолированных драйверов.

    Рис. 1: Цепь управления переключателем переменного тока с опто-симистором

    Рабочая изоляция требуется, когда эталон цепи управления не совпадает с эталоном переключателя переменного тока. Это относится к новым приборам, использующим инвертор для управления трехфазным двигателем, где MCU подключен к шине постоянного тока, а переключатель переменного тока относится к линии. Сдвиг уровня используется для обеспечения связи между MCU и переключателем питания.Обычный способ реализовать это — использовать опто-симистор, но такое устройство не будет работать должным образом для всех переключателей переменного тока.

    Среди доступных сегодня выключателей переменного тока используются различные технологии и конструкции. Основными известными семействами являются стандартные симисторы, симисторы без снаббера и устройства ACS.

    Для включения симистора или устройства СКУД необходимо подать ток затвора между затвором (G) и клеммой A1 для симистора или между затвором и клеммой COM для устройства СКУД.

    Рис. 2. Конфигурация выводов ACS108

    Для симистора ток затвора может быть положительным или отрицательным, но кремниевая структура устройства ACS отличается от симистора.Здесь затвор является эмиттером биполярного транзистора npn. Таким образом, имеется только один p-n переход. В этом случае ток затвора может только отводиться от затвора, а не поступать к нему.

    Поскольку устройства ACS могут запускаться только отрицательным током, опто-симистор будет управлять устройством ACS только при отрицательном напряжении в сети. Это приведет к полупериодной проводимости, что неудобно для большинства приложений. Однако есть новые приложения, в которых требуется такая операция, например, насосы, используемые в кофемашинах с внутренним диодом, и электромагниты, используемые для функции дверного замка в стиральных машинах.

    Как показано на рис. 1, схема построена на основе ACS108 (Triac 1), опто-симисторной ИС MOC3020 (IC1) и нескольких дискретных компонентов. Работа схемы проста. При нажатии переключателя S1 включается нагрузка. Когда вы отпускаете переключатель S1, нагрузка отключается.

    После нажатия переключателя опто-симистор (IC1) заряжает конденсатор C1 до напряжения VGT (около 0,7 вольт). Переход COM-G смещается в прямом направлении, запуская устройство ACS отрицательным током затвора. Устройство ACS останется «включенным» до следующей точки пересечения нулевого тока.Напряжение G-COM упало до –0,7В из-за проводимости устройства СКУД, а конденсатор остался заряженным. По мере того, как ток через устройство ACS увеличивается, VG-COM увеличивается, и поэтому на C1 подается отрицательный ток, который запускает переключатель переменного тока для следующего цикла.

    В этом решении устройство ACS «выключается» в начале каждого временного цикла, необходимого для перезарядки конденсатора C1. Устройство СКУД включается, когда напряжение на его клеммах становится равным примерно 10В. Такое поведение не приводит к высокому кондуктивному шуму, поскольку линейный ток по-прежнему приблизительно синусоидальный из-за тока заряда, протекающего через конденсатор C1 в точке пересечения нулевого напряжения.

    Соберите схему на печатной плате общего назначения и поместите в подходящий шкаф. Конфигурация контактов ACS108 показана на рис. 2. Закрепите переключатель S1 на передней панели и две клеммы для нагрузки на задней стороне шкафа.


    Для ознакомления с другими интересными проектами в области электроники:
    нажмите здесь
    Эта статья была впервые опубликована 1 октября 2012 г. и недавно была обновлена.
    Описание простых схем запуска симистора

    Симисторы представляют собой полупроводниковые двунаправленные тиристоры, которые могут переключать оба полупериода переменного тока в системе питания переменного тока на 120 или 240 вольт. Триак может быть активирован (включен и зафиксирован) с линией переменного тока как синхронно, так и асинхронно. Однако, если ток на клеммах затвора симистора упадет чуть ниже его самого низкого порога удержания, он будет мгновенно отключен по завершении каждого полупериода переменного тока (180 электрических градусов).

    Синхронное и асинхронное переключение

    При асинхронном переключении симистор срабатывает случайным образом в любой точке фазового цикла.Из-за этого асинхронное переключение симисторов может создавать значительные радиочастотные помехи (РЧП), особенно на первом цикле переключения.

    При синхронном симисторном переключении периоды переключения постоянно наступают в один и тот же момент для каждого полупериода переменного тока (обычно сразу после периода перехода через нуль) и, следовательно, создают незначительные ВЧ-помехи.

    Все схемы, представленные в этой статье, используют асинхронную коммутацию мощности. На рисунках 1–8 изображен ряд асинхронных симисторных схем коммутации мощности для элементарного включения/выключения сети переменного тока.

    Как подключить симистор

    Триак имеет 3 контакта: MT1, MT2 и Gate. MT означает основной терминал. Таким образом, основные клеммы MT1 и MT2 используются для коммутации мощных нагрузок, работающих от сети переменного тока, через сеть 220 В или 120 В переменного тока. Это переключение происходит в ответ на небольшое постоянное напряжение, подаваемое на клемму затвора симистора.

    Новые любители часто путаются и задают вопрос, как настроить терминалы МТ1 и МТ2 с нагрузкой переменного тока и через постоянный ток на входе?

    Помните, что правильный метод подключения клемм симистора MT1 и MT2 заключается в том, чтобы нагрузка переменного тока всегда подключалась последовательно с клеммой MT2, а MT1 подключалась напрямую к другой линии переменного тока сети питания.

    Также очень важно отметить, что линия переменного тока, связанная с клеммой MT1, должна быть также связана с отрицательной линией или линией заземления источника постоянного тока, который используется для срабатывания симисторного затвора. В противном случае симистор не будет реагировать на сигналы затвора.

    Переключение симистора

    Обычный переключатель питания переменного тока с использованием симистора показан на рис. 1. Эту симисторную схему можно использовать для управления потоком питания переменного тока к лампам, нагревателям, двигателям и множеству других приборов и устройств.Однако симистор для этой схемы должен иметь соответствующую мощность, чтобы надежно переключать питание переменного тока для конкретного приложения.

    Все компоненты в схемах этой статьи были выбраны для переключения только 120 вольт, 50/60 Гц переменного тока. Пока переключатель S1 разомкнут, симистор выключен и функционирует как разомкнутый переключатель. Однако, когда переключатель S1 замкнут, он работает как замкнутый переключатель, который питается от сети переменного тока через нагрузку и R1 в начале каждого полупериода переменного тока.

    Когда симистор включен, напряжение на его основных клеммах уменьшается всего до нескольких сотен милливольт, поэтому R1 и S1 потребляют относительно незначительный ток. Помните, что как только S1 изначально замкнут, порог включения симистора не синхронизируется с линией переменного тока, но синхронизируется с последующими полупериодами переменного тока.

    Демпферная цепь, образованная резистором R1 и конденсатором C1, уменьшает скачки напряжения, возникающие при переключении индуктивных нагрузок и при несовпадении фаз тока и напряжения.Большинство симисторных схем, обсуждаемых в этой статье, имеют снабберные соединения. Симистор работает как выключатель питания, который может приводиться в действие источником постоянного тока, полученным от источника переменного тока, как показано на рисунке 2 ниже.

    Каждый полупериод положительной линии заряжает конденсатор C1 до +10 В через резистор R1 и стабилитрон D1. Когда S1 включен, заряд от C1 инициирует симистор. Здесь резистор R1 всегда подвергается воздействию примерно всего сетевого напряжения переменного тока.

    В результате требуется значительная номинальная мощность (5 Вт в нашем случае).Из-за того, что все части этой цепи являются «активными», это может создать опасность поражения электрическим током со смертельным исходом. Кроме того, поскольку в ней отсутствует изолятор или дополнительный механизм, эту схему невозможно интегрировать с внешней схемой управления.

    Управление изолированным симистором с помощью оптронов

    На следующем рисунке 3 показано, как изменить схему на рисунке 2, чтобы упростить подключение к внешним схемам управления. Биполярный переходной транзистор Q1 используется вместо ключа S1 ​​и управляется выходным каскадом оптопары (или оптоизолятора) IC1.

    В этой системе инфракрасный светоизлучающий диод (IRED) оптически связан с фототранзистором. Любой из доступных на рынке оптоизоляторов с транзисторным выходом может быть реализован в этих приложениях.

    Оптроны, такие как TIL111, TIL 112, 4N27 и 4N28, входят в число нескольких. Используя резистор R1, можно использовать источник постоянного тока напряжением 5 В или выше для питания оптопары. Только после того, как переключатель S1 подключит питание входной цепи к источнику питания 5 В или выше, симистор включается.

    Типичные значения изоляции (Viso) для оптронов составляют 5000 вольт переменного тока, а некоторые имеют номинальные значения до 7500 вольт переменного тока. Это означает, что входная цепь постоянного тока полностью изолирована от выходной боковой цепи симистора, питаемой от линии переменного тока.

    Заменив S1 соответствующим электронным детектором, эту основную схему переключения симистора можно изменить, чтобы обеспечить любой желаемый тип автоматического «удаленного» переключения симистора.

    На рис. 4 ниже показана модификация схемы, показанной на рис. 3.

    Используя конденсатор C1 и последовательный резистор R1, а также спаренные стабилитроны D5 и D6, симистор приводится в действие переменным током на каждом полупериоде линии в этой конструкции. Величина тока затвора симистора определяется импедансом линии переменного тока C1, в то время как рассеиваемая мощность конденсатора C1 почти равна нулю.

    Последовательное соединение стабилитронов D5, D6 и R3, нагруженных транзистором Q1, соединено с мостовым выпрямителем, построенным с использованием диодов D1, D2, D3 и D4.Мост практически открыт, когда транзистор Q1 закрыт, а симистор TR1 включается после начала каждого полупериода переменного тока.

    Как только транзистор Q1 включается, между D5, D6 и R3 возникает состояние, близкое к короткому замыканию, которое отключает ток затвора симистора, в конечном итоге отключая симистор TR1. Оптопара от изолированного внешнего входного каскада управляет транзистором Q1, поэтому симистор обычно включен, но отключается, как только переключатель S1 замыкается.

    Использование постоянного тока для запуска симистора

    На рисунках 5 и 6, приведенных ниже, показано, как использовать источник питания постоянного тока от трансформатора и транзисторный переключатель для активации переключателя питания переменного тока симистора. Когда S1 закрыт, и транзистор, и симистор включены, а как только S1 открыт, оба устройства выключаются. На рисунке 5 переключатель S1 можно заменить сенсорным устройством, которое может обнаруживать физические изменения и реагировать на них.

    Транзистор Q1 может быть транзистором BC557, не показанным на схеме.

    Например, если температура окружающей среды падает ниже заданного уровня, можно включить термистор для активации цепи симистора. Точно так же можно установить фотопроводящую ячейку для определения уровня освещенности, датчик давления может обнаруживать изменения давления воздуха или жидкости, а расходомер может реагировать на изменения расхода жидкости или воздуха.

    Обратите внимание, что цепь, показанная на рис. 5, находится под напряжением и представляет опасность для жизни.

    На рис. 6 ниже показано, как адаптировать рис.5, чтобы использовать оптопару для управления. Эта цепь может быть активирована через полностью независимую и изолированную внешнюю цепь благодаря наличию оптопары.

    Запуск с помощью однопереходного транзистора

    На рисунках 7 и 8, показанных ниже, показано множество различных способов запуска симистора через полностью изолированную внешнюю цепь.

    Однопереходный транзистор (UJT), помещенный в генерирующий импульс релаксационный генератор, обеспечивает запуск в обеих этих схемах.Схема генератора, которая содержит UJT Q2, обеспечивает импульсы запуска в этих двух схемах. Он работает с частотой многие кГц и подает свои выходные импульсы на затвор симистора через импульсный трансформатор Т1, что обеспечивает заданную развязку.

    Во время периодов включения генератора симистор включается немедленно в начале каждого полупериода переменного тока из-за относительно высокой рабочей частоты устройства UJT. С резистором R3, подключенным между эмиттером и базой B2 UJT Q2, и конденсатором C1, подключенным между эмиттером и базой B1, UJT Q2 теперь работает как генератор релаксации.В этой конфигурации UJT может быстро переключаться на зарядку/разрядку конденсатора на высоких скоростях, как только напряжение на конденсаторе достигает определенного порога.

    Время, затрачиваемое конденсатором на разрядку, можно оценить, используя расчет частоты пилообразной формы, которая составляет около 1/раз. Поскольку Q1 включен последовательно с первичным времязадающим резистором UJT R3 в схеме на рис. 7, UJT и симистор включаются только тогда, когда S1 замкнут.

    С другой стороны, на Рисунке 8 выше, поскольку Q1 подключен параллельно первичному времязадающему конденсатору UJT C1 на Рис.8, UJT и симистор включаются только при разомкнутом контакте S1. S1 может быть заменен датчиком или преобразователем в каждой из этих цепей для обеспечения автоматической операции переключения питания, как упоминалось ранее.

    Q1 на приведенном выше рисунке должен быть транзистором NPN, например BC547.

    Твердотельные реле переменного тока с симисторами


    Самое простое твердотельное реле.

    Наиболее простое твердотельное реле (ТТР) показано выше и представляет собой источник света и симистор со светочувствительным затвором.Для получения дополнительной информации о том, как работают симисторы и SCR, см. Основные проекты и схемы симисторов и SCR. Твердотельное реле (ТТР) состоит из четырех основных частей:

    1. Оптоизолятор или оптопара для изоляции управления постоянным током низкого напряжения, часто от микрокомпьютера, от переменного тока высокого напряжения. Входной оптопара часто представляет собой светоизлучающие диоды, а выход часто представляет собой фототранзистор или фотодиака для включения симистора.
    2. Твердотельное реле часто имеет внутреннюю схему детектора пересечения нуля, которая включает симистор, когда синусоидальная волна немного превышает ноль или достигает 180 градусов.Это помогает предотвратить повреждение нагрузки и ненужные скачки напряжения.
    3. Триак, действующий как переключатель переменного тока. Если твердотельное реле предназначено для постоянного тока, выход представляет собой силовой транзистор.
    4. Цепь(и) демпфера для предотвращения ложного срабатывания симистора из-за шумовых пиков, создаваемых магнитными нагрузками.

    Более практичный SSR.

    См. также Использование оптронов. Важное замечание: выход не имеет электрического соединения со входом и может обеспечивать изоляцию до нескольких тысяч вольт.Также см. Дополнительные примеры схем.


    Оптоизоляторы с диаком

    Оптоизолятор — это полупроводниковое устройство, предназначенное для обеспечения гальванической развязки между входом и выходом. Вход состоит из светодиода (LED) в корпусе с шестью или восемью выводами (IC) в зависимости от типа. Выход может быть фототранзистором, фотодиаком и т. д. Электрический контакт между входом и выходом отсутствует. Когда светодиод включен, симистор, транзистор и т. д. будут проводить свет, излучаемый диодом, таким образом, симистор включается как переключатель.Серия MOC3011 предназначена для подключения к симисторам, типы MOC301x на 110 вольт и типы MOC302x на 240 вольт. Посмотреть схему.


    (вверху) MOC3042 Другие оптопары имеют встроенный детектор пересечения нуля.

    Амортизаторы

    Цепь снаббера (обычно типа RCA) часто используется между Mt1 и Mt2. Снабберные цепи используются для предотвращения преждевременного срабатывания, вызванного, например, скачками напряжения в сети переменного тока или индуктивными нагрузками, такими как двигатели.Кроме того, между затвором и Mt1 можно подключить резистор или конденсатор затвора (или оба параллельно) для предотвращения ложных срабатываний. Это может увеличить требуемый ток запуска и, возможно, задержку выключения при разряде конденсатора.

    В этой схеме выше «горячая» сторона линии коммутируется, а нагрузка подключается к холодной или заземляющей стороне. Резистор 39 Ом и конденсатор 0,01 мкФ предназначены для демпфирования симистора, а резистор 470 Ом и конденсатор 0,05 мкФ — для демпфирования ответвителя.Эти компоненты могут быть или не быть необходимыми в зависимости от конкретной и используемой нагрузки.

    Для получения дополнительной информации об оптроне выше см. оптоизолятор серии moc30xx и MOC3042 со схемами перехода через ноль. (оба файла pdf)

     

    Управление симистором CN-6 с использованием семейства микроконтроллеров COP400

    %PDF-1.4 % 1 0 объект >поток application/pdfCN-6 Управление симистором с использованием семейства микроконтроллеров COP400

  • Замечания по применению
  • Texas Instruments, Incorporated [SNOA630,0]
  • iText 2.1.7 от 1T3XTSNOA6302011-12-07T22:41:54.000Z2011-12-07T22:41:54.000Z конечный поток эндообъект 2 0 obj>/ProcSet[/PDF/Text/ImageB/ImageC/ImageI]/Font>>>/MediaBox[0 0 540 720]/Contents[7 0 R 8 0 R 9 0 R 10 0 R]/Type/ Страница/Родитель 11 0 R>> эндообъект 3 0 объект >поток

    7.6: TRIAC — Workforce LibreTexts

    SCR — это однонаправленные (односторонние) токовые устройства, что делает их полезными только для управления постоянным током. Если два тиристора соединить встречно-параллельно так же, как два диода Шокли были соединены вместе, чтобы сформировать DIAC, мы получим новое устройство, известное как TRIAC : (рисунок ниже)

    Эквивалент TRIAC SCR и условное обозначение TRIAC

    Поскольку отдельные тиристоры более гибки для использования в передовых системах управления, их чаще можно увидеть в таких схемах, как приводы двигателей; Симисторы обычно используются в простых устройствах с низким энергопотреблением, таких как бытовые диммеры.Простая схема диммера лампы показана на рисунке ниже вместе с фазосдвигающей цепью резистор-конденсатор, необходимой для афтерпикового срабатывания.

    Симистор фазорегулирующий по мощности

    Симисторы

    печально известны тем, что не запускают симметрично . Это означает, что они обычно не срабатывают при одном и том же уровне напряжения затвора для одной полярности, как и для другой. Вообще говоря, это нежелательно, потому что несимметричное срабатывание приводит к форме волны тока с большим разнообразием частот гармоник.Формы сигналов, которые симметричны выше и ниже их средних осевых линий, состоят только из гармоник с нечетными номерами. С другой стороны, несимметричные сигналы содержат гармоники с четными номерами (которые также могут сопровождаться или не сопровождаться гармониками с нечетными номерами).

    В интересах снижения общего содержания гармоник в энергосистемах чем меньше и менее разнообразны гармоники, тем лучше — еще одна причина, по которой отдельные тиристоры предпочтительнее симисторов для сложных, мощных цепей управления.Один из способов сделать форму волны тока симистора более симметричной — использовать внешнее по отношению к симистору устройство для синхронизации запускающего импульса. DIAC, включенный последовательно с затвором, прекрасно справляется с этой задачей: (рисунок ниже)

    DIAC улучшает симметрию управления

    Напряжения отключения DIAC, как правило, гораздо более симметричны (одинаковые как для одной, так и для другой полярности), чем пороговые значения напряжения срабатывания TRIAC. Поскольку DIAC предотвращает любой ток затвора до тех пор, пока напряжение срабатывания не достигнет определенного повторяемого уровня в любом направлении, точка срабатывания TRIAC от одного полупериода к следующему имеет тенденцию быть более постоянной, а форма волны более симметричной сверху и снизу. его осевой линии.

    Практически все характеристики и номинальные характеристики тиристоров в равной степени применимы к симисторам, за исключением того, что симисторы, конечно, являются двунаправленными (могут работать с током в обоих направлениях). Об этом устройстве нужно сказать немногое, за исключением важного предостережения, касающегося обозначения его клемм.

    Судя по показанной ранее эквивалентной электрической схеме, можно подумать, что основные клеммы 1 и 2 взаимозаменяемы. Это не так! Хотя полезно представить себе симистор состоящим из двух соединенных вместе тиристоров, на самом деле он состоит из одного куска полупроводникового материала, соответствующим образом легированного и слоистого.Фактические рабочие характеристики могут незначительно отличаться от характеристик аналогичной модели.

    Это становится наиболее очевидным при сравнении двух простых схем, одна из которых работает, а другая нет. Следующие две схемы представляют собой вариант схемы регулятора яркости лампы, показанной ранее, фазосдвигающий конденсатор и DIAC удалены для простоты. Хотя получившейся схеме не хватает возможности точного управления более сложной версией (с конденсатором и DIAC), она выполняет функции : (рисунок ниже)

    Эта схема с выходом на MT 2 работает.

    Предположим, нам нужно поменять местами два основных вывода TRIAC. Согласно эквивалентной принципиальной схеме, показанной ранее в этом разделе, замена не должна иметь значения. Схема должна работать: (Рисунок ниже)

    При переключении ворот на MT 1 эта схема не работает.

    Однако если эту схему построить, то обнаружится, что она не работает! Нагрузка не будет получать питание, симистор вообще отказывается срабатывать, независимо от того, насколько низкое или высокое значение сопротивления установлено на управляющем резисторе.Ключом к успешному запуску симистора является обеспечение того, чтобы затвор получал ток запуска от основной клеммы 2 стороны цепи (основная клемма на противоположной стороне символа симистора от клеммы затвора). Идентификация клемм MT 1 и MT 2 должна выполняться по номеру детали TRIAC со ссылкой на техпаспорт или книгу.

    Обзор

    • A TRIAC действует подобно двум тиристорам, соединенным встречно-параллельно для двунаправленной работы (AC).
    • Элементы управления TRIAC
    • чаще встречаются в простых схемах малой мощности, чем в сложных схемах большой мощности. В больших цепях управления мощностью предпочтительнее использовать несколько тиристоров.
    • При использовании для управления подачей переменного тока на нагрузку симисторы часто сопровождаются DIAC, соединенными последовательно с клеммами затвора. DIAC помогает TRIAC работать более симметрично (более последовательно от одной полярности к другой).

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.