Схема оптронно симисторного ключа – Делаем «слегка умное» реле для управления нагрузкой 220 Вольт на основе ATTiny85 (ATTiny13) и симистора (BTA16)

Содержание

Использование оптотиристоров MOC30xx — 12 Февраля 2016

    Оптосимистор принадлежат к классу оптронов и обеспечивают очень хорошую гальваническую развязку (порядка 7500 В) между управляющей цепью и нагрузкой. Эти радиоэлементы состоят из Арсенид-гелиевого инфракрасного светодиода, соединенного посредством оптического канала м двунаправленным кремневым переключателем. Последний может дополнен отпирающей схемой, срабатывающей при переходе через нуль питающего напряжения и размещенной на том же кремниевом кристалле.

Эти радиоэлементы особенно незаменимы при управлении более мощными симисторами, например при реализации реле высокого напряжения или большей мощности. Подобные оптопары были задуманы для осуществления связи между логическими элементами с малым уровнем напряжения (например, вентиль TTL) и нагрузкой, питаемой сетевым напряжением (110 или 220 вольт).

Оптосимистор может размещаться в малогабаритном DIP-корпусе с шестью выводами.

Внутренняя структура оптосимисторов. Существует два типа оптосимистор с детектором нуля и без детектора. Оптосимистор с детектором нуля может быть использован в качестве реле для высокого напряжения. При использовании простого оптосимистора можно реализовать диммер для управления освещением.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

     Ниже приведена таблица, все выбранные оптроны отличаются минимальным гарантированием током управления и максимальным рабочим напряжением.

Ift Тип Тип Тип Тип Тип Тип
20 MOC3010 MOC3021 MOC3031 MOC3041 MOC3061 MOC3081
10 MOC3011 MOC3012 MOC3032 MOC3042 MOC3062 MOC3082
05 MOC3012 MOC3013 MOC3033 MOC3043 MOC3063 MOC3083
Напряжение питания 110/120 В 220/240 В 110/120 В 220/240 В 220/240 В 220/240 В
Обнаружение нуля НЕТ НЕТ ДА ДА ДА ДА
Vdrm 250 В 400 В 250 В 400 В 600 В 800 В

     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 (I

H), 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).

Типовая схема подключения:

Даташит MOC301x и MOC304x

 

 

 

 

 

 

 

Сопротивление Rd
     Расчет сопротивления этого резистора зависит от минимального прямого тока инфракрасного светодиода, гарантирующего отпирание симистора. Следовательно, R

d = (+V — 1,5) / IF.
Например, для схемы транзисторного управления оптосимистором c напряжением питания +5 В 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 тече­ние 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.

Для того чтобы переключение симистора происходило быстро, должно быть выполнено следующее условие: dV / dt = 311 / R

a х Ca.
Для МОС3020 максимальное значение dV / dt — 10 В/мкс.
Таким образом: Сa = 311 / (470 х 107) = 66 нФ.
Выбираем: Сa =  68 нФ.

 

Расчет сопротивления R.

Это сопротивление если работа идет на чисто активную нагрузку можно даже не ставить, но это только для лабораторных условий. Поэтому для надежной работы объясню как его рассчитать и его назначение.
Управляющий электрод оптосимистора может выдержать определенный максимальный ток. Превышение этого тока вызовет повреждение оптрона. Нам необходимо рассчитать сопротивление, чтобы при максимальном рабочем напряжении сети (например, 220 В) ток не превышал максимально допустимый.

Для выше указанных оптопар максимальной допустимый ток 1 А.

Минимальное сопротивление резистора R:

Rmin=220 В * 1,44 / 1 А = 311 Ом.

С другой стороны слишком большое сопротивление может привести к нарушению работы схемы (будет перебои с включением силового симистора).

Поэтому принимаем сопротивление из стандартного ряда R=330 или 390 Ом.

Расчет сопротивления Rg.

Резистор Rg необходим, только в случаи высокочуствительного управляющего электрода симистора. И обычно может составлять от 100 Ом до 5 кОм. Я рекомендую ставить 1 кОм.

 

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 R

a — Сa обязательна.

О простых коммутаторах на симисторах и оптронах CAVR.ru

Рассказать в:
О простых коммутаторах на симисторах и оптронах
a.t.Зызюк г. Луцк РА22010
Простые схемы коммутации на тиристорах или симисторах очень популярны. Эти конструкции всегда найдут свое место в бытовой технике. Не меньший интерес представляют собой и более новые конструкции коммутаторов, где применены схемы на современных оптронах. Гальваническая развязка и коммутация сетевого напряжения при его переходе через «ноль» весьма привлекает многих радиолюбителей.
Ряду технических вопросов, касающихся применения таких коммутаторов, посвящена данная статья.
Все чаще стали появляться различные конструкции, где вместо контактов электромеханических реле использованы симисторы. В таких ситуациях стали применять симисторный коммутатор как один из самых простых в реализации и требующих минимальное количество устанавливаемых комплектующих.
Затем, в отношении популярности использования, за ними следуют тиристорные коммутаторы, где два тиристора включены встречно-паралельно, что и позволяет осуществлять коммутацию (режим включения-выключения) нагрузки в цепи переменного тока.
Необходимо отметить, что у подобных схем, собранных как на симисторах, так и на тринисторах могут присутствовать свои, достаточно специфические и ощутимо серьезные недостатки, чтобы о них можно было позабыть. В ряде случаев эти недостатки могут ограничивать применение симисторов и тиристоров в качестве коммутаторов переменного напряжения. В некоторых ситуациях, как будет показано ниже, от использования этих замечательных полупроводниковых приборов доводилось и вовсе отказываться.
Мощные симисторы стали весьма популярны благодаря схемной простоте включения и управления процессами коммутации. Время, когда наиболее широко доступными в приобретении были лишь некоторые отечественные симисторы и тиристоры (такие, как, например, КУ202 или КУ208), кануло в лету. И теперь на наших рынках без осложнений возможно приобретение 25…40-амперных (и даже более мощных зарубежных) симисторов и тринисторов самых различных типов. Отрадно и то, что нередко за одни и те же деньги можно купить симистор на ток в два раза больше. На первый взгляд, все выглядит прекрасно и перспективно.
За последние годы мощные зарубежные симисторы стали очень интенсивно популяризовываться, особенно с появлением на наших рынках
специальных микросхем (детекторов «нуля»), с оптронной гальванической развязкой между цепями управления (входными цепями) и силовыми (в цепи управляющего электрода тринистора). Речь идет о зарубежных оптронах серии МОСхххх, например, таких, как МОС3061 (рассчитанных на напряжение до 600 В) или МОС3041 (до 400 В). Они позволяют реализовывать включение и выключение симистора при переходе сетевого напряжения через «нуль» (вблизи этого значения). Данное обстоятельство позволяет минимизировать уровень помех при коммутации, а в ряде случаев, при необходимости, осуществлять синхронное переключение нескольких симисторов в одной конструкции, например, при коммутации выводов автотрансформатора мощного сетевого стабилизатора напряжения.
Таким управлением мощными симисторами удается избежать наиболее трудноразрешимой задачи: исключить возможности работы одновременно включенных симисторов, когда один из симисторов еще не успел выключиться, а второй симистор уже включился. Данная ситуация, скажем так, традиционна по той одной причине, что время, требуемое для включения симистора, примерно в десять раз меньше того промежутка времени, в течение которого симистор выключается. Опасность такой ситуации заключается в замыкании части обмотки трансформатора из-за двух одновременно включенных симисторов, что приводит к дефекту последних и не исключает проблем выхода из строя даже самого трансформатора. Казалось бы, появление оригинальных оптронов с контроллерами нулевого значения сетевого напряжения смогут решить все проблемы, препятствующие широкому внедрению схем на симисторах. К примеру, в конструкциях таких нужных устройств, как сетевые мощные стабилизаторы напряжения. Они особенно необходимы на периферии, где напряжение электросети крайне нестабильное. Вот здесь мы и подошли к апогею проблемного момента с симисторными коммутаторами, которые должны допускать работу на индуктивную нагрузку.
При всем изобилии новых схем с применением в качестве коммутируемых элементов мощных симисторов, практически нигде даже не упоминается о том, какие последствия могут ожидать нас при коммутации, например, сетевой обмотки тороидального трансформатора с помощью мощного симистора. А ведь именно мощные тороидальные трансформаторы как раз интенсивно применяются в конструкциях сетевых стабилизаторов. Проблема как бы автоматически переносится и на многие другие сетевые трансформаторы. Чем мощнее сетевой трансформатор и чем меньше его ток «холостого хода» (1хх), тем ярче выражена и данная проблема.
Так что именно с тороидальным трансформатором ситуация проявляется особенно наглядно. Тороидальные магнитопроводы позволяют обеспечить наилучшее использование материала за счет наибольшей магнитной проницаемости при отсутствии подмагничивающего поля. При наличии этого поля происходит существенное снижение магнитной проницаемости. Отсюда и проблемы.
Сразу следует оговориться, что речь сейчас не идет о регуляторах мощности на симисторных схемах. В данном случае разбираемся исключительно в вопросе коммутации (т.е. анализируем ситуацию исключительно только в двух режимах работы: электросеть — вкл. / выкл).
Для быстрого подтверждения того, что вышеуказанная проблема не только существует, но она достаточно серьезная, чтобы на нее можно было закрыть глаза, все сказанное подтверждается конкретными практическими примерами.
Для демонстрации сказанного потребуется собрать простую цепь управления каким-либо популярным мощным симистором. Тип зарубежного симистора принципиального значения не имеет, поскольку, к сожалению, ситуации не изменит. Выбираем, например, распространенный, относительно недорогой в приобретении симистор ВТА140- 800 (25 А, 800 В) и оптрон (с контроллером) серии МОС3061. А еще лучше эксперимент приблизить к тем схемам с сетевыми стабилизаторами, в которых используются симисторы ВТА41-600 (40 А, 600 В). Такой симистор устанавливали на небольшом радиаторе (рис.1).


Мини-конструкцию собирали по типовой стандартной схеме (рис.2).

Ошибок в схеме нет. Как и в оригинале [1], нагрузка (обмотка трансформатора) включена в цепь катода симистора. Питание на оптрон должно быть стабилизировано, и ток необходимо ограничивать. Небольшое отступление. Эти симисторы очень надежны. Это доказывает и следующая внештатная ситуация.
По невнимательности автор в схеме рис.2 случайно перепутал выводы катода и управляющего электрода. И симистор еще долго работал в режиме вкл. / выкл. Правда, нагрузкой все это время была лампа накаливания на 200 Вт. Подозрение вызывал усиленный нагрев симистора. Так, на радиаторе появились надписи с верной цоколевкой симистора. Когда же подключили трансформатор, то произошел пробой симистора. Активное сопротивление первичной обмотки данного тора не превышало 2 Ом! Тороидальный трансформатор явно мощнее 700 Вт, но его заводское исполнение, по вторичной обмотке, не позволяет с него снимать больше.
Поскольку нагрузку повсеместно включают в цепь анода, то автор сетевого стабилизатора [1] в отзыве [2] и сам впоследствии рекомендует включать нагрузку симисторов в цепи анодов, а не катодов, как первоначально рекомендовалось им же в конструкции [1]. Отзыв так и называется: «Повышение надежности работы стабилизатора». Вся суть заключена в том, чтобы правильно включить симисторы: анодами к нагрузке. То есть так, как показано на рис.3.

К сожалению, включение первичной обмотки в цепь анода симистора ровным счетом ничего не меняет в отношении уменьшения тока ixx.
Номиналы ограничительных резисторов выбраны исходя из допустимых максимальных токов на оптроны. Ток должен быть ограничен величиной 1 А. В стандартной (общепринятой) схеме используется два ограничительных резистора в цепи оптрона. Кроме того, все максимально приближенно к статье в [1] или [2]. В отзыве [2] дана доработка] схемы коммутации [1]. Но наша схема рис.2 отличается от этих схем тем, что в ней присутствует ограничительный резистор r4, отсутствующий в схемах [1] или [2]. Аналогичный вариант [1] коммутации обмоток мощного тороидального автотрансформатора сетевого стабилизатора используется и в более новой конструкции [3]. К сожалению, и в статье [3] тоже ничего не упоминается о вполне реальных проблемах, возникающих при коммутации обмоток мощного трансформатора через симисторы. Для убеждения в вышесказанном, предлагается читателям самостоятельно испытать такой коммутатор совместно с каким-либо мощным сетевым трансформатором. Особенно демонстративными будут мощные трансформаторы, имеющие небольшую величину тока «холостого хода» (1хх). Самостоятельные эксперименты других радиолюбителей исключают вероятность ошибок автора в его экспериментах.
Не обязательно впадать в крайности, прибегая сразу к испытанию таких мощных нагрузок, как сварочные трансформаторы. В распоряжении автора находился достаточно экономичный, в плане тока «холостого хода», но мощный (700 Вт) тороидальный сетевой трансформатор. И на время экспериментов через схему симисторного коммутатора этот тор подключался к сети 220 В. Для большей объективности результатов эксперимента все опыты и измерения проводились только при стабильном сетевом напряжении. Все начинали с измерения тока «холостого хода» тороидального трансформатора, подключенного непосредственно к 220 В, без использования симисторного коммутатора.
В данном случае этот ток не превышал значения 30 мА. Отсюда и выводы об экономичности тора. Затем осуществляли замеры этого тока, но с тором, подключенным уже через коммутатор. Забегая наперед, скажем прямо, что полученные результаты весьма неприятно (и весьма неожиданно) озадачили. Ведь на данную схему (рис.2) возлагали большие надежды в перспективе. В итоге, hex тора увеличился почти в десять (!) раз.
До подключения (без симистора) трансформатор работал очень тихо, фактически бесшумно. После схемы симистора (через симистор) в магнитопроводе тора отчетливо стал проявляться тихий характерный низкочастотный звук специфического гудения. Такой звук сопровождает торы при наличии постоянной составляющей в питающей электросети. Природа проблемы следующая. Из-за значительной асимметрии симисторной структуры для протекающего через нее (обеих полуволн) переменного тока, первоначальная форма этого тока существенно искажается.
Она становится несколько асимметричной, если проводить сравнение отрицательной и положительной полуволн синусоиды электросети.
В итоге ток «холостого хода» резко (скачкообразно) увеличивается. Естественно, это явление пытались устранить. Исключение (замыканием проволочной перемычкой) ограничительного резистора r4 из схемы рис.1 мало что дает. Ток ixx уменьшается, но несущественно. Таким образом, закоротив накоротко резистор r4, схему коммутатора полностью приблизили к схеме [1]. Ток ixx, естественно, уменьшился. Однако ожидаемого положительного результата не получилось. Поскольку 10… 15% уменьшение тока ixx, очевидно, ничего не решает. Ток ixx необходимо было уменьшать на порядок, то есть приблизить его к току ixx. К сожалению, достигнуть этого в этой схеме не удалось. Тогда решено было временно уйти от зарубежных симисторов и попробовать на «симметричность» другие варианты.
Кое-что следует сказать и о некоторых элементах в данных схемах. Питание оптрона стабилизировано по причине критичности оптрона МОС3061 к перегрузкам по току. Эти оптроны не выдерживают больших токовых перегрузок и выходят из строя. Поскольку в данной схеме необходим рабочий ток оптрона более 10 мА, то ток через све-тодиод АЛ307 ограничен, чтобы ток через АЛ307 не превысил максимум последнего (10 мА). Напряжение питания оптрона выбрано из условий необходимой суммы рабочих напряжений на оптроне и светодиоде. Светодиод оптрона, подчеркиваем, имеет крутую ВАХ, поэтому с ним нужно обходиться осторожно. На практике оптимальный рабочий ток светодиода оптрона определяли следующим образом. В собранной схеме рис.3 (или рис.2) вместо нагрузки (трансформатора) Т1 включали мощную лампу 1 кВт или нагревательный элемент ТЭН. Максимальная нагрузка зависит от выбранного симистора и радиатора, на котором установлен симистор. Можно, правда, включить и маломощную лампу параллельно первичной обмотке Т1.
Но именно на мощной нагрузке вы увидите все зависимости. Насколько четко и при каком токе включается оптрон. Как от него зависит падение напряжения (нагрев) на симисторе. Плавно увеличивая напряжение блока питания (от «нуля» и до 6 В), добиваются четкого включения лампы. Затем замеряют напряжение на симисторе. Его минимизации и достигают подбором тока через светодиод оптрона, т.е. регулировкой напряжения блока питания 6 В. При включенной лампе контролируют напряжение между анодом и катодом симистора. Его минимизации, но лишь при необходимости, достигают увеличением напряжения 6 В. Но не забываем о максимальном токе через светодиод оптрона. Как правило, при 12… 15 мА через него достигалось минимальное напряжение на симисторе. И дальнейшее увеличение тока через оптрон уже совсемничего не давало в плане минимизации напряжения анод-катод симистора ВТА41 -600.
Попытки собрать удачные конструкции на тиристорах, например, тех же отечественных КУ202 (К-Н) также сопряжены с рассмотренными ситуациями.
Тем не менее, в различной литературе часто встречаются подобные системы коммутации сетевых трансформаторов без каких-либо оговорок, предупреждений или полезных советов вполне конкретного характера.
А ведь большой разброс (от экземпляра к экземпляру) параметров тиристоров типа КУ202 и является первой причиной, препятствующей успешному применению встречно-параллельного включения КУ202 в системах коммутации обмоток трансформаторов в высококачественных блоках питания (БП), усилителей мощности звуковой частоты (УМЗЧ), сетевых стабилизаторов и т.д.
Экспериментально было установлено, что и на зарубежных тиристорах системы коммутации для трансформаторов также воплощать в жизнь будет непросто по тем же причинам, что и с отечественными КУ202. Подобрать два экземпляра с близкими характеристиками сложнее, чем может показаться вначале. Очень быстро вы убедитесь в том, что симисторные структуры оказываются намного симметричнее для обеих полуволн переменного тока, нежели подбираемые тиристоры.
Безусловно, подбор из большого числа (из нескольких десятков (!) тиристоров может) позволит преуспеть в отношении симметричности, по сравнению с симистором. Однако данный процесс точно разочарует самим фактом: насколько трини-сторы далеки от идеальности, если сравнивать их для коммутации переменного тока (напряжения) с контактами реле. Контакты реле не привносят постоянной составляющей тока (специфических горизонтальных «полок») в синусоидальную форму через первичную обмотку трансформатора. Т.е. при коммутации с помощью реле не происходит подмагничивание постоянным током магнитопровода трансформатора.
Как ни печально, но в различной литературе обо всем этом практически не говорится. Лишь за редким исключением удавалось что-то «выловить», хотя бы как краткое словесное подтверждение всему вышесказанному. Но, опять же, нашли вовсе не там, где следовало бы, т.е. не в схемах, где многие активно предлагали коммутировать обмотки трансформаторов симисторами. Показательным является один найденный в литературе пример [4]. Его необходимо привести в качестве наглядного примера: «…симисторам присуща асимметрия падения напряжения, вызывающая подмагничивание магнитопровода трансформатора постоянным током. Это резко увеличивает наводки» (с. 18, [4]). Да, но у него использован не тороидальный трансформатор. И данная тема явно выходит за рамки статьи [4]. Многое понятно, судя по всему описанному о тщательном выборе сетевого трансформатора, что проблемы автору [4] известны.
Как видим, широкодоступная информация скудная, но, развивая тему самостоятельно, а главное, экспериментально, получаем и ответы на многие вопросы.
Все вышеизложенные в данной статье выводы основаны при работе со схемами рис.2 и рис.3. Фото платы рабочего макета показано на рис.4.

Заметим, что деталей на этой плате больше, чем требуется для сборки схемы рис.2.
Эхо связано с сопутствующим испытанием и других вспомогательных схем.
Весь испытательный макет приведен в заглавном фото. Впоследствии использовались и другие экспериментальные схемы, подтверждающие все, что сказано в данной статье.
Как видим, мощные ТЭН и лампы накаливания -это именно та область применения, где при коммутации сетевого напряжения мощным симисторам, пожалуй, пока нет надлежащей конкуренции.
Волей-неволей приходим к выводу, что наилучшим (по крайней мере, на теперешний момент времени) вариантом для коммутации мощной индуктивной нагрузки остается использование традиционных компонентов — контактов электромеханического реле. То есть там, где аппаратура имеет повышенную чувствительность к наводкам и симметрии сетевого напряжения, с коммутаторами на симисторах следует обходиться аккурат- но, выборочно, применительно к конкретно решаемым задачам.
Литература
1. Годин А. Стабилизатор переменного напряжения // Радио. — 2005. — №8. — С.34.
2. Годин А. Повышение надежности работы стабилизатора // Радио. — 2005. — №12. — С.48.
3. Озолин М. Усовершенствованный блок управления стабилизатора переменного напряжения // Радио. — 2006. — №7. — С.34.
4. Агеев С. Сверхлинейный УМЗЧ с глубокой ООС // Радио. — 1999. — №12. — С. 18.


Раздел: [Источники питания (прочие полезные конструкции)]
Сохрани статью в:
Оставь свой комментарий или вопрос:

Схемы и документации на сервере QRZ.RU

Коммутация сетевого напряжения с помощью симисторов

Андрей Шарый, Черниговская обл, с.Кувечичи. E-mail andr (at) chspu.edu.ua

В радиолюбительской практике довольно часто приходится сталкиваться с проблемой коммутации сетевого переменного напряжения. Ранее для включения и выключения сетевой нагрузки использовались электромагнитные реле, но как показало время — это не самый надежный способ: контакты реле очень подвержены износу, особенно при использовании в цепях переменного тока и особенно с индуктивной нагрузкой. Тем более, для включения мощных потребителей нужны крупногабаритные реле с существенным управляющим током в обмотке.

К счастью, современная элементная база позволяет обойтись только полупроводниковыми приборами, не используя электро-механических. Итак, разнообразные сетевые нагрузки очень удобно коммутировать с помощью симисторов. Эти полупроводниковые приборы позволяют под действием управляющих мощностей порядка 40-50 мВт коммутировать сетевую нагрузку до десятков киловатт (в зависимости от типа прибора). Далее рассмотрим наиболее удобные схемотехнические решения управления симисторами. Общие принципы управления симистором примерно такие же, как и для обычных тиристоров: если через управляющий электрод в катод тиристора протекает постоянный ток величиной единицы-десятки миллиампер, то как только между анодом и катодом тиристора возникнет разность потенциалов около 1.2-1.5В, он открывается и пребывает в открытом состоянии до тех пор, пока ток через него не уменьшиться практически до нуля (точнее до тока удержания).

Симистор открыть чуть сложнее, так как полярность управляющего напряжения относительно «катода» (не соединенного с корпусом вывода) должна быть такой же, как и полярность напряжения на аноде (корпусе) прибора. Следовательно, если симистор используется для коммутации переменного сетевого напряжения, то управляющее устройство должно уметь выдавать переменное управляющее напряжение, что при использовании управляющих устройств на логических ИМС довольно проблематично. Один из вариантов решения этой проблемы — использование оптрона. Ток через светодиод оптрона может быть все время одного и того же направления, а направление тока через фоторезистор будет меняться при каждом полупериоде сетевого напряжения, обеспечивая открывание симистора. Если же оптрон диодный или транзисторный, то их надо использовать два для управления одним симистором.


Рисунок 1. Управление симистором с помощью оптрона.

Не могу не упомянуть также о оптотиристорах. В одном корпусе находится тиристор и светодиод. Но, к сожалению, оптросимисторов почему-то не делают, а ведь это фактически «буржуйское» твердотельное реле — идеальный прибор для коммутации сетевого напряжения. Итак, используя оптотиристоры тоже довольно легко можно коммутировать сетевое напряжение (Рис.2)


Рисунок 2. Коммутация сетевого напряжения с использованием оптотиристоров.

Симистором можно управлять и импульсами: управляющее напряжение присутствует на управляющем электроде только 5-50 мкс, в момент начала роста сетевого напряжения после прохождения через 0. Более того, изменяя временнОе положение управляющего импульса в пределах 0-10 мс относительно начала каждого полупериода можно регулировать мощность, отдаваемую в нагрузку в пределах от 100 до 0 процентов. Импульсное управление позволяет также сделать устройство управления более экономичным, а применение при этом еще и импульсных трансформаторов позволит гальванически развязать сеть и устройство управления. Применение трансформаторов имеет еще одно преимущество: за счет бросков самоиндукции под действием однополярного импульса формируется короткий пакет быстро затухающих разнополярных, естественно, колебаний, легко открывающих любой симистор. Если конструируемое устройство не предназначено для регулирования мощности, а должно только включать/выключать сетевую нагрузку, то управляющие импульсы можно и не синхронизировать с прохождением сетевого напряжения через 0. Достаточно только подавать их на управляющий электрод симистора с достаточно высокой частотой, чтобы при самых неблагоприятных условиях напряжение на закрытом симисторе не успевало вырасти более чем до нескольких вольт до прихода управляющего импульса. При таком способе управления, как ни странно, уровень помех наводимых в сеть, значительно меньше, чем при синхронизированном управлении. Практическая схема ключа сетевого напряжения, где использован описанный выше принцип подана на рисунке 3.


Рисунок 3. Принципиальная схема симисторного выключателя с импульсным управлением.

Трансформатор T1 выполняется на ферритовом кольце 1000-2000 НМ размером К10*6*4 и содержит две одинаковые обмотки примерно по 50 витков каждая. Провод для намотки в эмалевой изоляции диаметром 0.1-0. 2 мм. Взаимная изоляция обмоток очень тщательная! Фазировка обмоток безразлична, так как благодаря диоду VD2 на вторичной обмотке наводятся разнополярные импульсы. Подбирая резистор R2 регулируют длительность управляющего импульса. Чем она меньше, тем меньше ток потребления управляющего устройства, но при очень коротком импульсе не все тиристоры успевают открываться, потому, если нужна повышенная экономичность, R2 придется подбирать на границе четкого открывания симистора. Можно добиться снижения потребляемого системой управления тока менее 10 мА, что очень удобно в случае применения источников питания с емкостным балластом.
Используя показанную на рис.3 схему управления сетевую нагрузку можно включать и с помощью пары обычных тиристоров, надо только трансформатор дополнить еще одной такой же обмоткой, а симистор заменить тиристорами, как на рисунке 4. Можно также применить один тиристор, но включить его в диагональ диодного моста соответствующей мощности.


Рисунок 4. Замена симистора.

Сейчас для радиолюбителей стали доступны многие электронные компоненты зарубежного производства. Есть среди них и симисторы, прекрасно подходящие для включения/выключения сетевых нагрузок. Наиболее доступными и распространенными на сегодня являются симисторы (triacs) производства Philips типов BT134-500 и BT136-500. Эти приборы выполнены в пластмассовых корпусах: BT134 — как у транзисторов КТ815, но без отверстия, а BT136 — как у транзисторов КТ805, с крепежным фланцем. По сведениям продавцов BT134 рассчитан на ток 6А, а BT136 — 12А, но на многих сайтах можно увидеть, что оба симистора рассчитаны на силу тока не более 4А и выдерживают напряжение 500 В в закрытом состоянии. К сожалению, автор не смог просмотреть документацию с сайта Philips, так как там все документы PDF, а просмотрщика для последних версий под ДОС нету. Отличительной особенностью названных симисторов являются не столько их малые размеры (такие же корпуса имеют отечественные ТС106-10-… в пластмассе), сколько способ управления ими: эти симисторы открываются управляющим напряжением отрицательной по отношению к «катоду» полярности при любом направлении тока через симистор. А это позволяет отказаться от применения оптронов и согласующих импульсных трансформаторов. Практическая схема выключателя вместе с конденсаторным блоком питания показана на рисунке 5.


Рисунок 5. Принципиальная схема выключателя с использованием импортных симисторов.

Ток потребления устройства управления в «выключенном» состоянии — 1.2 мА, а во «включенном» — 5 мА, что позволило применить в блоке питания совсем маленький конденсатор 0.2 мкФ 400 В. Устройство (рис.5) — это фактически основа для многих электронных устройств, ведь на трех свободных логических элементах DD1 можно собрать много интересных вещей. На рисунке 6(a) показана схема мигалки, 6(b) — фотореле, 6(с) — автомата для включения/выключения насоса при касании сенсора E1 поверхности воды, 6(d) — реле времени. Довольно несложно реализовать сенсорный выключатель (рис.7).


Рисунок 6. Конструкции на логических элементах ИМС К561ТЛ1.


Рисунок 7. Принципиальная схема сенсорного выключателя.

Правда, при построении на логических элементах генераторов, при использовании световой индикации потребляемый ток может возрасти, и тогда емкость С1 придется увеличивать. Необходимую емкость подобрать довольно просто: во всех рабочих режимах устройства измеряют ток через стабилитрон, он должен быть не менее 1-2 мА и не более 30 мА. Наиболее часто емкость С1 используется 0.47 или 0.68 мкФ*400В. Мощность нагрузки, коммутируемой устройствами, рассмотренными в этой статье, зависит только от типа симистора (тиристоров) и толщины проводов 🙂 см. таблицу 1.

Таблица 1. Допустимая мощность нагрузки для разных типов симисторов и тиристоров.

В таблице также даны ориентировочные размеры теплоотводов. Вообще, учитывая падение напряжения на открытом симисторе, которое равно примерно 1 В, можно полагать, что мощность, рассеиваемая на симисторе численно равна току, проходящему через него. Для рассеивания такой мощности нужен теплоотвод такой же площади, как квадратная пластина, со стороной, численно равной в сантиметрах рассеиваемой мощности. В статье не приводятся данные и схемы касающиеся использования симисторов КУ208Г. Это не случайно, так как эти симисторы показали себя с наихудшей стороны и надежно не работали ни в одном устройстве. Многие образцы КУ208Г разных лет выпусков имели недопустимо большой ток в закрытом состоянии, и после длительного пребывания под напряжением именно в закрытом состоянии сильно разогревались и после наступал пробой. Может их как-то по особому включать надо? Считаю своим долгом также напомнить радиолюбителям о электробезопасности, так как многие из приведенных схем имеют гальваническую связь с сетью! Не испытывайте судьбу и отключайте от сети устройства, прежде чем лезть в них с паяльником.

Литература.
  1. Замятин В. Тиристоры // В помощь радиолюбителю: Сборник. Вып. 110 с. 49
  2. http://www.semiconductors.philips.com/acrobat/datasheets/BT134_SERIES_1.pdf

Большая просьба: о результатах повторения сообщать о результатах повторения автору andr (at) chspu.edu.ua

Очередная умная розетка для очередного умного дома / Habr

Много лет мечтал о создании умного дома, но каждый раз останавливала проблема связи модулей (розеток, датчиков и выключателей) с центром и между собой. Но прогресс не стоит на месте, все чаще и чаще встречающаяся информация о микроконтроллерах со встроенными трансиверами подтолкнула меня опять вернуться к моей давней идее. В этом посте я расскажу о том, как создавалась «умная розетка» (на самом деле сетевой фильтр), который и представлен на фото ниже.

Все остальное под катом. Осторожно! Много картинок.

Предисловие

Сначала надо сказать, что в городе, в котором я сейчас живу, очень большая проблема с электронными компонентами (резисторы по 5р. штука, а о микроконтроллерах тут вообще не слышали). Все приходится заказывать или просить товарищей мне передавать из более продвинутых в этом плане мест. Надеюсь, эта информация объяснит возможные вопросы по применению тех или иных компонентов. Это не первое моё устройство и, благодаря использованию готовых модулей, надобность в рисовании схем отпала. Представлю только схему симисторного ключа.
Компоненты

Заказал у наших любимых друзей из поднебесной замечательные модули с распаянным nRF24LE1. О этом микроконтроллере уже много написано на хабре (тут, и тут, и еще вот тут), и это очень помогло на старте.
Мои модули, в отличие от большинства рассмотренных на хабре, меньше размером и имеют PLS с маленьким шагом (кстати, может сообщество подскажет, как правильно называются эти штырьки и где достать ответную часть).

В качестве мученника модернизируемого был выбран обычный, уже прошедший испытание бухгалтерами и уборщицами, сетевой фильтр. Я его протер на сколько смог, но некоторая усталость от постоянных пинаний ногами налицо.

Так же из поднебесной были заказаны симисторы BTA16 (600v, 16A) и опто-симисторы MOC3063. Рассыпуха частично была, частично докупил.
Итак, в бой!

Процесс разработки

Для начала разобрал сетевой фильтр, что бы понять, хватит ли мне места.


Места вагон и телега хватает.

Далее для прошивки nRF24LE1 решил использовать microUSB разъем. Контактов хватает, но нужно подтягивать вход PROG к питанию, чтобы перевести мк в режим программирования. Решил обойтись простым джампером (который пришлось самому делать из термоусадки и проволоки).

Отдельное, большое, спасибо посту от MaksMS, а так же ему лично. Статья и переписка с ним очень помогли начать программировать nrf24le1, а так же завести радио часть.

Итак, модуль отзывается на запросы программатора (использую USB ASP), переходим к управлению силовой части. Для управления симистором решил использовать опто-симистор MOC3063. Данная микросхема полностью отделяет силовую часть от низковольтовой, но есть один нюанс. MOC3063 имеет встроенный детектор перехода через 0 (zero-cross) в сети питания и сама подает открывающий импульс на симистор, что в свою очередь ведет к тому, что мы не можем диммировать розетку, но эту цель я и не преследовал. Схема включения ниже:

Схема проста, думаю, дополнительных объяснений не надо. Единственное отступление, вместо ограничивающего резистора поставил зеленый светодиод, который будет оповещать о включении опто-симистора.
По схеме собрал, маленькие, модули для 5-и розеток (на фото только 3):

Далее, одну из линий в сетевом фильтре порезал в указанных местах, а из вырезанных промежутков сделал перемычки на «не скрепленные» концы, что бы при включении вилки они сильно не разгибались.

Припаял управляющие выводы симисторных модулей к пинам микроконтроллерного модуля 0.2, 0.1, 0.0, 1.6, 1.5.
5 желтых светодиодов припаял к выводам 0.7, 1.0, 1.1, 1.2, 1,3. К выводам 0.5, 0.6 припаял зеленый и красный светодиоды для индикации работы модуля (парсинг команд, прием или отправка данных).
Все это добро упаковал в корпус сетевого фильтра.

Симисторные модули отлично поместились в промежутки между коробками для вилок (на фото к ним идет зеленые и серые проводки), под модулями установлены зеленые светодиоды (в заранее высверленные отверстия) в противоположной от них стороне, установлены желтые светодиоды.
Слева посередине видны концы двух светодиодов состояния мк.
Ну и в левом нижнем углу виден сам радиомодуль с висящим разъемом для программирования. Постой, а где же хваленый microUSB!? На момент съемки, microUSB кабель, который у меня был, оказался слишком длинным и программатор не видел мк.

Далее, самая большая проблема всего мероприятия: питание для микроконтроллера. Сначала хотел сделать конденсаторное питание, но нужных конденсаторов и стабилитрона в городе не нашел, а заказывать и ждать уже не было желания. Решил использовать блок питания из зарядки для какого-то телефона.

Долго мучился с блоком, который сверху ( с красной полосой ), но оказалось, что у него сгорела оптопара, и стабилитрон на блоке крайне сильно грелся. Такую штуку ставить было очень опасно, и я решил использовать блок, который снизу ( с желтой полосой ), хоть и пришлось оставить один из домашних девайсов без питания.

Понятно, что конденсаторный вариант был бы гораздо меньших размеров, но у зарядки есть гальваническая развязка, что позволяет в будущем вывести разъем для программирования вне корпуса.
Тем не менее, блок отлично поместился в корпус фильтра, и вся конструкция приняла следующий вид:

После сборки в рабочем состоянии:

Функционал

К сожалению, пока не могу выложить прошивку, потому что она очень запутана. Писалась с учетом работы в сети со многими устройствами, и в ней куча лишнего. Если сообществу будет интересно и я наконец получу инвайт то опубликую все в следующем посте. Хочется отметить, что никакого хитрого алгоритма там нет. Все сводится к простому дерганью пинами вкл/выкл. Никакого шима и тд. Простое мигание светодиодами (силовые модули для мк — обычные светодиоды)

Принцип работы следующий: при получении пакета от сервера, модуль определяет, что следует сделать с выбранной розеткой, и включает или выключает её. В выключенном состоянии на против розетки горит желтый светодиод, во включенном состоянии горит зеленый.
Тут я допустил очень серьезную ошибку, надо было сверлить дырки для светодиодов перпендикулярно к отверстиям для вилки. Так как 80% всех блоков питания, что я нашел дома, закрывают или оба светодиода, или один.

Немного о сервере

Сервер представляет собой такой же модуль nRF24LE1, подключенный через USB-UART конвертер к ПК, с которого через Java приложение идет управление другими устройствами в сети. Фото ниже

Заключение

Сетевой фильтр уже трудится на благо моего дома. Софт еще сырой и смысла его показывать и краснеть нет.
Тем кто собирается повторять сие чудо я могу прислать облегченную версию прошивки и сервера, а так же дать пару советов:
  • Светодиоды надо установить перпендикулярно, а для особо обеспеченных оргстеклом, рекомендую сделать светящуюся обводку. Будет круто!
  • Сам радио модуль стоит установить в противоположную сторону от входа напряжения. Помех меньше, да и места больше.
  • Используйте короткие microUSB
  • Стоит добавить функцию сохранения состояния пинов при отключении питания. Сам планирую в новой версии прошивки это сделать

Отдельная благодарность доценту Юрию Ивановичу Иванову (каф. САУ, ЮФУ) за помощь в разработке конденсаторных и других типов блоков питания. Хоть в этом проекте их нет, буду применять их в следующих, и обязательно расскажу об этом, если сообщество одобрит этот пост.

Ожидаю критики а лучше похвалы и предложений по улучшению конструкции.

Необходимая документация

Даташит на nRF24LE1
Даташит на BTA16
Даташит на MOC3063
Схема управления силовой нагрузкой с более развернутым описанием

Управление мощной нагрузкой переменного тока / Habr

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 статья. 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).
Способы диммированияИллюстрация 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 тут. В этой статье речь пойдет только о диммировании по преднему фронту, так как это самая простой и распространенный способ. Он 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, в некоторой степени, 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 статье DiHalt’а. 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:
  1. Подавать импульсы равно в тот момент времени, когда нужно. Для этого придётся завести на микроконтроллер сигнал с детектора перехода напряжения через ноль
  2. 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 datasheet’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:
  1. Расчетным напряжением. Если для сетей 110 вольт, есть для 220
  2. Наличием детектора нуля
  3. 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 datasheet’ах.
Устойчивость к помехам/возможность коммутации индуктивной нагрузки
В электросети могут быть помехи, вызывающие самопроизвольное открытие симистора или его повреждение. Источником помех может служить:
  1. Нагрузка, управляемая симистором (обмотка мотора)
  2. Фильтр (snubber), расположенный рядом с симистором и призванный его защищать
  3. 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 datasheet’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 Application Note AN-3008. 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 datasheet’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 datasheet’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 TO-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 спецификацию, 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.
Симистор может выгорать из-за двух причин:
  1. Превышение dI/dt. Симистор не успевает открыться полностью, ток идет не через весь кристалл, образуются локальные горячие области, выжигающие кристалл.
  2. Превышение интеграла Джоуля I^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:
  1. Быстродействующий плавкий предохранитель. Обычный предохранитель не подойдет так как симистор сгорит до того, как он сработает. Но стоят такие предохранители дороже новых симисторов.
  2. 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 datasheet к MOC3052 или в AN-3008 и, возможно, он заодно узнает что-то еще и не будет бездумно реализовывать готовую схему.

Симисторные оптопары | Техника и Программы

Одна из областей применения оптронов — бесконтактное управление высоковольтными цепями, работающими на переменном или пульсирующем токе. Для этих целей изготавливаются приборы на основе фототиристора (симистор — два фототиристора в одном корпусе). Его структура и работа в схемах аналогична обычным тиристорам (может находиться в одном из двух устойчивых состояний). Кроме непосредственного управления маломощной нагрузкой, такие элементы могут использоваться для запуска (включения) более мощных тиристоров и симисторов.

Основные параметры самых распространенных оптопар этого класса приведены в табл. 8. Некоторые из них имеют встроенную схему управления для обнаружения нуля — ZCC (Zero Crossing Control), которая обеспечивает включение симистора только при переходе фазы питающего напряжения через «ноль». Это подразумевает, что включение коммутатора происходит при напряжении около 5…20 В (в силу физических принципов работы при нуле включить такие элементы невозможно, в отличие от транзисторов).

Таблица 8. Основные параметры симисторных оптопар

Примечание к таблице

UpK — максимально допустимое пиковое напряжение между входом и выходом; URMS — максимальнодопусгимое напряжение изоляции (действующее значение).

Окончаниетабл. 8

Информация по взаимозаменяемости одноканальных сими- сторных оптронов от разных фирм-производителей приведена в табл. 9.

Таблица 9. Варианты замены симисторных оптронов

Основной тип

Полные зарубежные аналоги (отечественный вариант аналога)

Корпус

Особенности выхода

МОС8Ю

TLP532, TCDT1110, CNY17F-2, PC714V

DIP-6

 

MOC811

TLP632, IL2B

DIP-6

 

MOC3020

TLP3021, K3020P, BRT12H, OPI3020, MCP3020, GE3020

DIP-6

 

MOC3021

TLP3021, GE3021, ECG3048, OPI3Q21, MCP3021, GE302t

DIP-6

 

MOC3022

TLP3022, OPI3022, MCP3022, GE3022, (АОУ163А)________

DIP-6

 

MOC3023

TLP3023, OPI3023, MCP3023, GE3023_

DIP-6

 

МОСЗОЗО

TLP3041, ОРТОбЗО

DIP-6

Есть схема ZCC

МОСЗОЭ1

TLP3041, ОРТОбЗО

DIP-6

Есть схема ZCC

МОСЗОЭ2

TLP3042, ОРТОбЗО

DIP-6

Есть схема ZCC

MOC3040

TLP3041, TLP3042, ОРТОбЗО

DIP-6

Есть схема ZCC

MOC3041

TLP3042, ОРТОбЗО

DIP-6

Есть схема ZCC

MOC3042

TLP3042, ОРТОбЗО

DIP-6

Есть схема ZCC

MOC3043

TLP3043, ОРТОбЗО

DIP-6

Есть схема ZCC

МОСЗОбО

TLP3061, ОРТОбЗО

DIP-6

Есть схема ZCC

M0c3061

TLP3061, (АОУ179А), ОРТОбЗО

DIP-6

Есть схема ZCC

MOC3062

TLP3062, ОРТОбЗО

DIP-6

Есть схема ZCC

МОСЗОбЗ

TLP3063, ОРТОбЗО

DIP-6

Есть схема ZCC

Примечание к таблице

Следует учитывать, что возможны замены аналогичных по структуре оптопар, на лучшие по параметрам, например с более высоким рабочим напряжением: МОСЗОбЗ на MOC3083 и т. п.

Когда выходной симистор оптопары находится в открытом состоянии, то максимальное напряжение, которое остается на его выводах, может быть от 1,8 до 3 В (зависит от тока в цепи). При

Рис. 5. Расположение выводов и внутренняя структура симисторных оптопар

этом кратковременный импульсный ток через нагрузку не должен превышать 1 А. Чтобы не повредить входной светодиод, постоянный ток через него не должен превышать 60 мА (падение напряжения на светодиоде не превышает 1,6 В, что справедливо для всех маломощных оптосимисторов).

Источник: Радиолюбителям: полезные схемы. Книга 6. — M / СОЛОН-Пресс, 2005. 240 с.

Оптосимистор и его применение. | Catcatcat electronics


Эрве Кадино “Цветомузыкальные установки”

Ответ на вопрос – управление мощным тиристором или симистором, от терморегулятора.

Статья в pdf

Оптосимистор принадлежат к классу оптронов и обеспечивают очень хорошую гальваническую развязку (порядка 7500 В) между управляющей цепью и нагрузкой. Эти радиоэлементы состоят из Арсенид-гелиевого инфракрасного светодиода, соединенного посредством оптического канала м двунаправленным кремневым переключателем. Последний может дополнен отпирающей схемой, срабатывающей при переходе через нуль питающего напряжения и размещенной на том же кремниевом кристалле.

Эти радиоэлементы особенно незаменимы при управлении более мощными симисторами, например при реализации реле высокого напряжения или большей мощности. Подобные оптопары были задуманы для осуществления связи между логическими элементами с малым уровнем напряжения (например, вентиль TTL) и нагрузкой, питаеой сетевым напряжением (110 или 220 вольт).
Оптосимистор может размещаться в малогабаритном DIP-корпусе с шестью  выводами, его цоколевка и внутренняя структура показана на рисунках ниже.

Эти радиоэлементы особенно незаменимы при управлении более мощными симисторами, например при реализации реле высокого напряжения или большей мощности.


 

 

 Для решения вопроса нам подойдут любые оптроны со схемой детектора нуля. Эти оптроны позволяют избавиться от радиопомех которые присущи при работе симисторов и тиристоров.

Ниже приведена таблица, все выбранные оптроны отличаются минимальным гарантированием током управления и максимальным рабочим напряжением.

Ift Тип Тип Тип Тип
20 MOC3031 MOC3041 MOC3061 MOC3081
10 MOC3032 MOC3042 MOC3062 MOC3082
05 MOC3033 MOC3043 MOC3063 MOC3083
Vdrm 250 В 400 В 600 В 800 В

Для поставленной задачи подойдет любой.

Более тонко в вникать в характеристики  нет смысла. Рассмотрим основные параметры и схемы подключения.

или  

 

Эти схемы ничем принципиально не различаются, только где будет подключена нагрузка, но хочу обратить внимание нагрузка должна быть активного фактора. Если в нагрузке присутствует индуктивность эти необходимо использовать схемы с защитой оптосимистора и силового симистора (но здесь их рассматривать не будем).


В этой схеме есть два элемента которые надо рассчитать, но на практике такие расчеты делаются редко, “один раз рассчитал и на всю жизнь”.

Но я считаю этими приемами надо владеть.

Расчет сопротивления RD.

Расчет этого резистора зависит от минимального прямого тока инфракрасного светодиода, гарантирующего отпирание симистора.
Следовательно RD=(+VDD -1.5)/If

Например, для схемы транзисторного управления (которое используется в схемах регуляторов температуры), с напряжением питания + 12 В и напряжением на отрытом транзисторе (Uкэ нас) равном 0,3 В +VDD = 11.7 B и If должен быть находится в диапазоне 15 и 50 мА для MOC3041. Следует принять If = 20 мА с учетом снижения эффективности светодиода в течении срока службы (запас 5 мА), целиком обеспечения работу оптопары с постепенным ослаблением силы тока.

Таким образом имеем:

RD=(11.7-1.5)/0.02= 510 Ом.

Полученное значение даже вписывается в стандартный ряд сопротивлений.

Расчет сопротивления R.

Это сопротивление если работа идет на чисто активную нагрузку можно даже не ставить, но это только для лабораторных условий. Поэтому для надежной работы объясню как его рассчитать и его назначение.
Управляющий электрод оптосимистора может выдержать определенный максимальный ток. Превышение этого тока вызовет повреждение оптрона. Нам необходимо рассчитать сопротивление, чтобы при максимальном рабочем напряжении сети (например, 220 В) ток не превышал максимально допустимый.

Для выше указанных оптопар максимальной допустимый ток 1 А.

Минимальное сопротивление резистора R:

Rmin=220 В * 1,44 / 1 А = 311 Ом.

С другой стороны слишком большое сопротивление может привести к нарушению работы схемы (будет перебои с включением силового симистора).

Поэтому принимаем сопротивление из стандартного ряда R=330 или 390 Ом.

Расчет сопротивления Rg.

Резистор Rg необходим, только в случаи высокочуствительного управляющего электрода симистора. И обычно может составлять от 100 Ом до 5 кОм. Я рекомендую ставить 1 кОм.



Это может быть интересно


  • Дисплей KD035C-3A подключение и управление

    Дисплей KD035C-3A производиться компанией SHENZHEN STARTEK ELECTRONIC TECHNOLOGY CO.,LTD его характеристики Параметр Спецификация Единицы измерения Размер дисплея 70.08(H)*52.56(V) (3.5inch) mm Тип дисплея TFT active matrix Цветовая гамма 65K/262K colors Разрешение 320(RGB)*240 dots …

  • УКВ – радиоприем, часть 2

    Пришло свободное время решил вторую часть проекта реализовать (правда есть мысль и третью с использование цветного OLED и функцией ch-светомузыки, но это только задумка… Для понимания функций интегрального приемника RDA5807FP читайте …

  • Модуль CAN в микроконтроллерах PIC18

    Введение   CAN последовательный интерфейс связи, который эффективно поддерживает распределенное управление в реальном масштабе времени с высокой помехозащищенностью. Протокол связи полностью определен Robert Bosch GmbH, в спецификации требований CAN 2.0B …

  • Проект с использованием MCC часть 03

    Первым делом перенастроим регистры конфигурации, следующим образом: Отключим выход генератора (CLKOUT function is disabled. I/O function on the CLKOUT pin) Включим сторожевой таймер (WDT enabled) После этой настройки мы должны …

  • PIC18F25K42 – v. A001 – выявленные баги.

    Модуль I2C Не работает при использовании в стандартной конфигурации MCC. Требует особой нестандартной конфигурации и управления для нормальной работы. Обойти Обход проблемы возможен библиотека см статью. Модуль ADC2 На выводе RA0, …

  • ch-4050 – дифференциальный терморегулятор

    ch-4050 – это не новая модель, это расширенная версия универсального терморегулятора ch-4000. Различия коснулись в появлении новой функции дифференциального регулирования. Это вид регулирования по разности температур измеренного двумя датчиками. Теперь …

  • Защита датчиков температуры DS18B20 от статического электричества

    Статья перепечатана с сайта http://svetomuzyka.narod.ru При удалении датчика на большие расстояния возникает опасность наведения импульсов высокого напряжения на кабель, который соединяет датчик с контролером. Если не принимать меры защиты, то наведенное …

  • LM317 и светодиоды

    LM317 и светодиоды статья с переработанная с сайта http://invent-systems.narod.ru/LM317.htm Долговечность светодиодов определяется качеством изготовления кристалла, а для белых светодиодов еще и качеством люминофора. В процессе эксплуатации скорость деградации кристалла зависит от …

  • REFERENCE CLOCK OUTPUT MODULE

    REFERENCE CLOCK OUTPUT MODULE Модуль формирования опорного тактового сигнала Модуль опорного тактового сигнала обеспечивает возможность посылать сигнал синхронизации на тактовый опорный выходной контакт или контакты (CLKR) в зависимости от конфигурации выводов …

  • DIXELL XWEB500D-EVO + RUT900 или как пробить NAT-сервер

    Когда необходимо под какой нибудь контроллер имеющий вэб сервер в инет, то нужен статический IP, что оказалось проблемой при работе с операторами сотовых сетей, конкретно с оператором сети “Киевстар”. Их …



 

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *