Site Loader

Содержание

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

Современное решение для коммутации индуктивной нагрузки – ЗАО «Протон-Импульс»

Появление полупроводников оказало огромное влияние на развитие электроники: габаритные размеры, как и цена компонентов, уменьшились в разы. Диоды и транзисторы стали внедряться повсеместно. Одной из таких отраслей стала релейная техника, которая благодаря полупроводникам значительно расширила диапазон применения.

Использование полупроводников привело к появлению нового класса релейной техники — твёрдотельным реле (ТТР). Так, если в электромеханических реле для размыкания (замыкания) цепи использовался механический контакт, то в новом классе устройств эту функцию взяли на себя транзисторы и тиристоры (симисторы). Данная замена позволила уйти от ряда существенных недостатков электромеханических реле, таких как: дребезг контактов, возникновение дугового разряда при переключении, высокое время переключения и низкая надёжность. Помимо этого применение цепи обвязки позволило добавить «интеллект» реле, т.е. реализовать ряд сервисных функций: контроль перехода через ноль, наличие статусного сигнала и т.д. Причём всё это имеет достаточно компактный размер. Применение полупроводников также позволило уйти от электромагнитной развязки, заменив её оптоэлектронной, что позволило увеличить помехозащищённость.

Наличие всех этих преимуществ позволило применить ТТР в различных отраслях производства. Так возможность организации срабатывания реле не при переходе управляющего сигнала через ноль, а при его максимальном (амплитудном) значении укрепило роль ТТР для коммутации индуктивной нагрузки. Этот процесс отличается от коммутации активной нагрузки тем, что в момент подачи сигнала начинается переходный процесс установления стационарного режима электрической цепи, при котором среднее значение тока за период равно нулю. В этом случае в цепи на время переходного процесса, которое зависит от индуктивности и сопротивления цепи (постоянной времени цепи τ=L/R), появляется постоянная составляющая электрического тока (цепь на время переходного процесса работает с подмагничиванием). Самый не желательный момент включения это момент перехода напряжения фазы через ноль. В этом случае ток подмагничивания и, соответственно, амплитуда тока в цепи имеет максимальное значение. Такой режим может привести к насыщению сердечника (трансформатор, автотрансформатор, обмотка контактора и т. д.). И как результат, резкому уменьшению индуктивности и, соответственно, резкому увеличению тока (рис.1).

Рисунок 1 — переходной процесс при включении реле при переходе напряжения фазы через нуль. τ — постоянная времени электрической цепи.

Этого можно избежать, если включить реле при максимальном амплитудном Um) значении переменного напряжения (рис. 2). Как видно из графика, это достигается по средствам сдвига фаз тока относительно напряжения на 90˚.


Рисунок 2 – переходной процесс при включении реле при переходе напряжения фазы через максимальное значение Um.

Одним из вариантов решения данной задачи является использование полупроводникового оптоэлектронного однофазного реле переменного тока РПТ-90, с включением при максимальном (амплитудном Um) значении переменного напряжения, выпускаемое отечественной фирмой ЗАО «Протон-Импульс» (рис. 3). Реле выполнено в монолитном корпусе с габаритами 58,4х45,7х23.


Рисунок 3 – Габаритные и присоединительные размеры модуля

Реле предназначено для подключения активной и активно-индуктивной нагрузки (трансформатор. автотрансформатор, электромагнитный контактор и т.д.) к сети переменного тока частотой f=50-60Гц, напряжением Uд=100-400В. В качестве управляющего может служить переменное напряжение от 7 до 278 В. Схема включения изображена на рисунке 4.


Рисунок 4 – Схема включения реле РПТ-90

Данное реле является универсальным, имеет защиту IP 54 и позволяет коммутировать как активную, так и индуктивную нагрузку на ток до 63 А. Технические характеристики реле представлены в таблице 1.

Таблица 1. Основные параметры РПТ-90

Выводы:

Помимо перечисленных достоинств ТТР обладают повышенной надёжностью и временем работы, что делает представленное реле универсальным решением для задачи коммутации цепи на активную и индуктивную нагрузку.

Тиристоры и Триаки (симисторы) — Десять Золотых Правил — Компоненты и технологии

Промышленный ряд тиристоров и триаков (симисторов) Philips предоставляет широкие возможности для создания устройств управления мощностью. Соблюдение же десяти несложных правил по использованию тиристоров и триаков поможет избежать трудностей и ошибок при проектировании.

Тиристоры

Тиристор — управляемый диод, в котором управление током от анода к катоду происходит за счет малого тока управляющего электрода (затвора).

Открытое состояние тиристора

Тиристор переходит в открытое состояние при подаче на затвор положительного смещения относительно катода. При достижении порогового значения напряжения затвора VGT (ток через затвор имеет значение IGT), тиристор переходит в открытое состояние. Для стабильного перехода в открытое состояние при коротком управляющем импульсе (менее 1 мкс) пиковое значение порогового напряжения необходимо увеличить.

После достижения тока нагрузки значения IL тиристор будет оставаться в открытом состоянии при отсутствии тока затвора.

Необходимо отметить, что значения параметров VGT, IGT и IL указаны в спецификации для температуры перехода 25 °C. Эти значения возрастают при понижении температуры. Поэтому внешние цепи тиристора должны рассчитываться для поддержания необходимых амплитуд VGT, IGT и IL при минимальной ожидаемой рабочей температуре.

Чувствительный затвор тиристоров, таких, как BT150, при увеличении температуры перехода выше Tj max может вызывать ложное срабатывание за счет тока утечки от анода к катоду.

Во избежание ложных срабатываний можно посоветовать следующие рекомендации:

  1. Рабочая температура перехода должна быть меньше значения Tj max.
  2. Использовать тиристоры с меньшей чувствительностью, такие, как BT151, либо уменьшить чувствительность имеющегося тиристора включением резистора номиналом 1 кОм или менее между затвором и катодом.
  3. При невозможности использования менее чувствительного тиристора необходимо приложить небольшое обратное смещение к затвору в фазе закрытого состояния тиристора для увеличения IL. В фазе отрицательного тока затвора необходимо уделить внимание уменьшению мощности рассеивания затвора.

Коммутация тиристора

Для перехода тиристора в закрытое состояние ток нагрузки должен снизиться ниже значения тока удержания IH на время, позволяющее всем свободным носителям заряда освободить переход. В цепях постоянного тока это достигается тем, что цепь нагрузки уменьшает ток до нуля, чтобы дать возможность тиристору выключиться. В цепях переменного тока цепь нагрузки уменьшает ток в конце каждой полуволны. В этой точке тиристор переходит в закрытое состояние.

Тиристор может перейти в состояние проводимости, если ток нагрузки не будет удерживаться ниже IH достаточное время.

Обратите внимание, что значение IH указывается для температуры перехода 25 °C и, подобно IL, оно уменьшается при повышении температуры. Поэтому для успешной коммутации цепь должна позволять уменьшаться току нагрузки ниже IH достаточное время при максимальной ожидаемой рабочей температуре перехода.

Триаки (симисторы)

Триак представляет собой «двунаправленный тиристор». Особенностью триака является способность проводить ток как от анода к катоду, так и в обратном направлении.

Состояние проводимости

В отличие от тиристоров триак может управляться как положительным, так и отрицательным током между затвором и T1. (Правила для VGT, IGT и IL те же, что для тиристоров, см. «Правило 1».) Это свойство позволяет триаку работать во всех четырех секторах, как показано на рис. 4.

Когда затвор управляется постоянным током или однополярными импульсами с нулевым значением тока нагрузки, в квадрантах (3+,3–) предпочтителен отрицательный ток затвора по нижеследующим причинам. (Внутреннее строение переходов триака характерно тем, что затвор наиболее отдален от области основной проводимости в квадранте 3+.)

  1. При более высоком значении IGT требуется более высокий пиковый IG.
  2. При более длинной задержке между IG и током нагрузки требуется большая продолжительность IG.
  3. Низкое значение dIT/dt может вызывать перегорание затвора при управлении нагрузками, создающими высокий dI/dt (включение холодной лампы накаливания, емкостные нагрузки).
  4. Чем выше IL (это относится и к квадранту 1–), тем большая продолжительность IG будет необходима для малых нагрузок, что позволит току нагрузки с начала полупериода достичь значения выше IL.

В стандартных цепях управления фазой переменного тока, таких, как регуляторы яркости и регуляторы скорости вращения, полярность затвора и T2 всегда одинаковы. Это означает, что управление производится всегда в 1+ и 3– квадрантах, в которых коммутирующие параметры триака одинаковы, а затвор наиболее чувствителен.

Примечание: 1+, 1–, 3– и 3+ это система обозначений четырех квадрантов, использующаяся для краткости: вместо того, чтобы записать «MT2+, G+», пишется 1+ и т. д. Эти данные получены из графика вольт-амперной характеристики триака. Положительному напряжению T2 соответствует положительное значение тока через T2, и наоборот (см. рис. 5). Следовательно, управление осуществляется только в квадрантах 1 и 3. А указатели (+) и (–) относятся к направлению тока затвора.

Ложные срабатывание триака

В ряде случаев возможны нежелательные случаи включения триаков. Некоторые из них не приведут к серьезным последствиям, в то время как другие потенциально разрушительны.

1. Уменьшение шумовых сигналов затвора

В электрически шумных окружающих средах ложное срабатывание может происходить, если шумовое напряжение на затворе превышает VGT, поэтому тока затвора достаточно для включения триака. Первый способ защиты — минимизировать возникающий шум. Лучше всего это может быть достигнуто уменьшением длины проводников, ведущих к затвору, и соединением цепи управления затвором непосредственно с выводом T1 (или катодом для тиристора). В случае, если это невозможно, следует использовать витую пару или экранированный кабель.

Дополнительную шумовую устойчивость можно обеспечить, уменьшив чувствительность затвора с помощью включения резистора до 1 кОм между затвором и T1. Если в качестве высокочастотного шунта используется конденсатор, желательно включить последовательно резистор между ним и затвором, чтобы уменьшить пик тока конденсатора через затвор и минимизировать возможность повреждения затвора от перегрузки.

В качестве решения этих проблем можно использовать триаки ряда «H» из номенклатуры Philips (например BT139-600H). Этот нечувствительный ряд (IGT min = 10 мA) специально разработан для обеспечения высокой шумовой устойчивости.

2. Превышение максимального значения скорости нарастания напряжения коммутации dVCOM/dt

Этот эффект может возникнуть при питании реактивных нагрузок, где есть существенный сдвиг фазы между напряжением и током нагрузки. При выключении триака в то время, когда фаза тока нагрузки проходит через ноль, напряжение не будет нулевым из-за сдвига по фазе (см. рис. 6).

Если при этом скорость изменения напряжения превысит допустимое значение dVCOM/dt, триак может остаться в состоянии проводимости. Это происходит из-за того, что носителям заряда не хватает времени, чтобы освободить переход.

На параметр dVCOM/dt влияют два условия:

  • Скорость уменьшения тока нагрузки при переключении dICOM/dt. Высокое значение dICOM/dt снижает значение dVCOM/dt.
  • Температура перехода Tj. Чем выше Tj, тем ниже значение dVCOM/dt.

Если возможно превышение значения dVCOM/dt триака, то ложного срабатывания можно избежать использованием RC-демпфера между T1-T2. Это ограничит скорость изменения напряжения. Обычно выбирается углеродный резистор 100 Ом и конденсатор 100 нФ.

В качестве альтернативы можно предложить использование триаков Hi-Com (более подробно об этих триаках можно прочесть на сайте www.dectel.ru в разделе «Публикации» или в «КиТ» № 7’2002).

Обратите внимание, что резистор не может быть удален из демпфера, так как он используется в качестве ограничителя тока во избежание возникновения высокого значения dIT/dt в моменты коммутации.

3. Превышение максимального значения скорости нарастания тока коммутации dICOM/dt

Высокое значение dICOM/dt может быть вызвано повышенным током нагрузки, повышенной рабочей частотой (синусоидального тока) или несинусоидальным током нагрузки.

Известный пример — выпрямитель питания для индуктивных нагрузок, где применение стандартных триаков невозможно из-за того, что напряжение питания оказывается ниже напряжения обратной электромагнитной индукции нагрузки и ток триака резко стремится к нулю. Этот эффект проиллюстрирован на рис. 7.

При нулевом токе триака ток нагрузки будет спадать через мостовой выпрямитель. При индуктивных нагрузках возможно такое высокое значение dICOM/dt, при котором триак не может поддерживать даже небольшого значения dV/dt 50-герцовой синусоиды при прохождении нуля. В этом случае не будет эффекта от добавления демпфера.

Решение проблемы в том, что значение dICOM/dt может быть ограничено добавлением дросселя последовательно с нагрузкой. Альтернативное решение — использование Hi-Com-триаков.

4. Превышение максимального значения скорости нарастания напряжения в закрытом состоянии dVD/dt

Высокая скорость изменения напряжения на силовых электродах непроводящего триака (или тиристора с чувствительным затвором) без превышения его VDRM (см. рис. 8), вызывает внутренние емкостные токи. При этом внутреннего тока затвора может быть достаточно, чтобы перевести триак (тиристор) в состояние проводимости. Чувствительность к этому параметру увеличивается с ростом температуры.

Там, где возникает эта проблема, значение dVD/dt должно быть ограничено RC-демпфером между T1 и T2 для триака (или анодом и катодом для тиристора). Использование триаков Hi-Com в таких случаях может снять эти проблемы.

5. Превышение повторяющегося пикового напряжения в закрытом состоянии VDRM

Если напряжение на T2 превышает VDRM (это может происходить во время переходных процессов), то ток утечки T2-T1 достигнет значения, при котором триак может спонтанно перейти в состояние проводимости (рис. 9).

При нагрузке, допускающей выбросы тока, ток чрезвычайно высокой плотности может проходить через узкую открытую область перехода. Это может привести к выгоранию перехода и разрушению кристалла. Это может происходить в схемах управления лампами накаливания, емкостных нагрузках и схемах защиты мощных электронных ключей.

Превышение VDRM или dVD/dt не всегда приводит к потере работоспособности триака, а вот создаваемая dIT/dt скорость нарастания тока It может привести к выходу из строя прибора. Из-за того что требуется некоторое время для распространения проводимости по всему переходу, допустимое значение dIT/dt ниже чем, если бы триак был включен сигналом затвора. Если значение dIT/dt не будет превышать минимального значения, которое дается в его характеристиках, то, скорее всего, триак не выйдет из строя. Эта проблема может быть решена подключением ненасыщающейся индуктивности (без сердечника) последовательно с нагрузкой. Если это решение неприемлемо, то альтернативное решение может быть в том, чтобы обеспечить дополнительную фильтрацию и ограничение выбросов. Это повлечет использование параллельно питанию метал-оксидного варистора (МОВ) для ограничения напряжения и последовательное подключение LС-цепочки перед варистором.

Некоторые изготовители выражают сомнения в надежности схем с использованием MOB, так как они при высоких температурах окружающей среды входят в тепловой пробой и выходят из строя. Это является следствием того, что рабочее напряжение МОВ обладает обратным температурным коэффициентом. Однако при применении МОВ на 275 В (среднеквадратичное значение) для цепей 230 В риск перегорания МОВ минимален. Такие проблемы вероятны, если варистор на 250 В используется при высокой температуре окружающей среды в цепях со среднеквадратичным значением 230 В.

Состояние проводимости, dI

T/dt

Когда триак (тиристор) находится в состоянии проводимости под действием сигнала затвора, проводимость начинается в участке кристалла, смежном с затвором, и затем быстро распространяется на активную область. Эта задержка накладывает ограничение на значение допустимой скорости нарастания тока нагрузки. Высокое значение dIT/dt может быть причиной выгорания прибора, в результате чего произойдет короткое замыкание между T1 и T2.

При работе в квадранте 3+ еще больше снижается разрешенное значение dIT/dt из-за структуры перехода. Это может привести к мгновенному лавинному процессу в затворе и перегоранию во время быстрого нарастания тока. Разрушение триака может произойти не сразу, а при постепенном выгорании перехода Затвор-T1, что приведет к короткому замыканию после нескольких включений. Чувствительные триаки наиболее подвержены этому. Эти проблемы не относятся к Hi-Com триакам, так как они не работают в квадранте 3+.

Значение dIT/dt связано со скоростью нарастания тока затвора (dIG/dt) и максимальным значением IG. Высокие значения dIG/dt и пикового IG (без превышения номинальной мощности затвора) дают более высокое значение dIT/dt.

Самый простой пример нагрузки, создающей высокий начальный бросок тока, — лампа накаливания, которая имеет низкое сопротивление в холодном состоянии. Для резистивных нагрузок этого типа значение dIT/dt достигнет максимального значения при начале перехода в состояние проводимости в пике напряжения сети. Если есть вероятность превышения номинального значения dIT/dt триака, необходимо ограничить это включением катушки индуктивности или терморезистором с обратным температурным коэффициентом последовательно с нагрузкой.

Дроссель не должен насыщаться в течение максимума пика тока. Для ограничения значения dIT/dt необходимо использовать катушку индуктивности без сердечника.

Есть более правильное решение, с помощью которого можно избежать необходимости включения последовательно с нагрузкой токоограничивающих приборов. Оно состоит в том, чтобы использовать режим включения при нулевой разности потенциалов. Это дало бы плавный рост тока с начала полуволны.

Примечание: Важно помнить, что режим включения при нулевой разности потенциалов применим только к резистивным нагрузкам. Использование того же метода для реактивных нагрузок, где есть сдвиг фазы между напряжением и током, может вызвать однополярную проводимость, ведущую к возможному режиму насыщения индуктивных нагрузок, разрушительно высокому току и перегреву. В этом случае требуется более совершенный способ переключения при нулевом токе или схема управления фазой включения.

Отключение

Триаки, использующиеся в цепях переменного тока, коммутируются в конце каждого полупериода тока нагрузки, если не приложен сигнал затвора, чтобы поддержать проводимость с начала следующего полупериода. Правила для IH те же, что и для тиристора (см. «Правило 2»).

Некоторые особенности триаков Hi-Com

Триаки Hi-Com имеют отличную от обычных триаков внутреннюю структуру. Одно из отличий состоит в том, что две половины тиристора лучше изолированы друг от друга, что уменьшает их взаимное влияние. Это дает следующие преимущества:

  1. Увеличение допустимого значения dVCOM/dt. Это позволяет управлять реактивными нагрузками (в большинстве случаев) без использования демпфирующего устройства, без сбоев в коммутации. Это сокращает количество элементов, размер печатной платы, стоимость и устраняет потери на рассеивание энергии демпфирующим устройством.
  2. Увеличение допустимого значения dICOM/dt. Это значительно улучшает работу на более высоких частотах и для несинусоидальных напряжений без необходимости в ограничении dICOM/dt при помощи индуктивности последовательно с нагрузкой.
  3. Увеличение допустимого значения dVD/dt. Триаки очень чувствительны при высоких рабочих температурах. Высокое значение dVD/dt уменьшает тенденцию к самопроизвольному включению из состояния отсутствия проводимости за счет dV/dt при высоких температурах. Это позволяет применять их при высоких температурах для управления резистивными нагрузками в кухонных или нагревательных приборах, где обычные триаки не могут использоваться.

Из-за особой внутренней структуры работа триаков Hi-Com в квадранте 3+ невозможна. В большинстве случаев это не является проблемой, так как это наименее желательный и наименее используемый квадрант. Поэтому замена обычного триака на Hi-Com возможна почти всегда.

Более подробную информацию по триакам Hi-Com можно найти в специальной документации Philips: «Factsheet 013 — Understanding Hi-Com Triacs» и «Factsheet 014 — Using Hi-Com Triacs».

Способы монтажа триаков

При малых нагрузках или коротких импульсных токах нагрузки (меньше 1 с), можно использовать триак без теплоотводящего радиатора. Во всех остальных случаях его применение необходимо.

Существует три основных метода фиксации триака к теплоотводу — крепление зажимом, крепление винтом и клепка. Наиболее распространены первые два способа. Клепка в большинстве случаев не рекомендуется, так как может вызвать повреждение или деформацию кристалла, что приведет к выходу прибора из строя.

Фиксация к теплоотводу зажимом

Это — предпочтительный метод с минимальным тепловым сопротивлением, так как зажим достаточно плотно прижимает корпус прибора к радиатору. Это одинаково подходит как для неизолированных (SOT82 и SOT78), так и для изолированных корпусов (SOT186 F-корпусов и более ранних SOT186A X-корпусов). SOT78 известен еще как TO220AB.

Фиксация к теплоотводу при помощи винта

  1. Набор для монтажа корпуса SOT78 включает прямоугольную шайбу, которая должна быть установлена между головкой винта и контактом без усилий на пластиковый корпус прибора.
  2. Во время установки наконечник отвертки не должен воздействовать на пластиковый корпус триака (тиристора).
  3. Поверхность теплоотвода в месте контакта с электродом должна быть обработана с чистотой до 0,02 мм.
  4. Крутящий момент (с установкой шайбы) должен быть между 0,55–0,8 Н·м.
  5. По возможности следует избегать использования винтов-саморезов, так как это снижает термоконтакт между теплоотводом и прибором.
  6. Прибор должен быть механически зафиксирован перед пайкой выводов. Это минимизирует чрезмерную нагрузку на выводы.

Тепловое сопротивление

Тепловое сопротивление Rth — это сопротивление между корпусом прибора и радиатором. Этот параметр аналогичен электрическому сопротивлению R = V/I, поэтому тепловое сопротивление Rth = T/P, где T — температура в кельвинах, и P — рассеяние энергии в ваттах.

Для прибора, установленного вертикально без радиатора, тепловое сопротивление задается тепловым сопротивлением «переход — окружающая среда» Rth = Rth j–a.

  • Для корпуса SOT82 значение равно 100 К/Вт;
  • Для корпуса SOT78 значение равно 60 К/Вт;
  • Для корпусов F и X значение равно 55 К/Вт.

Для не изолированных приборов, установленных на теплоотвод, тепловое сопротивление является суммой сопротивлений «переход — корпус», «корпус — теплоотвод» и «теплоотвод — окружающая среда».

Для изолированных корпусов нет ссылки на термосопротивление Rth j–mb, так как Rth mb–h принят постоянным и дан с учетом использования термопасты. Поэтому тепловое сопротивление для изолированного корпуса является суммой тепловых сопротивлений «переходтеплоотвод» и «теплоотвод — окружающая среда».

Rth j–mb или Rth j–h фиксированы и даны в документации к каждому прибору. Rth mb–h также даются в инструкциях по установке для некоторых вариантов изолированного и неизолированного монтажа с использованием или без использования термопасты. Rth h–a регулируется размером теплоотвода и степенью воздушного потока через него. Для улучшения теплоотдачи всегда рекомендуется использование термопасты.

Расчет теплового сопротивления

Для вычисления теплового сопротивления теплоотвода для данного триака (тиристора) и данного тока нагрузки необходимо сначала вычислить рассеяние энергии в триаке (тиристоре), используя следующее уравнение:

Vo и Rs получены из «on-state» характеристики триака (тиристора). Если значения не указанны, то они могут быть получены из графика путем вычерчивания касательной к VT max. Точка на оси VT, где ее пересекает касательная, дает Vo, в то время как тангенс угла наклона касательной дает Rs.

Используя уравнение теплового сопротивления, данное выше, получаем:

Максимально допустимая температура перехода будет достигнута, когда Tj достигает Tj max при самой высокой температуре окружающей среды. Это дает нам T.

Полное тепловое сопротивление

Все расчеты по вычислению теплового сопротивления имеет смысл проводить для уже установившегося режима продолжительностью больше 1 с. Для импульсных токов или длительных переходных процессов меньше 1 с эффект отвода тепла уменьшается. Температура просто рассеивается в объеме прибора с очень небольшим достижением теплоотвода. В таких условиях нагрев перехода зависит от полного теплового сопротивления «переход — корпус прибора» Zth j–mb. Поэтому Zth j–mb уменьшается при уменьшении продолжительности импульса тока благодаря меньшему нагреву кристалла. При увеличении продолжительности до 1 с Zth j–mb увеличивается до значения, соответствующего установившемуся режиму Rth j–mb. Характеристика Zth j–mb приводится в документации для двунаправленного и однонаправленного электрического тока импульсами продолжительностью до 10 с.

Номенклатура и корпуса

Промышленный ряд тиристоров Philips начинается с 0,8 A в SOT54 (TO92) и заканчивается 25 A в SOT78 (TO220AB).

Промышленный ряд триаков (симисторов) Philips начинается с 0,8 A в SOT223 и заканчивается 25 A в SOT78.

Самый маленький корпус триака (тиристора) для поверхностного монтажа — SOT223 (рис. 11). Мощность рассеивания зависит от степени рассеивания тепла печатной платой, на которую устанавливается прибор.

Тот же кристалл устанавливается в неизолированный корпус SOT82 (рис. 13). Улучшенная теплоотдача этого корпуса позволяет использовать его при более высоких номинальных токах и большей мощности.

На рис. 12 показан наименьший корпус для обычного монтажа — SOT54. В этот корпус ставится кристалл, которым оснащаются SOT223.

SOT78 — самый распространенный неизолированный корпус, большинство устройств для бытовой техники производится с использованием этого корпуса (рис. 14).

На рис. 15 показан SOT186 (F-корпус). Этот корпус допускает в обычных условиях разность потенциалов 1500 В между прибором и теплоотводом.

Один из последних корпусов — SOT186A (X-корпус), показанный на рис. 16. Он обладает несколькими преимуществами перед предыдущими типами:

  1. Корпус имеет те же размеры, что и корпус SOT78 в зазорах выводов и монтажной поверхности, поэтому он может непосредственно заменять SOT78 без изменений в монтаже. /10.18503/2311-8318-2019-4(45)-29-34

    Усков А.Ю., Цимбол А.И., Монастыренко В.И.

    Группа приборостроительных компаний ООО «Энергия-Источник» и ООО «Инженерно-Техническая Компания ББМВ»

    Способ коммутации электрических нагрузок жилых помещений

    Современные автоматизированные системы управления энергетическими ресурсами жилых помещений (в частности, системы «Умный дом») содержат в своем составе устройства коммутации электрических нагрузок, преимущественно осуществляющие коммутацию переменного тока сети электроснабжения (~220 В, 50 Гц, 16 А). Данный класс устройств предназначен для реализации возможности удаленного управления электрическими нагрузками (включение / выключение), а также осуществления автономной работы системы по заданному сценарию. В статье рассмотрены различные способы коммутации электрических нагрузок жилых помещений электромеханическими и полупроводниковыми устройствами, которые наиболее широко применяются в настоящее время. Проведен сравнительный анализ и выявлены недостатки каждого вида коммутирующих устройств. Рассмотрен процесс образования электрической дуги в моменты коммутации электромеханических устройств. Представлены современные варианты защиты либо снижения влияния от возникновения электрической дуги в электромеханических устройствах коммутации, приводящей к эрозии контактов. Рассмотрено влияние конкретного типа электрической нагрузки на ресурс электромеханического реле. Представлены современные полупроводниковые элементы для коммутации нагрузок в сетях переменного тока, а также способы снижения электромагнитных помех в сети при их использовании. Рассмотрены перспективные решения симисторов линейки «ВпаЪЪег1е88», снижающие общую стоимость конечного изделия и уменьшающие его массо-габаритные показатели. Предложен способ коммутации электрических нагрузок жилых помещений, который основан на объединении преимуществ электромеханических реле и полупроводниковых приборов. Данное решение позволяет при сохранении малого габарита конечного устройства продлить электрический ресурс коммутирующего устройства до временного интервала, соответствующего сроку проведения капитального ремонта, либо всему сроку эксплуатации жилого помещения.

    Ключевые слова: коммутация, электрическая нагрузка, резистивная нагрузка, емкостная нагрузка, индуктивная нагрузка, электромеханическое реле, симистор, переходный процесс, умный дом, управление, автоматизация.

    Введение

    Задача повышения энергетической эффективности жилых помещений является одним из приоритетных направлений при проектировании жилых зданий. Развитие средств автоматизации привело к тому, что технические решения, которые ранее использовались преимущественно только в промышленности, стали доступны сферам строительства и обслуживания жилых зданий и помещений.

    Доступность средств автоматизации позволяет уже на этапе строительства внедрять системы управления зданиями, которые способны поддерживать оптимальный климат внутри помещений, осуществлять в автоматическом режиме контроль над основными параметрами инженерных сетей помещений, а также собирать и передавать актуальные данные мониторинга параметров как обслуживающим (управляющим) компаниям, так и непосредственно владельцам помещений в режиме реального времени.

    На сегодняшний день появилась возможность удаленного управления практически всеми инженерными системами здания в целом и отдельно взятого помещения в частности. Например, тепловые режимы работы системы отопления [1], сценарии освещения, телекоммуникационные сети и системы, водоснабжение и во-доотведение, вентиляция и др.

    Использование подобных систем автоматизации в жилых помещениях ставит перед инженером проектировщиком один из важнейших вопросов — необходимость надежной коммутации электрических нагрузок, а также силовых цепей переменного тока.

    © Усков а.ю., Цимбол а.и., Монастыренко в.и., 2019

    Сравнительный анализ способов коммутации

    В настоящее время приоритет в выборе исполнительного механизма системы коммутации отдается нескольким решениям [2-4]. Основными коммутирующими устройствами в цепях переменного тока являются: электромеханические или твердотельные реле, симисторы, тиристоры, схемы на биполярных, полевых или ЮВТ-транзисторах.

    При коммутации нагрузки с током до 0,1 А и напряжением до 10 В проблем с выбором исполнительного механизма не возникает ввиду отсутствия искрения контактов реле либо сравнительно невысокой рассеиваемой мощности на полупроводниковом ключевом элементе.

    Основными потребителями электроэнергии в жилых помещениях являются бытовые электроприборы, питающиеся от сети переменного тока напряжением ~220 В и током потребления до 16 А. Ограничение потребляемой мощности в жилых помещениях в настоящее время осуществляется при помощи автоматических выключателей. Типичное значение уставки срабатывания автоматического выключателя для основных электрических потребителей составляет 16 А.

    Таким образом, инженеру проектировщику необходимо обеспечить такой ресурс работы коммутирующего устройства, который был бы сравним со сроком эксплуатации здания (в лучшем случае) либо сроком эксплуатации до капитального ремонта. Выбор того или иного решения будет зависеть от преимуществ и недостатков исполнительного механизма при текущих условиях эксплуатации и видах нагрузки. Наиболее

    неблагоприятным режимом работы является коммутация емкостной и индуктивной нагрузок.

    Использование симистора в качестве коммутатора нагрузки влечет за собой проблему отвода тепла, при протекании через него токов более 0,5 А (симистор в данном случае будет рассеивать на своем корпусе мощность около 0,8 Вт, при среднем падении напряжения на симисторе 1,6 В), что в последствии приведет к его разрушению. Именно поэтому разработчики вынуждены дополнительно размещать на печатной плате устройства коммутации радиатор, что в конечном итоге ведет к увеличению габаритов изделия и его стоимости, что, в свою очередь, не всегда допустимо.

    При управлении индуктивной нагрузкой, такой как электродвигатель, или при наличии помех в сети напряжение может достигнуть величины, при которой симистор может самопроизвольно открыться.

    Одним из способов защиты симистора от выбросов напряжения при работе с индуктивной нагрузкой является дополнительное включение варистора параллельно основным выводам симистора.

    Для защиты симистора от превышения скорости изменения напряжения применяют снабберную цепочку (RC-цепь), подключаемую аналогично варистору. Но в настоящее время на рынке уже появились сими-сторы, которые не требуют установки внешней снаб-берной цепочки, например BTA 16-600BW [5].

    Также при разработке необходимо учитывать параметр dl/dt — максимальная скорость изменения тока при открытии симистора. При превышении этого значения симистор не успевает полностью открыться, что может привести к разрушению его кристалла. Так, например, для вышеприведенного симистора BTA 16-600BW значение dI/dt составляет 50 А/мкс.

    Для увеличения ресурса работы симистора, а также снижения рассеиваемой на нем мощности в моменты коммутации и уменьшения уровня помех в сети, для управления симистором рекомендуется использовать специализированные драйверы с детектором нуля на основе оптопар, например M0C3063 [6]. В данном случае обеспечивается также гальваническая развязка между управляющими и высоковольтными цепями, что является просто необходимым.

    Основным преимуществом симистора является его возможность коммутации нагрузок без искрообразова-ния и отсутствие механически подвижных частей, что гарантирует при необходимом теплоотводе и соблюдении рекомендаций по его защите практически неограниченный ресурс работы элемента.

    Отказ от применения схем на биполярных и полевых транзисторах в цепях переменного тока с напряжением ~220 В обусловлен проблемами с отводом тепла и большими габаритными размерами, а также сложностью реализации, что приводит к удорожанию конечного устройства. IGBT-транзисторы, в свою очередь, нашли свое применение в цепях напряжением более 1000 В, так как потери в открытом состояния IGBT-транзистора обратно пропорциональны протекающему току и приложенному напряжению.

    Важным преимуществом применения схем на IGBT-транзисторах является большая частота коммутации по сравнению с реле и симистором [7]. В качестве примера на рис. 1 приведена зависимость тока коллектора IGBT

    транзистора К50Н603 от частоты коммутации при напряжении коллектор-эмиттер 400 В [8].

    В условиях ограниченного пространства, а также большой коммутируемой мощности находят широкое применение электромеханические реле, которые имеют меньшие габариты, чем симистор в сочетании с радиатором. Но в то же время применение электромеханического реле связано с проблемой механического износа в процессе эксплуатации, который возникает в моменты замыкания и размыкания реле.

    При размыкании реле между контактами образуется электрическая дуга [9], а при замыкании наблюдается возникновение искрового эффекта, что ведет к эрозии контактов реле и к дальнейшему их «залипанию», а это уже, в свою очередь, к неправильной работе устройства коммутации в целом и, как следствие, возможности возникновения аварийной ситуации.

    Вторым не менее важным вопросом, возникающим при использовании электромеханических реле, является обеспечение необходимого ресурса работы (срока службы изделия в целом). Электрический ресурс реле выражается в количестве срабатываний реле под нагрузкой и зависит главным образом от величины тока нагрузки. Например, зависимость электрического ресурса от вида нагрузки реле ЯТ314005 производства компании 8СНЯАСК приведена в табл. 1 [10].

    Согласно данным производителя электрический ресурс реле ЯТ314005 при работе на резистивную нагрузку с коммутируемым током до 16 А составляет 50 х 103 циклов срабатывания. В то же время для аналогичной нагрузки с коммутируемым током до 20 А ресурс составляет 6 х 103 срабатываний [10]. Это говорит о том, что при частоте срабатываний 1 раз в 10 минут, в случае работы на номинальную нагрузку, срок службы указанного реле будет менее десяти лет. Но при увеличении тока до 20 А срок службы уменьшается до одного года.

    1 ю юо /, кГц

    Рис. 1. Зависимость тока коллектора ЮБТ транзистора К50Н603 от частоты коммутации

    Таблица 1

    Зависимость электрического ресурса реле КТ314005 производства компании 8СНКЛСК от вида нагрузки

    Load Cycles

    16A, 250VAC, NO contact, 85°C, DF 10%, UL508 50×103

    16A, 250VAC, NO contact, 70°C, 30mm1 53×103

    20A, 250VAC, NO contact, 85°C, UL508 6×103

    1000W incandescent lamp, 250VAC 1,2×103

    10A 250VAC, cos9=0,6, CO contact, 70°C 200×103

    5A, 250VAC, cos<p=1, motor, NO contact, 10mm1 1,1×106

    0,26A, 230VAC, cos9=0,38, valve, NO, 25mm1 7,6×106

    В табл. 2 приведены усредненные значения срока службы современных малогабаритных реле в процентах в зависимости от типа нагрузки [11].

    Рассмотрим процесс возникновения электрической дуги при коммутации реле индуктивной нагрузки более подробно.

    Электрическая дуга при размыкании контактов появляется из-за непрерывности тока. Это объясняется законом Лоренца — в электрической цепи возникает

    эдс

    К =-L

    di

    которая препятствует изменению тока. Поэтому ток протекает через воздушный промежуток (зазор) между удаляющимися контактами реле (появляется электри-ческаядуга) [12].

    На рис. 2 показаны зависимости напряжения от тока и времени.

    Таблица 2

    Зависимость электрического ресурса реле от вида нагрузки в процентном отношении от номинального ресурса

    Тип нагрузки Процент от номинального электрического ресурса реле, %

    Резистивная 75

    Индуктивная 40

    Емкостная 75

    Электродвигатель 20

    Лампа 10

    Рис. 2. Напряжение и ток на дуге при переменном токе

    Дуга возникает при напряжении, равном из, и угасает при напряжении, равном ит.

    На графиках рис. 2 видно, что выключение реле в моменты, когда напряжение фазы равно нулю и ниже напряжения, равного П3, образования электрической дуги на контактах реле не происходит.

    Искрение контактов реле при замыкании происходит при нагрузке, имеющей емкостной характер, так как разряженная емкость в начальный момент времени является короткозамкнутым участком цепи. При этом значение тока уменьшается по мере заряда емкости.

    На рис. 3 показана упрощенная схема коммутации нагрузки, имеющей емкостной характер [13].

    Переходный процесс можно описать при помощи формулы

    i (t ) =

    cosqvsin(at + у-ф) +simp-cos(уф)e x

    (1)

    где ит — максимальное напряжение в сети переменного тока; Я — активное сопротивление нагрузки; ф — угол между током и напряжением в сети; ю — угловая частота синусоидального тока; у — начальная фаза синусоидального тока; т — постоянная времени.RL sin (у),

    (2)

    Из формулы видно, что максимальный ток будет протекать в момент включения, когда начальная фаза будет равна л/2, в этот момент времени ток может оказаться большим, чем ток в сети. График переходного процесса показан на рис. 4.

    График на рис. 4 наглядно демонстрирует момент возникновения всплеска тока и, как следствие, искры на контактах реле. При этом с течением времени значение тока угасает.

    Я

    Рис. 3. Упрощенная схема коммутации

    Рис. 4. График переходного процесса

    Увеличивать ресурс работы реле можно путем использования различных способов искрогашения [14]. Одним из решений проблемы могло бы стать добавление в схему устройства коммутации элемента, осуществляющего контроль и переключение контактов реле именно в моменты перехода фазы через ноль.

    Однако данное решение физически невозможно реализовать из-за разброса характеристик электромагнитного реле и инерционности самого механизма.

    При отсутствии ограничений по габаритам устройства увеличение ресурса работы возможно при применении реле с увеличенным расстоянием между контактными группами и имеющими в своем составе постоянные магниты, которые, в свою очередь, вытесняют электрическую дугу из зазора между контактами (магнитныйобдув) [15].

    Предлагаемый способ коммутации

    Более эффективным методом является уменьшение тока по сравнению с номинальным значением в момент коммутации. В данном методе возможны два варианта реализации.

    Первый вариант — применение реле с многократным запасом по коммутируемому току (актуально при управлении объектами, имеющими сравнительно небольшое энергопотребление).

    Второй вариант — объединение преимуществ полупроводниковых элементов и электромеханических реле в одном схемотехническом решении, а именно реализация безопасного переключения контактов путем параллельного включения к контактам электромеханического реле полупроводникового коммутационного элемента, в частности симистора.

    При этом симистор необходимо использовать сов -местно с драйвером управления, обладающим встроенным детектором нулевой фазы, на основе оптопары, что позволит также обеспечить гальваническую развязку цепей управления от силовых цепей. Сама же катушка реле конструктивно имеет гальваническую

    Цепь Конт.

    УПР1 1

    УПР2 2

    V

    развязку от переключающих контактов.

    Упрощенная схемная реализация совместного использования малогабаритного реле и симистора представлена на рис. 5. Детектор перехода фазы через ноль позволит снизить помехи в сети в моменты коммутации, а также продлит ресурс работы симистора.

    Системы автоматизации жилых зданий в подавляющем большинстве предусматривают наличие управляющего микроконтроллера (МК), поэтому применение драйвера с входом, совместимым с выходами МК, значительно облегчает задачу управления симистором.

    Управление малогабаритным электромеханическим реле наиболее легко осуществлять при помощи цифрового М08ББТ транзистора.

    На схеме, приведенной на рис. 5, слева расположены входы управления реле и симистора. Подача логической единицы на оптрон запускает встроенный детектор нуля, в момент перехода фазы через ноль откроется симистор.

    Нагрузка (см. рис. 5) подключена к силовой цепи. Микроконтроллер программно реализует временную задержку в 100 мс для того, чтобы симистор гарантированно открылся. Затем МК подачей логической единицы на второй вход управления включает реле.

    Контакты реле шунтируют симистор до самого выключения нагрузки, поэтому ток через него не протекает и падения напряжения на нем не происходит, что, в свою очередь, не ведет к его саморазогреву и необходимость в отведении от него тепловой энергии полностью отсутствует, то есть установка радиатора не требуется.

    Выключение нагрузки происходит в обратном порядке. Сперва МК отключит катушку реле и программно реализует временную задержку в 100 мс (эта задержка нужна, чтобы дождаться следующего спада тока нагрузки в полупериоде ниже тока удержания симистора). Затем МК будет подан сигнал на запирание симистора.

    ±Ж

    Конт. Цепь

    1 Нагрузка

    2 Нагрузка

    Рис. 5. Упрощенная схема совместного использования малогабаритного реле и симистор

    6

    2

    Заключение

    В результате проведенных экспериментальных сравнительных испытаний предложенного способа коммутации электрических нагрузок жилых помещений и существующих способов было подтверждено повышение надежности работы системы коммутации, а также увеличение ресурса работы контактной группы электромеханического реле при сохранении небольших габаритов конечного устройства коммутации.

    Особо необходимо отметить, что в предложенном схемотехническом решении полностью исключается необходимость в использовании теплоотвода в виде радиатора для полупроводникового элемента.

    Отказ от использования дополнительного теплоотвода также позволит инженеру-проектировщику осуществлять скрытый монтаж коммутирующего устройства в жилом помещении.

    список литературы

    1. Uskov A.Yu., Lokhov S.P., Faida, E.L., Varganov V.V. An Adaptive Control System of Electric Heating for Residential Premises // Russian Electrical Engineering. Vol. 85. No 4. 2014 / Allerton Press, Inc. New York, USA, 2014. P. 198-201.

    2. https://zen.yandex.ru/media/elektrik/tverdotelnoe-rele-protiv-elektromehaniki-chto-vybrat-5b9a801 f02e24b00aa69df79.

    3. Мощные электромагнитные реле. Справочник инженера.

    Information in English

    СПб., 2001. 152 с.

    4. Курилин С.Л. Электротехнические материалы и технология электромонтажных работ: учеб.-метод. пособие. Гомель: БелГУТ, 2009. 92 с.

    5. https://www.st.com/resource/en/datasheet/bta16.pdf.

    6. https://www.farnell.com/datasheets/1688212.pdf

    7. IR Application Notes: Use Gate Charge to Design the Gate Drive Circuit for Power MOSFETs and IGBTs. AN-944

    8. https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-IKW50N60h4-DataSheet-v02_02-

    EN.pdf?fileId=db3a30432a40a650012a47934b1e2bea

    9. https://www.compel.ru/lib/54169

    10. https://www.te.com/commerce/DocumentDelivery/DDECont roller?Action=showdoc&DocId=Data+Sheet%7FRT1%7F02 19%7Fpdf%7FEnglish%7FENG_DS_RT1_0219.pdf%7F9-1393239-8

    11. http://literature.cdn.keysight.com/litweb/pdf/5988-6917EN.pdf.

    12. http://www.gigavat.com/viklyuchateli_elektricheskaya_duga.php

    13. Чумаков A.B., Илюшин B.C. Теоретические основы электротехники. Базовый конспект лекций. Тула: Тульский государственный университет, 2000. 160 с.

    14. Сапожников В.В., Кравцов Ю.А., Сапожников Вл.В. Теоретические основы железнодорожной автоматики и телемеханики: учебник для вузов ж.-д. транспорта. М.: ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2008. 394 с.

    15. Кривандин С. Мощные контакторы Omron для энергетики, промышленности и транспорта // Электронные компоненты. 2007. № 11. С. 36-40.

    Поступила в редакцию 24 августа 2019 г.

    Method of Switching Electrical Loads of Residential Premises

    Aleksey Yu. Uskov

    Head of Development Department, Development Department, Group of instrument-making companies LLC «Energiya-Istochnik» and LLC «ITeK BBMV», Chelyabinsk, Russia. E-mail: [email protected] ORCID: https://orcid.org/0000-0001-7368-208X.

    Andrey I. Tsimbol

    Head of Design Department, Development Department, Group of instrument-making companies LLC «Energiya-Istochnik» and LLC «ITeK BBMV», Chelyabinsk, Russia.

    Valeriy I. Monastyrenko

    Design Engineer, Development Department, Group of instrument-making companies LLC «Energiya-Istochnik» and LLC «ITeK BBMV», Chelyabinsk, Russia.

    Modern automated systems of management of energy resources of premises (in particular, «Smart house» systems) contain in the structure of the device of switching of electric loadings which are mainly carrying out switching of the alternating current of network of power supply (~220 V, 50 Hz, 16 A). This class of devices is designed to implement the possibility of remote control of electrical loads (on / off), as well as the implementation of automatic operation of the system according to a given script. The article deals with various methods of switching electrical loads of residential premises and electromechanical and semiconductor devices, which are most widely used at the present time. The comparative analysis is carried out and shortcomings of each type of switching devices are revealed. The process of formation of an electric arc in the moments of switching of electromechanical devices is considered. Modern variants of protection or reduction of influence from arc formation in electromechanical devices of commutation leading to erosion of contacts are presented. The

    influence of a particular type of electrical load on the life of an electromechanical relay is considered. Modern semiconductor elements for switching loads in AC networks as well as ways of reducing electromagnetic interference in the networks using them are presented. Promising solutions such as «Snabberless» series triac reducing the total cost of the final product and reducing its weight and dimensions are considered. A method for switching electrical loads of residential premises is proposed, which is based on combining the advantages of electromechanical relays and semiconductor devices. This solution makes it possible both to maintain the small size of the final device and to extend the electrical life of the switching device to a time interval corresponding to the period of major repairs or the entire life of the premises.

    Keywords: switching, electrical load, resistive load, inductive load, electromechanical relay, triac, transient, smart home, control, automation.

    References

    1. Uskov A.Yu., Lokhov S.P., Faida, E.L., Varganov V.V. An Adaptive Control System of Electric Heating for Residential Premises // Russian Electrical Engineering. Vol. 85. No 4. 2014 / Allerton Press, Inc. New York, USA, 2014. P. 198-201.

    2. https://zen.yandex.ru/media/elektrik/tverdotelnoe-rele-protiv-elektromehaniki-chto-vybrat-5b9a801f02e24b00aa69df79.

    3. Moshchnye elektromagnitnye rele. Spravochnik inzhenera [Powerful electromagnetic relays. Engineer Reference]. St. Petersburg, 2001. 152 p. (In Russian)

    4. Kurilin S.L. Elektrotekhnicheskie materialy i tekhnologiya elektromontazhnykh rabot. Uchebno-metodicheskoe posobie [Electrical materials and electrical installation technology. Educational-methodical manual]. Gomel, Belarusian State University of Transport, 2009. 92 p. (In Russian)

    5. https://www.st.com/resource/en/datasheet/bta16.pdf.

    6. https://www.farnell.com/datasheets/1688212.pdf

    7. IR Application Notes: Use Gate Charge to Design the Gate Drive Circuit for Power MOSFETs and IGBTs. AN-944

    8. https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-IKW50N60h4-DataSheet-v02_02-

    EN.pdf?fileId=db3a30432a40a650012a47934b1e2bea

    9. https://www.compel.ru/lib/54169

    10. https://www.te.com/commerce/DocumentDelivery/DDECont roller?Action=showdoc&DocId=Data+Sheet%7FRT1%7F02 19%7Fpdf%7FEnglish%7FENG_DS_RT1_0219.pdf%7F9-1393239-8

    11. http://literature.cdn.keysight.com/litweb/pdf/5988-6917EN.pdf.

    12. http://www.gigavat.com/viklyuchateli_elektricheskaya_duga.php

    13. Chumakov A.V., Ilyushin V.S. Teoreticheskie osnovy el-ektrotekhniki. Bazovyy konspekt lektsiy [Theoretical foundations of electrical engineering. Basic lecture notes]. Tula, Tula State University, 2000. 160 p. (In Russian)

    14. Sapozhnikov V.V., Kravtsov Yu.A., Sapozhnikov Vl.V. Teoreticheskie osnovy zheleznodorozhnoy avtomatiki i telemekhaniki: uchebnik dlya vuzov zhelezno-dorozhnogo transporta [Theoretical foundations of railway automation and telemechanics: textbook for universities of railway transport]. Moscow: GOU «Training center for railway transport industry» Publ., 2008. 394 p. (In Russian)

    15. Krivandin S. Powerful Omron Contactors for Power, Industry, and Transport// Elektronnye komponenty [Electronic components]. 2007. No 11. P. 36-40. (In Russian)

    Усков А.Ю., Цимбол А.И., Монастыренко В.И. Способ коммутации электрических нагрузок жилых помещений // Электротехнические системы и комплексы. 2019. № 4(45). С. 29-34. https://doi.org/10.18503/2311-8318-2019-4(45)-29-34

    Uskov A.Yu., Tsimbol A.I., Monastyrenko V.I. Method of Switching Electrical Loads of Residential Premises. Elektrotekhnicheskie sistemy i kompleksy [Electrotechnical Systems and Complexes], 2019, no. 4(45), pp. 29-34. (In Russian). https://doi.org/10.18503/2311-8318-2019-4(45)-29-34

    Тиристорные коммутаторы нагрузки (10 схем)

    Для включения и отключения нагрузки (ламп накаливания, обмоток реле, электродвигателей и т.п.) зачастую используют тиристоры. Особенность этого вида полупроводниковых приборов и основное их отличие от транзисторов заключается в том, что они обладают двумя устойчивыми состояниями, без каких-либо промежуточных.

    Это состояние «включено», когда сопротивление полупроводникового прибора минимально, и состояние «выключено», когда сопротивление тиристора максимально. В идеале эти сопротивления приближаются к нулю или бесконечности.

    Для включения тиристора на его управляющий электрод достаточно хотя бы кратковременно подать управляющее напряжение. Отключить тиристор (запереть) можно кратковременным выключением питания тиристора, сменой полярности питающего напряжения либо уменьшением тока в нагрузке ниже тока удержания тиристора.

    Обычно включают и отключают тиристорные коммутаторы двумя кнопками. Значительно меньшее распространение получили однокнопочные схемы управления тиристорами.

    Здесь подробно рассмотрены методы однокнопочного управления тиристорными коммутаторами. Принцип работы тиристорных однокнопочных управляющих устройств основан на динамических зарядно-разрядных процессах в цепи управления тиристора [EW 4/01-299].

    Схема однокнопочного управления тиристором

    На рисунке 1 показана одна из простейших схем однокнопочного управления тиристорным коммутатором. В схеме (здесь и далее) используют кнопки без фиксации положения. В исходном состоянии нормально замкнутые контакты кнопки шунтируют цепь управления тиристором.

    Сопротивление тиристора максимально, ток через нагрузку не протекает. Диаграммы основных процессов, протекающих в схеме на рис. 1, рассмотрены на рис. 2.

    Для включения тиристора (ON) нажимают на кнопку SB1. При этом нагрузка оказывается подключенной к источнику питания через контакты кнопки SB1, а конденсатор С1 заряжается через резистор R1 от источника питания.

    Скорость заряда конденсатора определяется постоянной времени цепи R1C1 (см. диаграмму). После того как кнопку отпустят, конденсатор С1 разряжается на управляющий электрод тиристора. Если напряжение на нем равно или превышает напряжение включения тиристора, тиристор отпирается.

    Рис. 1. Принципиальная схема управления тиристором с помощью одной кнопки.

    Рис. 2. Диаграммы основных процессов, протекающих в схеме с тиристором.

    Отключить нагрузку (OFF) можно кратковременным нажатием на кнопку SB1. При этом конденсатор С1 не успевает зарядиться. Поскольку контакты кнопки шунтируют электроды тиристора (анод — катод), это равноценно отключению источника питания тиристора. В результате нагрузка будет отключена.

    Следовательно, для включения нагрузки необходимо с большей продолжительностью нажать на управляющую кнопку, для отключения — еще раз кратковременно нажать ту же кнопку.

    Простые силовые ключи на тиристорах

    На рис. 3 и 4 показаны варианты схемной идеи, представленной на рис. 1. На рис. 3 использована цепочка последовательно соединенных диодов VD1 и VD2 для ограничения максимального напряжения заряда конденсатора.

    Рис. 3. Вариант схемы управления тиристором одной кнопкой.

    Это позволило заметно снизить рабочее напряжение (до 1,5…3 В) и емкость конденсатора С1. В следующей схеме (рис. 4) резистор R1 включен последовательно с нагрузкой, что позволяет создать двухполюсный коммутатор нагрузки. Сопротивление нагрузки должно быть намного ниже, чем сопротивление R1.

    Рис. 4. Схема электронного ключа на тиристоре с последовательным подключением нагрузки.

    Тиристорный коммутатор с двумя кнопками

    Тиристорное устройство управления нагрузкой (рис. 5) может быть использовано для включения и выключения нагрузки любой из нескольких последовательно включенных кнопок, работающих на разрыв цепи. Принцип действия тиристорного коммутатора заключается в следующем.

     

    При включении устройства напряжение, подаваемое на управляющий электрод тиристора, недостаточно для его включения. Тиристор, и, соответственно, нагрузка отключены. При нажатии на любую из кнопок SB1 — SBn (и удержании ее нажатой) конденсатор С1 заряжается через резистор R1 от источника питания. Цепь управления тиристора и сам тиристор при этом отключены.

    Рис. 5. Схема простого тиристорного коммутатора нагрузки с двумя кнопками.

    После отпускания кнопки и восстановления цепи питания тиристора накопленная конденсатором С1 энергия оказывается приложенной к управляющему электроду тиристора. В результате разряда конденсатора через управляющий электрод тиристор включается, подсоединяя тем самым нагрузку к цепи питания.

    Для отключения тиристора (и нагрузки) кратковременно нажимают на любую из кнопок SB1 — SBn. При этом конденсатор С1 не успевает зарядиться. В то же время цепь питания тиристора размыкается, тиристор запирается.

    Величина резистора R2 зависит от напряжения питания устройства: при напряжении 15 В его сопротивление — 10 кОм при 9 В — 3,3 кОм при 5 6-1,2 кОм.

    Схема с эквивалентом тиристора на транзисторах

    При использовании вместо тиристора его транзисторного аналога (рис. 6) величина этого резистора меняется, соответственно, от 240 кОм (15 В) до 16 кОм (9 В) и до 4,7 кОм (5 В).

    Рис. 6. Схема электронного коммутатора нагрузки с транзисторным эквивалентом тиристора.

    Аналог многокнопочного переключателя на тиристорах

    Тиристорное устройство, позволяющее создать аналог многокнопочного переключателя с зависимой фиксацией положения и использующее для управления кнопочные элементы, работающие без фиксации, показано на рис. 7. В схеме может быть использовано несколько тиристоров, однако, для упрощения схемы, на рисунке показано лишь два канала. Другие каналы коммутации могут быть подключены аналогично предыдущим. 

    Рис. 7. Принципиальная схема аналога многокнопочного переключателя с использованием тиристоров.

    В исходном состоянии тиристоры заперты. При нажатии на кнопку управления, например, кнопку SB1, конденсатор С1 относительно большой емкости оказывается подключенным к источнику питания через диоды VD1 — VDm и сопротивления нагрузки всех каналов.

    В результате заряда конденсатора возникает импульс тока, приводящий к кратковременному замыканию анодов всех тиристоров через соответствующие диоды VD1 — VDm на общую шину.

    Любой из тиристоров, если он был включен, отключается. В то же время конденсатор накапливает энергию. После отпускания кнопки конденсатор разряжается на управляющий электрод тиристора, отпирая его.

    Для включения любого другого канала нажимают соответствующую кнопку. Происходит отключение (сброс) ранее задействованной нагрузки и включение новой нагрузки. В схеме предусмотрена кнопка SB0 общего отключения всех нагрузок.

    Многокнопочный переключатель с транзисторным аналогом тиристоров

    Вариант схемы, выполненный на транзисторных аналогах тиристоров и диодно-емкостных зарядных цепочках с использованием малогабаритных конденсаторов, показан на рис. 8, 9.

    Рис. 8. Схема эквивалентной замены тиристора транзисторами.

    В схеме предусмотрена светодиодная индикация включенного канала. В этой связи максимальный ток нагрузки каждого из каналов ограничен значением 20 мА.

    Рис. 9. Схема многокнопочного переключателя с транзисторным аналогом тиристоров.

    Устройства, аналогичные представленным на рис. 7 — 9, а также на рис. 10 — 12, можно использовать для систем выбора программ радио- и телеприемников.

    Недостатком схемных решений (рис. 7 — 9) является то, что в момент нажатия на любую из кнопок все нагрузки оказываются хотя бы на мгновение подключенными к источнику питания.

    Схемы многопозиционных переключателей

    На рис. 10 и 11 показан тиристорный коммутатор разрывного типа с неограниченным количеством последовательно включенных элементов.

    При нажатии на одну из кнопок управления цепь питания аналогов тиристоров размыкается по постоянному току. Конденсатор С1 оказывается включенным последовательно с аналогом тиристора.

    Рис. 10. Схема базового элемента для самодельного многопозиционного коммутатора нагрузки.

    Рис. 11. Принципиальная схема самодельного многопозиционного коммутатора нагрузки.

    Одновременно управляющее напряжение (нулевого уровня) через задействованную кнопку и резистор R2 (рис. 10) подается на управляющий электрод аналога тиристора.

    Поскольку в первые мгновения при нажатии кнопки последовательно с аналогом тиристора оказывается включенным полностью разряженный конденсатор, такое включение равносильно короткому замыканию в цепи питания соответствующего тиристора. Следовательно, тиристор отпирается, включая тем самым соответствующую нагрузку.

    При нажатии на любую другую кнопку ранее задействованный канал отключается, и включается другой канал. При длительном (порядка 2 сек) нажатии на любую из кнопок конденсатор С1 заряжается, что равнозначно размыканию цепи и приводит к запиранию всех тиристоров.

    Схема усовершенствованного электронного переключателя

    Рис. 12. Принципиальная схема тиристорного коммутатора для множества нагрузок.

    В ряду тиристорных коммутаторов наиболее совершенной представляется схема, показанная на рис. 12. При нажатии кнопки управления возникает бросок тока, эквивалентный короткому замыканию.

    Происходит отключение ранее задействованных тиристоров и включение тиристора, соответствующего нажатой кнопке. В схеме предусмотрена светодиодная индикация задействованного канала, а также кнопка общего сброса.

    Вместо конденсаторов большой емкости могут быть использованы диодно-конденсаторные цепочки (рис. 12). Принцип действия схемы сохраняется. В качестве нагрузки можно использовать низковольтные реле, например, РМК 11105 сопротивлением 350 Ом на рабочее напряжение 5 В.

    Резистор R1 ограничивает ток короткого замыкания и ток максимального потребления величиной 10… 12 мА. Количество каналов коммутации не ограничено.

    Литература: Шустов М.А. Практическая схемотехника (Книга 1), 2003 год.

    «Мягкое» включение мощных нагрузок

    «Мягкое» включение мощных нагрузок «Мягкое» включение мощных нагрузок
         В схемах с мощной нагрузкой и большой частотой переключений на смену силовым электромагнитным реле и пускателям пришли силовые полупроводниковые переключатели с оптической развязкой. В настоящее время существуют приборы, позволяющие применять их в системах с непосредственным управлением от логических уровней микросхем типа ТТЛ, ТТЛШ, КМОП и др.
         Для цепей переменного тока предпочтение отдается микросхемам с включением электронного ключа в момент прохождения напряжения через ноль. Это исключает большие импульсные помехи, возникновение коммутационных скачков напряжения из-за фазового сдвига между током и напряжением, а также снижает требования к сетевым фильтрам или позволяет обойтись без них. Самопроизвольное включение силовых симисторов из-за случайных бросков напряжения при коммутации обмоток электроклапанов или электродвигателей может привести к межфазному замыканию. Для устранения этого применяют шунтирование силовых выводов демпфирующей RC-цепью. При включении мощных нагрузок при малых (близких к нулю) напряжениях  существенно уменьшается амплитуда импульсов тока при работе с емкостными нагрузками. Кроме того, симисторы работают в мягком режиме и их надежность резко увеличивается.
         Типичными представителями бесконтактных силовых коммутаторов являются оптоизоляторы МОС3031М/32М/33М, МОС3041М/42М/43М, МОС3061М/62М/63М, МОС3162М/3163М, МОС3081/82/83 [1] (аналогичное описание есть также логотипом Fairchild Semiconductor), выпускаемые в 6-выводном DIP-корпусе (рис.1). Они состоят из инфракрасного излучающего диода, оптически связанного с детектором двухстороннего перехода напряжения через ноль и выходного оптосимистора. Эти элементы удобны для использования с мощными  симисторами, полупроводниковыми реле и другими промышленными элементами управления.
         Микросхемы, маркировка которых заканчивается на 1, 2 и 3 обеспечивают включение нагрузки при подаче на светодиод тока, соответственно равного 15, 10 и 5 мА. Падение напряжения на инфракрасном светодиоде составляет 3 В. Микросхемы, предпоследняя цифра маркировки которых заканчивается на 3, 4, 6 и 8, предназначены для коммутации цепей с максимальным напряжением соответственно 250, 400, 600 и 800 В. Максимальная величина импульсного тока коммутации — 1 А при продолжительности включения 100 мкс. Максимальный непрерывный ток коммутации — 60 мА.
         Схема включения микросхем для управления симистором показана на рис.2. Для МОС303Х/МОС304Х/МОС306Х/МОС308Х сопротивление R1 должно составлять соответственно 180, 360, 360 и 360 Ом, значение R2 — 1 КОм, 330, 360 и 330 Ом. Выходной ток ИМС может достигать 1А, но только в момент включения силового симистора VS1, поэтому нельзя использовать этот выход как релейный, нагружая постоянной нагрузкой. К одному выводу может быть подключен только один симистор. Более мощные симисторы могут быть подключены к микросхеме через промежуточный усиливающие симисторы. Следует учитывать, что рабочие токи, коммутируемые симисторами, зависят от температуры. В таблице приведены рекомендуемые симисторы для непосредственного подключения к приборам. Симисторы должны устанавливаться на радиаторы. Следует учитывать, что рабочие токи, коммутируемые симисторами, зависят от температуры. Устаревшие симисторы типа ТС161 требуют однополярного сигнала включения и не могут работать от этих микросхем.
         В качестве силовых элементов вместо симисторов можно применять тиристоры, включенные встречно-параллельно (рис.3). Номиналы резисторов выбираются в соответствии с рекомендациями к рис.2, диоды — 1N4001.
         В [2] приведены основные типы и параметры модулей российского производства.
         Источники информации
         1. 6-Pin DIP Zero-Cross Optoisolators Triac Driver Output (800 Volts Peak). Motorola Semiconductor Technical data.
         2. Л.Рачинский, А.Санчугов. Новые силовые полупроводниковые гибридные модули с оптической развязкой серии МГТСО. — Силовая электроника, 2006, №2, С.60.
         3. http://www.termodat.spb.ru/out.htm.
         4. О.В.Белоусов. Электронный коммутатор нагрузок. — Радиоаматор, 2007, №11, С.33.
         5. О.В.Белоусов. Электронный коммутатор нагрузок. — Радиолюбитель, 2008, №3, С.12.
         6. В.А.Мельник. Детекторы пересечения нуля сетевым напряжением на микроконтроллере. — Радиокомпоненты, 2008, №3, С.49. — Электрик, 2008, №5, С.64. — Радиомир, 2008, №4, С.23.
         7. А.Кашкаров. Варианты включения безрелейных оконечных электронных узлов. — Радиолюбитель, 2008, №1, С.55.     Рис.1         Рис.2

            Рис.3         Таблица


    meet beautiful russian brides

    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.

    Принципы и схемы симистора

    — Часть 1


    Симистор — это управляемый полупроводниковый полупроводниковый переключатель мощности переменного тока средней и большой мощности. В этой статье, состоящей из двух частей, объясняется его основная работа и показаны различные способы ее использования. Большинство практических схем показывают два набора значений компонентов для использования с обычными бытовыми / коммерческими источниками переменного напряжения 50 Гц или 60 Гц с номинальными значениями либо 240 В (как используется в большинстве стран Европы), либо (в скобках) 120 В (как используется в большинстве США).В каждой конструкции пользователь должен использовать симистор с номинальными характеристиками, соответствующими его или ее конкретному применению.

    Основы симистора

    РИСУНОК 1. Символы симистора.
    РИСУНОК 2. Простой выключатель переменного тока с резистивной (ламповой) нагрузкой.

    Симистор — это трехконтактный (MT1, затвор и MT2) твердотельный тиристор, который использует альтернативные символы на рис. 1 и действует как пара SCR, подключенных обратно параллельно и управляемых через один затвор. Терминал.Он может проводить ток в любом направлении между своими выводами MT1 и MT2 и, таким образом, может использоваться для непосредственного управления мощностью переменного тока. Он может запускаться как положительными, так и отрицательными токами затвора, независимо от полярности тока MT2, и, таким образом, он имеет четыре возможных режима запуска или «квадрантов», обозначенных следующим образом:

    I + Mode = ток MT2 + ve, ток затвора + ve
    I- Mode = ток MT2 + ve, ток затвора -ve
    III + Mode = ток MT2 -ve, ток затвора + ve
    III + Mode = ток MT2 -ve, затвор текущий -ve

    Чувствительность по току триггера является максимальной, когда токи MT2 и затвор имеют одинаковую полярность (либо положительную, либо отрицательную), и обычно примерно вдвое меньше, когда они имеют противоположную полярность.

    На рис. 2 показан симистор, используемый в качестве простого переключателя питания переменного тока, управляющего резистивной ламповой нагрузкой; Предположим, что SW2 закрыт. Когда SW1 разомкнут, симистор действует как разомкнутый переключатель, и лампа пропускает нулевой ток. Когда SW1 замкнут, симистор включается через резистор R1 и автоматически фиксируется вскоре после начала каждого полупериода, таким образом переключая полную мощность на ламповую нагрузку. Симистор автоматически отключается в конце каждого полупериода переменного тока, когда мгновенное напряжение питания (и, следовательно, ток нагрузки) на короткое время падает до нуля.

    В рис. 2 задача R1 состоит в том, чтобы ограничить пиковый мгновенный ток затвора включения симистора до безопасного значения; его сопротивление (в сочетании с сопротивлением нагрузки) должно быть больше, чем пиковое напряжение питания (примерно 350 В в цепи 240 В переменного тока, 175 В в цепи 120 В), деленное на пиковое значение тока затвора симистора (которое обычно указывается в документации производителя симистора). расширенные листы данных).

    Примечание в Рис. 2 (и в большинстве других схем симистора, показанных в этой мини-серии), что — по соображениям безопасности — нагрузка подключена последовательно с линией нейтрали (N) источника переменного тока и главным выключателем. SW2 может изолировать всю цепь от линии под напряжением (L).

    Влияние скорости симистора

    РИСУНОК 3. Простой выключатель питания переменного тока с индуктивной нагрузкой и демпфирующей сетью C1-R2 для подавления скоростного эффекта.

    Большинство симисторов, таких как тиристоры, подвержены проблемам, связанным с «эффектом скорости». Между основными выводами и затвором симистора неизбежно существуют внутренние емкости, и если на любом из основных выводов появляется резко возрастающее напряжение, это может — если его скорость нарастания превышает номинальное значение dV / dt симистора — вызвать достаточный прорыв в цепи. вентиль для срабатывания симистора.Это нежелательное включение «эффекта скорости» может быть вызвано переходными процессами в линии питания; проблема, однако, особенно серьезна при управлении индуктивными нагрузками, такими как электродвигатели, в которых токи и напряжения нагрузки не совпадают по фазе, что приводит к внезапному появлению большого напряжения на основных клеммах каждый раз, когда симистор расцепляется, когда падает его основной ток. почти до нуля в каждом рабочем полупериоде.

    Проблемы с эффектом скорости обычно можно преодолеть, подключив RC ‘демпферную’ сеть между MT1 и MT2, чтобы ограничить скорость нарастания напряжения до безопасного значения, как показано (например) в схеме переключателя мощности симистора в Рисунок 3 , где R2-C1 образуют снабберную сеть.Некоторые современные симисторы имеют повышенные значения dV / dt (обычно 750 В / мСм) и практически невосприимчивы к проблемам, связанным с изменением скорости; эти симисторы известны как «демпферные» типы.

    Подавление радиопомех

    РИСУНОК 4. Базовый диммер лампы переменного тока с подавлением радиопомех через C1-L1.

    Симистор может использоваться для обеспечения переменного управления мощностью переменного тока с помощью техники «переключения с фазовой задержкой», при которой симистор запускается частично в течение каждого полупериода.Каждый раз, когда симистор запускается, его ток нагрузки резко (за несколько микросекунд) переключается с нуля на значение, установленное его сопротивлением нагрузки и мгновенными значениями напряжения питания. В резистивно нагруженных схемах, таких как диммеры ламп, это действие переключения неизбежно генерирует импульс RFI, который является наименьшим, когда симистор срабатывает близко к точкам пересечения нуля 0 ° и 180 ° формы сигнала линии питания (в которых переключатель -включенные токи минимальны) и максимальны, когда устройство срабатывает под углом 90 ° после начала каждого полупериода (когда токи включения максимальны).

    Импульсы радиопомех возникают с частотой, вдвое превышающей частоту питающей сети, и могут очень раздражать. В диммерах лампы радиопомехи обычно можно устранить, оснастив диммер простой сетью фильтров L-C, как показано на , рис. 4 . Фильтр устанавливается рядом с симистором и значительно снижает скорость нарастания токов в сети переменного тока.

    РИСУНОК 5. Символ диак.

    Диаки и квадраки

    Диак — двунаправленное триггерное устройство с двумя выводами; он может использоваться с напряжениями любой полярности и обычно используется вместе с симистором; На рис. 5 показан символ схемы.Основное действие диака таково, что при подключении к источнику напряжения через токоограничивающий нагрузочный резистор он действует как высокий импеданс, пока приложенное напряжение не возрастет примерно до 35 В, после чего он срабатывает и действует как низкоомный 30 В. стабилитрон, и 30 В вырабатывается через диак, а оставшиеся 5 В появляются на нагрузочном резисторе. Диак остается в этом состоянии до тех пор, пока его прямой ток не упадет ниже минимального удерживаемого значения (это происходит, когда напряжение питания упадет ниже значения стабилитрона 30 В), после чего диак снова выключится.

    РИСУНОК 6. Базовая схема диммера лампы диакритического типа с переменной фазовой задержкой. Рисунок 7. Символ квадрак.

    Диак наиболее часто используется в качестве триггерного устройства в приложениях с регулируемой мощностью симистора с синхронизацией по фазе, как в базовой схеме диммера лампы , рис. 6, . Здесь, в каждом полупериоде линии электропередачи, сеть R1-RV1-C1 применяет версию полупериода с переменной фазовой задержкой к затвору симистора через диак, и когда напряжение C1 повышается до 35 В, диак срабатывает и подает пусковой импульс 5 В (от C1) на затвор симистора, тем самым включая симистор и одновременно подавая питание на ламповую нагрузку и отключая привод от RC-сети.Таким образом, средняя мощность нагрузки (интегрированная за полный период полупериода) полностью изменяется от почти нуля до максимума через RV1.

    В первые дни разработки симистора некоторые специализированные устройства производились со встроенным диаком, последовательно соединенным с затвором симистора; такие устройства были известны как квадраки и использовали обозначение цепи , рис. 7, . Квадраки не имели коммерческого успеха, и теперь они устарели.

    Варианты выключателя питания переменного тока

    Самым простым типом переключателя питания симистора является переключатель , рис. 2 , в котором симистор включается через R1, когда SW1 замкнут; только 1 В или около того генерируется на симисторе, когда он включен, поэтому R1 и SW1 потребляют очень мало средней мощности; На рис. 3 показана та же схема, снабженная «демпфирующей» сетью.Есть много полезных вариаций этих основных схем. На рисунке 8 , например, показана версия, которая может запускаться через источник постоянного тока переменного тока. C1 заряжается (через R1-D1) до + 10 В на каждом положительном полупериоде линии питания переменного тока, и этот заряд запускает симистор, когда SW1 замкнут. Обратите внимание, что R1 постоянно находится под почти полным напряжением сети переменного тока и, следовательно, требует довольно высокой номинальной мощности, и что все части этой цепи находятся под напряжением, что затрудняет взаимодействие с внешней схемой управления.

    РИСУНОК 8. Выключатель питания переменного тока с запуском по переменному току постоянного тока. РИСУНОК 9. Выключатель переменного тока с изолированным входом (оптронной связью), срабатывает постоянный ток.


    На рисунке 9 показана приведенная выше схема, модифицированная для обеспечения «изолированного» взаимодействия с внешней схемой управления. SW1 просто заменяется транзистором Q2, который управляется со стороны фототранзистора оптопары.Светодиод соединителя питается от внешнего источника постоянного тока через R1, а симистор включается только тогда, когда SW1 замкнут; При желании SW1 можно заменить электронной схемой переключения.

    РИСУНОК 10. Выключатель переменного тока с изолированным входом, срабатывающий по переменному току. РИСУНОК 11. Выключатель переменного тока с транзисторным запуском по постоянному току.


    На рисунке 10 показан вариант, в котором симистор запускается переменным током в каждом полупериоде через импеданс переменного тока C1-R1 и через встречные стабилитроны ZD1-ZD2, а C1 рассеивает почти нулевое значение. мощность.Мостовой выпрямитель D1-D4 подключен к сети ZD1-ZD2-R2 и нагружен Q2. Когда Q2 выключен, мост фактически открыт, и симистор включается в каждом полупериоде, но когда Q2 включен, на ZD1-ZD2-R2 появляется короткое замыкание, и симистор выключен. Q2 управляется через оптопару от изолированной внешней цепи, и симистор включен, когда SW1 открыт, и выключен, когда SW1 закрыт.

    РИСУНОК 12. Выключатель переменного тока с изолированным входом и запуском по постоянному току.

    На рисунках 11 и 12 показаны варианты, в которых симистор запускается через источник постоянного тока, полученный от трансформатора, и транзисторный переключатель. В , рис. 11, , Q2 и симистор оба включены, когда SW1 замкнут, и выключены, когда SW1 разомкнут. На практике SW1 может быть заменен электронной схемой, позволяющей активировать симистор с помощью тепла, света, звука, времени и т. Д. Обратите внимание, однако, что вся эта схема находится под напряжением.’ На рисунке 12 показана схема, модифицированная для работы оптопары, что позволяет активировать ее через полностью изолированную внешнюю схему.

    Запуск UJT

    Другой способ получить полностью изолированное переключение симистора — использовать схемы UJT на рисунках , рисунки 13, и , 14, , в которых UJT является старым типом 2N2646 или современным почти эквивалентом. В этих схемах триггерное действие обеспечивается генератором UJT Q2, который работает на частоте нескольких кГц и подает выходные импульсы на затвор симистора через импульсный трансформатор T1, который обеспечивает желаемую «изоляцию».«Из-за своей довольно высокой частоты колебаний, UJT запускает симистор в пределах нескольких градусов от начала каждого полупериода линии питания переменного тока, когда генератор активен.

    РИСУНОК 13. Выключатель переменного тока с изолированным входом (с трансформаторной связью). РИСУНОК 14. Выключатель питания переменного тока с изолированным входом.


    На рис. 13 , Q3 включен последовательно с главным синхронизирующим резистором UJT, поэтому UJT и симистор включаются только при замкнутом SW1.В рис. 14 Q3 подключен параллельно с главным конденсатором синхронизации UJT, поэтому UJT и симистор включаются только при разомкнутом SW1.

    РИСУНОК 15. Типичная схема и рабочие характеристики симистора с оптопарой.
    Рис. 16. Управление лампой малой мощности через симистор с оптронной связью.

    Симисторы с оптронами

    Затворные переходы «голого» симистора по своей природе светочувствительны, поэтому симистор с оптопарой может быть изготовлен путем установки «голого» симистора и светодиода близко друг к другу в одном корпусе. Рисунок 15 показывает схему и перечисляет характеристики типичной шестиконтактной версии DIL такого устройства, в которой светодиод имеет максимальный номинальный ток 50 мА, симистор имеет максимальные номинальные значения 400 В и 100 мА RMS (и номинальный ток 1,2 А для 10 мс), и весь пакет имеет номинальное напряжение изоляции 1,5 кВ и типичную чувствительность срабатывания триггера по входному току 5 мА.

    Симисторы с оптопарой

    просты в использовании и обеспечивают отличную гальваническую развязку между входом и выходом.Вход используется как обычный светодиод, а выход как маломощный симистор. На рисунке 16 показано устройство, используемое для активации лампы накаливания с питанием от сети переменного тока, которая должна иметь номинальное значение RMS ниже 100 мА и пиковое значение пускового тока ниже 1,2 А.

    РИСУНОК 17. Управление высокой мощностью через ведомый симистор. РИСУНОК 18. Включение индуктивной нагрузки.


    На рисунке 17 показан симистор с оптопарой, используемый для активации ведомого симистора, тем самым управляя нагрузкой любой желаемой номинальной мощности.Эта схема подходит для использования только с неиндуктивными нагрузками, такими как лампы и нагревательные элементы. Его можно модифицировать для использования с индуктивными нагрузками, такими как электродвигатели, с помощью соединений в Рисунок 18 . Здесь сеть R2-C1-R3 обеспечивает некоторый фазовый сдвиг для сети симисторного затвора-привода, чтобы гарантировать правильное срабатывание симистора, а R4-C2 образуют демпферную сеть для подавления эффектов скорости.

    Синхронное переключение мощности без напряжения

    Синхронный переключатель мощности с нулевым напряжением (или с интегральным циклом) — это переключатель, в котором симистор неизменно включается сразу после начала каждого полупериода мощности (т.е.е., около точки нулевого напряжения формы сигнала), а затем снова автоматически отключается в конце, создавая минимальные радиопомехи. В большинстве схем переключения мощности, показанных до сих пор в этой статье, симистор включается в произвольной точке своего начального полупериода включения, таким образом создавая потенциально высокий начальный всплеск радиопомех, но затем дает синхронное действие переключения при нулевом напряжении. на всех последующих полупериодах.

    Истинно синхронная цепь с нулевым напряжением использует систему переключения, показанную на рис. 19 , в которой симистор может быть включен только около начальной точки или точки «нулевого напряжения» каждого полупериода и, таким образом, создает минимальные радиопомехи.Эта система широко используется для включения / выключения сильноточных нагрузок, таких как электрические нагреватели и т. Д.

    РИСУНОК 19. Система синхронного переключения питания переменного тока нулевого напряжения. РИСУНОК 20. Выключатель синхронного переменного тока.


    На рисунке 20 показан практический синхронный выключатель питания переменного тока с нулевым напряжением; 10 В постоянного тока вырабатывается переменным током через R7-D1-ZD1 и C2 и переключается на затвор симистора через Q2, который управляется через SW1 и детектор нулевого напряжения Q3-Q4-Q5 и может обеспечивать ток затвора только при включенном SW1. закрыт, а Q3 выключен.

    РИСУНОК. 21 Альтернативный вариант переключателя синхронного питания переменного тока.

    В детекторе нулевого напряжения Q4 или Q5 включаются всякий раз, когда напряжение сети переменного тока больше или меньше на несколько вольт (установлено RV1) выше или ниже нуля, тем самым активируя Q3 через R5 и блокируя Q2. Таким образом, ток затвора может подаваться на симистор только тогда, когда SW1 замкнут, а мгновенное линейное напряжение переменного тока находится в пределах нескольких вольт от нуля; Таким образом, эта схема генерирует минимальные радиопомехи переключения.

    На рисунке 21 показана схема, измененная таким образом, что симистор может включаться только при разомкнутом переключателе SW1. Обратите внимание, что в обоих случаях на симистор подается только узкий импульс тока затвора, и поэтому средний ток затвора составляет всего 1 мА или около того. SW1 при желании может быть заменен электронным переключателем или оптопарой, что позволяет активировать нагрузку по свету или температуре, по времени и т. Д.

    На практике, самый простой способ создания действительно эффективной синхронной схемы управления симистором «нулевого напряжения» — это использование специальной ИС, которая функционирует как маломощный синхронный симистор «нулевого напряжения» с оптопарой, который может легко использоваться в качестве ведомого устройства для синхронного управления обычным высокомощным симистором.

    В следующем и заключительном эпизоде ​​будут представлены практические детали таких схем, а также другие схемы и информация, относящиеся к симисторам. NV

    Учебное пособие по схемам для проектов

    Basic Triac-SCR

    от Льюиса Лофлина

    На этой странице обсуждаются базовые симисторы и тиристоры. Симистор — это двунаправленный трехконтактный двойной тиристорный переключатель (SCR). Это устройство может переключать ток в любом направлении, подавая небольшой ток любой полярности между затвором и вторым главным контактом.

    Симистор изготовлен путем объединения двух тиристоров в обратном параллельном соединении. Он используется в приложениях переменного тока, таких как регулирование яркости света, управление скоростью двигателя и т. Д. Симисторы также могут использоваться в микроконтроллере управления мощностью со схемой фазовой синхронизации.

    Если кто-то не знаком с диодами и выпрямлением переменного тока, см. Следующее:


    Включение / выключение диода

    На рисунке выше изображен кремниевый управляемый выпрямитель (SCR) или тиристер.Это диод с «затвором». SCR не только проводит в одном направлении, как любой другой диод, но и затвор позволяет отключать и отключать саму проводимость. Когда переключатель ON нажат, SCR включается, и ток течет с отрицательного на положительный через SCR и нагрузку. После включения SCR будет оставаться включенным до тех пор, пока не будет нажат выключатель, нарушающий текущий путь.

    Обратите внимание, что переключатель ON называется «нормально разомкнутым» (Н.О.) и при нажатии замыкает (замыкает) соединение.Выключатель OFF, называемый «нормально замкнутым» (Н.З.), разрывает (размыкает) соединение при нажатии. Оба они кнопочные.

    В цепи над нагрузкой есть лампа постоянного тока. Нажмите переключатель S1, и включатся и будут продолжать оставаться включенными, пока не будет нажат переключатель S2.

    В этом примере мы разместили диод последовательно с переключателем включения / выключения затвора. Когда вы нажимаете переключатель ON, двигатель запускается, загорается свет и т. Д. Когда переключатель отпускается, питание прекращается без использования переключателя OFF.Это связано с тем, что входное напряжение переменного тока возвращается к нулю вольт на 180 и 360 градусов, отключая SCR. И как диод, SCR проводит только половину цикла.

    В этом примере схемы мы разместили переменный резистор (потенциометр) последовательно с диодом затвора. (Это было также известно как ручка регулировки громкости старого стиля.) «Поворачивая ручку», мы можем изменить точку срабатывания при включении SCR только части полупериода или, если сопротивление достаточно, выключить SCR.


    Это иллюстрирует процесс с полноволновым нефильтрованным D.C.

    В другом примечании мы можем управлять двухполупериодным пульсирующим нефильтрованным постоянным током с помощью тиристора. См. Также «Основы выпрямления и фильтрации переменного тока»

    .

    Подробнее см. Что такое светоактивированный кремниевый управляемый выпрямитель? (LASCR) и спецификация оптопары h21C6 SCR. (PDF файл)

    Выше представлена ​​практическая схема тестирования SCR. Лампа загорится только при нажатии Sw3. Лампа будет иметь половинную яркость, потому что тиристор действует как полуволновой выпрямитель. R4 может находиться в диапазоне от 100 до 470 Ом.Лампа должна быть полностью выключена, если выключатель не нажат или устройство не неисправно. (Полностью или частично закорочены.)

    Эта схема также хороша для сравнения различных тиристоров одного и того же номера детали. Например, однажды у меня была неисправная печатная плата с шестью тиристорами, но один тиристор из шести при работе включался при совершенно другом напряжении срабатывания триггера, чем остальные пять. Лампа имела другой уровень яркости, чем остальные пять. Замена этого одного SCR устранила эту очень дорогую печатную плату.


    Введение в симисторы

    Симистор — это твердотельный переключатель переменного тока. Небольшой ток на клемме затвора может переключать очень большие токи переменного тока. Думайте о симисторе как о двух последовательно соединенных тиристорах, в которых катод одного тиристора соединен с анодом другого и наоборот. Ворота соединены между собой. Поскольку у нас есть две конфигурации типа SCR, можно переключать оба полупериода.

    Примечание: я видел бумажные примеры использования двух тиристоров в качестве симистора, но это может не работать так же! Остерегайтесь этого.

    В приведенном выше примере замыкание переключателя приведет к включению симистора. Идея состоит в том, чтобы использовать небольшой переключатель малой мощности для управления устройствами большой мощности, такими как двигатели или нагреватели. Опасность здесь заключается в том, что на самом переключателе присутствует высокое напряжение переменного тока. Это также может быть большой проблемой для твердотельных контроллеров, если они не используют небольшое реле, которое некоторые микроволновые печи делают именно так.

    Выше представлена ​​практическая испытательная схема TRIAC. Нажмите любой переключатель, и лампа включится с половинной яркостью. Сожмите оба вместе на полную яркость.Это позволяет тестировать обе стороны SCR по отдельности. Яркость должна быть одинаковой для обеих сторон, иначе TRIAC неисправен. Когда ни один переключатель не нажат, лампа должна быть полностью выключена. R1 и R2 должны быть в диапазоне от 100 до 470 Ом.


    Симисторная схема с лучшим откликом и диак.

    Ключ к успешному срабатыванию симистора — убедиться, что затвор получает свое пусковое напряжение со стороны главной клеммы 2 схемы (основной клеммы на противоположной стороне символа TRIAC от клеммы затвора).Идентификация клемм Mt1 и Mt2 должна выполняться по номеру детали TRIAC со ссылкой на технический паспорт или книгу.

    DIAC, или «диод переменного тока», представляет собой триггерный диод, который проводит ток только после того, как его напряжение пробоя было кратковременно превышено. Когда это происходит, сопротивление DIAC резко уменьшается, что приводит к резкому уменьшению падения напряжения на самом DIAC, что приводит к резкому увеличению тока, протекающего через затвор симистора.

    Это обеспечивает быстрое и чистое резание TRIAC.DIAC остается в режиме проводимости до тех пор, пока напряжение не упадет до очень низкого значения, намного ниже напряжения срабатывания. Это называется удерживающим током. Ниже этого значения диак снова переключается в состояние высокого сопротивления (выключено). Это двунаправленное поведение, то есть обычно одинаковое как для положительного, так и для отрицательного полупериодов.

    Большинство DIAC имеют напряжение пробоя около 30 В. Таким образом, их поведение в некоторой степени похоже на (но гораздо более точно контролируется и происходит при более низких напряжениях, чем) неоновая лампа.

    ЦИАП

    не имеют электрода затвора, в отличие от некоторых других тиристоров. Некоторые TRIAC содержат встроенный DIAC последовательно (я никогда не видел такого в полевых условиях) с терминалом «затвора» TRIAC для этой цели. ДИАП также называют симметричными триггерными диодами из-за симметрии их характеристической кривой. Поскольку DIAC являются двунаправленными устройствами, их выводы помечены не как анод и катод, а как A1 и A2 или Mt1 («Главный вывод») и Mt2. Большинство листов спецификаций не удосуживаются маркировать A1 / A2 или Mt1 / Mt2.

    Также см. Как проверить DIAC


    Диммер для коммерческих ламп в странах с напряжением 220 В. Br100 — диак.

    Диак обеспечивает более чистое переключение симистора. Диоды — это специализированные диоды Шокли, соединенные спина к спине.


    Демпферы

    Демпферная цепь (обычно RC-типа) часто используется между MT1 и MT2. Демпфирующие цепи используются для предотвращения преждевременного срабатывания, вызванного, например, скачками напряжения в сети переменного тока или индуктивными нагрузками, такими как двигатели.Кроме того, резистор затвора или конденсатор (или оба параллельно) могут быть подключены между затвором и MT1 для дальнейшего предотвращения ложного срабатывания. Это может увеличить требуемый ток запуска и, возможно, задержку выключения при разрядке конденсатора.

    В этой схеме выше «горячая» сторона линии переключается, а нагрузка подключается к холодной или заземленной стороне. Резистор на 100 Ом и конденсатор 0,1 мкФ предназначены для демпфирования симистора. Эти компоненты должны использоваться с индуктивными нагрузками, такими как двигатели, контакторы и т. Д.

    Для получения дополнительной информации о вышеуказанном оптроне см. Оптоизолятор серии moc30xx (файл в формате pdf)

    Коммутация нагрузки переменного тока с использованием симистора

    TRIAC (триод для переменного тока) — идеальный переключатель силовой электроники для использования в коммутации приложений , поскольку он может управлять протеканием тока как в положительном, так и в отрицательном полупериоде переменного тока . Он также имеет преимущество в более низкой стоимости по сравнению с тиристорной схемой с задними контактами. Для управления током до 4 А, напряжением до 600 В и низким пусковым током я рекомендовал симистор, кроме того, тиристор с задними контактами может работать нормально.

    Управление высоковольтными устройствами с помощью оптически изолированного устройства силовой электроники дает преимущества управления напряжением. Эта простая схема TRAIC BT136 и оптопара MOC3021 могут управлять высоковольтными устройствами с микроконтроллера. Например, Arduino для управления лампочкой 230/220 В или любым устройством, работающим от высокого напряжения. Эта схема также может работать для приложений регулирования яркости и скорости с использованием сигнала ШИМ от Arduino.

    Поскольку TRIAC имеет двунаправленный клапан, эта схема используется для приложений переменного и постоянного тока.

    Работа TRIAC CIRCUIT

    Во время включения:
    Когда 5 В / 3,3 В подается от микроконтроллера на оптопару, устройства MOC3021 содержат инфракрасные излучающие диоды на основе арсенида галлия на выводах 1 и 2. Этот диод излучает инфракрасное зажигать и запускать оптически связанный светом активированный кремниевый двусторонний переключатель на контактах 6 и 4, который позволяет току течь между ними. Этот источник питания обеспечивает ток GATE для затвора TRIAC (вывод 3 TRIAC), а TRIAC проводит основной ток между выводами MT1 и MT2.

    В состоянии ВЫКЛЮЧЕНО:
    Когда 0 В подается между контактами 1 и 2 оптопары, контакты 6 и 4 действуют как разомкнутые переключатели и не допускают протекания тока между ними, так как нет тока GATE на триак он перестает проводить.

    Работа TRIAC CIRCUIT

    Во время включения:
    Когда 5 В / 3,3 В подается от микроконтроллера на оптопару, устройства MOC3021 содержат инфракрасные излучающие диоды на основе арсенида галлия на контактах 1 и 2.Этот диод излучает инфракрасный свет и запускает оптически связанный световой кремниевый двусторонний переключатель на контактах 6 и 4, который позволяет току течь между ними. Этот источник питания обеспечивает ток GATE для затвора TRIAC (вывод 3 TRIAC), а TRIAC проводит основной ток между выводами MT1 и MT2.

    В состоянии ВЫКЛЮЧЕНО:
    Когда 0 В подается между контактами 1 и 2 оптопары, контакты 6 и 4 действуют как разомкнутые переключатели и не допускают протекания тока между ними, так как нет тока GATE на триак он перестает проводить.

    Недостатки TRIAC

    В нормальном режиме отказа электромеханическое реле действует как разомкнутый переключатель, в то время как все SSR (переключатели силовой электроники) действуют как короткое замыкание. Что может привести к непрерывному питанию нагрузки в случае отказа.

    Схема симистора

    и проектирование схем »Электроника

    В отличие от тиристоров или тиристоров, симисторные схемы могут переключать обе половины переменного сигнала, что делает их идеальными для многих приложений управления и переключения переменного тока.


    Конструкция схемы тиристора Включает:
    Праймер для разработки схемы тиристора Схема работы Конструкция пусковой / пусковой цепи Лом перенапряжения Цепи симистора


    Существует множество схем, в которых можно использовать симисторы — часто они используются для коммутации и управления с относительно низким энергопотреблением в таких ситуациях, как диммеры домашнего освещения, небольшие регуляторы отопления и тому подобное.

    В схемах такого типа симистор является очень полезным устройством, позволяющим проектировать схемы с использованием минимального количества компонентов.

    Цепи симистора

    могут быть очень простыми, требующими всего нескольких компонентов, и они способны обеспечить хорошую степень управления и переключения, хотя они, как правило, не используются для высоких уровней мощности, когда два дискретных тиристора, расположенных напротив друг друга, обеспечивают лучшую производительность.

    Технология симистора

    Симистор можно рассматривать как два тиристора или тиристора, расположенные вплотную друг к другу, чтобы приспособить обе половины цикла формы сигнала переменного тока. Будучи единым устройством, это дает значительные преимущества, особенно для бытовых товаров, где стоимость имеет первостепенное значение.

    Симистор обладает тем свойством, что при подаче триггера на затвор устройство включается и остается проводящим до тех пор, пока напряжение на анодах или основных выводах устройства не упадет ниже определенного значения — номинально, когда напряжение питания упадет почти до нуля. . Это состояние возникает, когда переменная форма волны пересекает линию нулевого напряжения, и таким образом симистор может управлять каждой половиной сигнала.

    Форма волны переключения симистора
    Примечание по технологии компонентов симистора:
    Симисторы

    можно рассматривать как встречные тиристоры, но, если они содержатся в одном устройстве, их технология и работа немного сложнее.

    Подробнее о Технология компонентов симистора

    Схема простого симисторного переключателя

    Симистор может функционировать как переключатель — он может позволить запускающему импульсу переключателя малой мощности включить симистор для управления гораздо более высокими уровнями мощности, что возможно с помощью простого переключателя.

    Схема

    простого переключателя симистора В этой схеме резистор R1 может быть 100R или более в зависимости от рассматриваемого симистора.

    Симистор с регулируемой мощностью или диммерная цепь

    Одна из самых популярных схем симистора изменяет фазу на входе симистора для управления мощностью, которая может рассеиваться в нагрузке.Это форма схемы, которая широко используется в схемах для диммеров лампы накаливания в домашних условиях. К сожалению, эта простая схема не подходит для светодиодов, так как она ограничивает передний фронт формы волны, а для светодиодов обычно требуется обрезка заднего фронта.

    Эта схема работает, потому что цепи конденсатора и резистора требуется время для зарядки конденсатора — форма волны на стыке конденсатора и резистора эффективно задерживается, и это задерживает включение симистора в цепи.Поскольку симистор включается частично через половину каждого цикла, это означает, что общая мощность в цепи снижается.

    Базовая схема симистора, использующая фазу входного сигнала для управления рассеиваемой мощностью в нагрузке.

    Обратите внимание на диак, расположенный в цепи рядом с затвором симистора. Это необходимо, потому что характеристики переключения симисторов не особенно симметричны от одной полуволны к следующей половине, как подробно описано ниже. Это связано со структурой симистора.

    Проблемы с цепями симистора

    Симисторы

    не являются полным решением для всех требований к коммутации переменного тока. При использовании симисторов в различных схемах возникают некоторые проблемы, и их необходимо учитывать при проектировании схем.

    Некоторые из эффектов, которые следует учесть в схемотехнике, указаны ниже:

    • Эффект dV / dt: Симисторы страдают от проблемы, иногда называемой эффектом скорости или эффектом dV / dt. Если на любой из основных клемм произойдет резкое изменение напряжения, превышающее номинальное значение dV / dt, это может вызвать прорыв в затвор, достаточный для включения симистора.Эти переходные процессы могут возникать в результате всплесков переключения или электрических разрядов, переносимых по линиям электропередачи. Другая причина переходных процессов может возникнуть при возбуждении индуктивных нагрузок, например двигателей. Здесь линейные токи и напряжения могут быть не в фазе, и при этих обстоятельствах могут внезапно появиться большие напряжения, которых достаточно, чтобы превысить номинальное значение dV / dt симистора. Это происходит из-за того, что симистор размыкается, когда ток на его главном выводе падает почти до нуля в течение каждого рабочего полупериода.

      Базовая схема симистора с переходным демпфером Эту проблему можно в значительной степени решить, добавив к линии подавитель переходных процессов — резистор R1, возможно, около 100R и последовательный конденсатор, C2, возможно, около 10 нФ или 100 нФ, в зависимости от установки. Помните, что конденсатор должен выдерживать напряжение (и ток), а резистор должен быть достаточно большим, чтобы рассеивать требуемую энергию, особенно пик напряжения. Для обычных линий электропередачи на 240 вольт конденсатор должен иметь рабочее напряжение не менее 400 вольт, а желательно больше.

    • Эффект люфта: Этот эффект, встречающийся в некоторых схемах симистора, возникает, когда потенциометр и конденсатор используются для управления напряжением затвора.

      Было обнаружено, что если потенциометр повернут на минимальное значение, то отсутствует путь утечки для разряда емкости симистора MT1 — MT2, препятствующий включению симистора. Решение состоит в том, чтобы установить резистор высокого номинала, чтобы позволить этой емкости разряжаться.

    • Несимметричный обжиг: Из-за внутренней конструкции испытаний существуют небольшие различия между секциями для покрытия различных полупериодов.Это приводит к несимметричному срабатыванию симистора и, в свою очередь, к генерации высоких уровней гармоник, которые могут быть плохими для характеристик ЭМС и т. Д. Хотя действие симистора, даже симметричное переключение, будет генерировать гармоники, асимметрия вызовет должны быть созданы гораздо более высокие уровни, вызывающие более высокие уровни помех. Чтобы помочь преодолеть эту проблему и обеспечить гораздо более определенный сигнал триггера затвора для схемы симистора, диак обычно включается последовательно с затвором.

      Диак может улучшить характеристики схемы симистора, потому что его коммутационная характеристика намного лучше, чем у симистора. Поскольку диак предотвращает протекание любого тока затвора до тех пор, пока не будет достигнуто триггерное напряжение диакритического сигнала около 35 вольт, это делает точку зажигания симистора более равной для обеих полярностей.

      Несколько лет назад были разработаны и проданы пробные версии, в которых диски включались в комплект. Однако по какой-то причине они не имели коммерческого успеха и были прекращены.

    • Фильтрация гармоник: Любая переключающая цепь, которая переключается во время сигнала, например, симистор, будет генерировать гармоники. Еще хуже, если срабатывание несимметрично. Эти гармоники могут вызвать помехи, которые могут повлиять на поглощение другого электронного оборудования в непосредственной близости, особенно при использовании беспроводной связи. Хотя лучше всего удалить любые гармоники в источнике для ЭМС, даже если установлен диак, вероятно, потребуется некоторая фильтрация для удаления гармоник.

      Базовая схема симистора с фильтром гармоник / помех Для большинства схем симистора простой LC-фильтр обеспечит достаточно хорошую фильтрацию. Катушка индуктивности небольшой серии RFC1 и конденсатор C2 на симисторе обычно обеспечивают достаточное затухание для многих приложений. Дроссель около 100 мкГн вместе с конденсатором 0,1 мкФ обычно работает достаточно хорошо. Дроссель должен выдерживать ток, а конденсатор — напряжение. Если напряжение сети / линии электропередачи переключается, как в случае с диммером, конденсатор должен выдерживать пиковое линейное напряжение, которое в √2 раза больше среднеквадратичного напряжения, плюс хороший запас для компенсации любых переходных процессов, которые могут возникнуть. линия.Конденсаторы с номинальным напряжением 400 В часто используются для сетей с напряжением 240 В.

    Можно использовать множество схем симистора. Базовые схемы очень просты и обеспечивают хорошую производительность там, где требуется такой уровень функциональности. Функцией переключения также можно управлять с помощью процессора, что позволяет разрабатывать очень интеллектуальные формы схемы забастовки.

    Другие схемы и схемотехника:
    Основы операционных усилителей Схемы операционных усилителей Цепи питания Конструкция транзистора Транзистор Дарлингтона Транзисторные схемы Схемы на полевых транзисторах Условные обозначения схем
    Вернуться в меню «Конструкция схемы».. .

    Симистор-транзистор

    — MagneLink, inc.

    Симисторный переключатель — это полупроводниковое устройство, используемое в цепи переменного напряжения, которая расширяется на типичное тиристорное устройство. Симисторные переключатели состоят из двух параллельных тиристоров, которые перевернуты, так что их два вывода затвора соединены друг с другом. В отличие от обычного тиристора, который может управлять током только в течение половины цикла, симисторные переключатели могут управлять током в обеих частях волны переменного тока.Благодаря такой конструкции симисторные переключатели могут активироваться как положительными, так и отрицательными зарядами.

    Симисторные переключатели обычно используются с тяжелыми индуктивными нагрузками в широком спектре приложений, в которых используются цепи переменного напряжения. Эти переключатели чаще всего используются для управления мощностью в системах переменного тока с более высокими требованиями к коммутации мощности. Их часто используют для управления различными осветительными приборами, в том числе диммерными переключателями. Многие небольшие двигатели и вентиляторы охлаждения в широком спектре различного оборудования также используют симисторные переключатели.Симисторные переключатели превосходно подходят для прямого управления реле и / или катушками стартера в двигателях, используемых в цепях переменного тока.

    С другой стороны, транзисторные переключатели

    работают с цепью постоянного напряжения. Как и симисторные переключатели, они предназначены для использования с большими индуктивными нагрузками, но устроены несколько иначе. Транзисторные переключатели — это полупроводниковые устройства, в которых используется транзистор, чей базовый вывод смещен по-разному, для включения или выключения выхода цепи постоянного тока. Когда через транзистор проходит небольшой ток, он проталкивает больший ток через транзистор в схему управления.

    Транзисторные переключатели обычно используются в приложениях с большей мощностью, чем герконовые переключатели. Они хорошо работают, напрямую управляя реле и / или двигателями и двигателями. Кроме того, они часто встречаются в микрочипах компьютеров и калькуляторов, в картах и ​​в автомобилях.

    Чтобы узнать больше о наших симисторных и транзисторных переключателях и их применениях, свяжитесь с нами.

    Почему симисторы в цепи создают мерцание или шум в нагрузке и как их минимизировать?

    Шум генерируется во всех полупроводниковых приборах, включая симисторы.Симисторы используются в таких устройствах переключения мощности, как цепи управления инвертором или двигателем. Симисторы и тиристоры (кремниевые выпрямители или тиристоры) используются в приложениях переключения мощности, поскольку они могут выдерживать высокие напряжения и токи.

    Типичная схема применения симистора показана на рис. 1. В основном симистор имеет два тиристора: один проводит в течение положительного полупериода входного напряжения, а другой — во время отрицательного полупериода. Когда терминал затвора срабатывает, ток может течь либо от МТ1 к МТ2, либо от МТ2 к МТ1.

    Рисунок 1: Типичная прикладная схема переключения симистора

    Напряжение запуска (VGT), приложенное к клемме затвора, может быть положительным или отрицательным по отношению к MT2. Но они не срабатывают симметрично, вызывая различия в положительных и отрицательных полупериодах выхода. Это приводит к высокоуровневым гармоникам, вызывающим шум, и вызывает электромагнитные помехи (EMI) в цепи.

    Цепи переключения симистора

    более подвержены шуму, потому что при включении нагрузки ток внезапно возрастает от нуля до максимального значения, создавая всплески электрических импульсов, которые вызывают радиочастотные помехи (RFI).Чем больше ток нагрузки, тем хуже будут помехи.

    В электрически зашумленной среде может произойти ложное срабатывание затвора, если шумовое напряжение на затворе превышает VGT и протекает достаточно тока затвора, чтобы инициировать регенеративное действие в симисторе.

    Гармоники

    достаточно сильны, чтобы вызывать сбои и ошибки в чувствительных электронных устройствах, таких как компьютеры. Небольшой шум, создаваемый в линиях электропередач ПК, может создавать проблемы самым непредсказуемым образом.

    Некоторые способы минимизировать шум в цепи симистора:

    1. Делайте соединения ворот как можно короче.Если они жестко смонтированы, вы можете использовать витую пару или даже экранированные кабели, чтобы свести к минимуму наводки.
    2. Добавьте подходящий резистор между затвором и MT1, чтобы снизить чувствительность затвора.
    3. Установите корпус симистора с выводами на печатную плату или шкаф, чтобы устранить любой шум, вызывающий вибрацию.
    4. Поместите диак на затвор симистора для более чистого переключения.
    5. Используйте демпферную цепь RC между MT1 и MT2, чтобы предотвратить преждевременное срабатывание, вызванное скачками напряжения в источнике переменного тока или индуктивными нагрузками, такими как двигатели.6. Используйте вентильный фильтр, чтобы уменьшить шум, исходящий от сети переменного тока.

    Узнать | OpenEnergyMonitor

    Управление фазой: Максимальная мощность подается на нагрузку, когда симистор работает в течение всего каждого полупериода. Мощность непрерывно (но не линейно) снижается до нуля, когда симистор вообще не проводит. *

    Burst Fire: Максимальная мощность передается на нагрузку, когда симистор проводит каждый цикл. По мере того, как проводится меньшее количество циклов, средняя мощность падает ступенчато (в данном случае на 20%).*

    Срабатывание (срабатывание) симистора

    Для этой задачи существует ряд ИС, которые не только генерируют соответствующий сигнал, но также обеспечивают изоляцию между сетью и управляющей электроникой. Двумя примерами являются MOC3021 для управления фазой и MOC3041 для импульсной стрельбы, как от Fairchild, так и от других производителей.

    Драйвер случайной фазы MOC3021 I.C.

    Как всегда, в техническом паспорте даются все подробности, принципиальная схема приложения, и рекомендуется точно следовать ей.Что касается процессора Arduino, то драйвер очень похож на обычный светодиод. Для ограничения тока требуется последовательный резистор, и его значение можно рассчитать обычным способом, зная мощность привода цифрового выходного вывода Arduino, напряжение, падающее на светодиод, и требуемый ток. Эскиз программного обеспечения должен обеспечивать достаточно длинный импульс в нужный момент в каждом полупериоде, чтобы симистор включался в нужное время.

    Драйвер оптоизолятора с нулевым крестом MOC3041 I.С.

    Опять же, технический паспорт дает полную информацию, принципиальную схему приложения, и рекомендуется точно следовать ей. Опять же, Arduino видит устройство как светодиод, и резистор рассчитывается таким же образом. Однако он отличается от MOC3021 тем, что содержит схему детектора перехода через ноль. Во время работы триггер «активируется», посылая ему сигнал «включения» в течение предыдущего полупериода, особенно после того, как напряжение поднимается выше 20 В («Запрещающее напряжение» в таблице данных).Теперь программное обеспечение должно смотреть вперед и запускать триггер перехода через ноль через некоторое время после начала предыдущего полупериода. Чтобы исправление не происходило, сигнал «включения» остается включенным до соответствующей точки на один цикл позже, после чего он либо выключается, либо остается включенным, если необходимо.

    Падение или мерцание

    Любой источник электроэнергии имеет конечный импеданс, свойство кабелей, трансформаторов, распределительного устройства и, в конечном итоге, даже генераторов, составляющих систему.И, как любое полное сопротивление, когда вы потребляете ток, на нем появляется напряжение, которое вызывает падение напряжения питания. Величина провалов напряжения обычно выражается в процентах от нормального напряжения.

    Если у вас есть собственное электроснабжение, оно находится под вашим контролем, но в целом это не так, и вы разделяете электроснабжение с кем угодно, от нескольких до многих десятков, возможно, сотен соседей. Поэтому каждый раз, когда вы включаете нагрузку, напряжение у всех будет падать и восстанавливаться при выключении нагрузки.Если это происходит неоднократно и часто, это называется мерцанием. Лампы накаливания очень чувствительны к изменению напряжения, световой поток примерно пропорционален V 3,4 , поэтому существуют строгие ограничения, которые определяют максимально допустимое изменение напряжения, которое связано с тем, как часто происходят изменения. [См. Ссылку] Мерцание — проблема для контроллеров огня очередями.

    Гармоники и RFI

    Каждый раз, когда симистор включает электрическую цепь, и, если предположить, что на симисторе есть напряжение, ток нагрузки возрастает от нуля до некоторого значения за очень короткое время.Величина и скорость изменения определяются нагрузкой, и в случае чистого (или почти такого) сопротивления скорость изменения может быть очень высокой. Результирующий «край» генерирует широкий спектр шума, который может легко распространяться в радиодиапазоны и мешать работе расположенного поблизости электронного оборудования, если не используется надлежащая фильтрация.

    В то же время, процесс прерывания синусоидальной волны также генерирует гармоники линейной частоты. Если волна прерывается симметрично, будут присутствовать только нечетные гармоники.(Вы можете легко проиллюстрировать обратное в электронной таблице: постройте синусоидальную волну, затем добавьте третью гармонику с амплитудой 1 / 3 -ю, пятую гармонику с 1 / 5 -ю амплитуду и и т. д. В итоге получается прямоугольная волна.)

    Опять же, из-за конечного сопротивления источника питания нагрузка, потребляющая гармонические токи, вызовет искажение волны напряжения, а это, в свою очередь, вызовет токи на этих гармониках во всех других нагрузках, подключенных к системе.Это может вызвать нежелательный нагрев, и, опять же, существуют строгие ограничения на величину тока, который может потребляться при любой данной гармонике. В общем, должен быть включен фильтр, который уменьшит как радиочастотные помехи, так и гармоники, которые вводятся в источник питания. [См. Ссылку]

    Гармоники представляют собой серьезную проблему для контроллеров фазового угла и для контроллеров с импульсным возбуждением, если точка переключения значительно смещается от точки перехода через ноль.

    Справочные документы и спецификации

    Драйвер MOC3021 http: // www.fairchildsemi.com/an/AN/AN-3003.pdf

    Драйвер MOC3041 http://www.fairchildsemi.com/ds/MO/MOC3041M.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *