Твердотельного реле на симисторе и оптопаре с симисторным выходом для управления нагрузкой в цепи переменного тока
В рассматриваемых ранее схемах реле в качестве нагрузки я использовал светодиод. Для включения более мощных нагрузок можно использовать механическое реле, но я предпочитаю использовать твердотельное реле на симисторной оптопаре и симисторе. В твердотельном реле, в отличие от механического, нет движущихся частей, поэтому оно имеет больший срок службы. Недостатком является нагрев симистора и как следствие необходимость радиатора. Расчет радиатора достаточно сложен, проще подобрать его экспериментально, начиная с самого большого и уменьшать, до тех пор пока не будет достигнут компромисс между размером радиатора и температурой симистора. Проверять температуру лучше не пальцем, так как далеко не все симисторы имеют изолированный от выводов корпус и на радиаторе может оказаться фаза. Перед тем как потрогать радиатор нужно обесточить схему.
Когда на светодиод подается питание, внутри оптопары открывается симистор, который управляет более мощным симистором.
Существуют и безснабберные симисторы(snubberless), называемые также трехквадрантными(3Q или Hi-com), например BTA16-600BW. Они разработаны специально для работы с индуктивной нагрузкой и снабберная цепь в большинстве случаев не нужна.
Проверка оптопары moc3063 мультиметром в режиме прозвонки. Сначала проверяется светодиод. К выводу 1 подключаем красный щуп, а к выводу 2 черный. Мультиметр покажет падение на светодиоде чуть более 1В. Такое низкое падение напряжения характерно для инфракрасных светодиодов. Теперь щупы мультиметра подключим к выводам 4 и 6, а на светодиод подадим питание 5-12В через резистор 1кОм. После подачи питания мультиметр должен показать падение напряжения на открывшемся симисторе около 1В. Если теперь убрать питание светодиода симистор останется в открытом состоянии, так как через него протекает ток от мультиметра. Чтобы он закрылся нужно на короткое время прервать ток в цепи. В цепях переменного тока закрытие симистора происходит автоматически в момент когда ток меняет направление.
Проверка симистора мультиметром в режиме прозвонки на примере BTA16-600BW. К первому выводу подключаем черный щуп, ко второму — красный. Теперь на управляющий электрод подаем питание 5-12В через резистор 100 Ом: минус соединяем к первому выводу, а плюс к третьему.
Оптопара moc3063 имеет внутри детектор перехода напряжения через ноль. При поступлении питания на светодиод нагрузка будет включена не моментально, а при ближайшем переходе напряжения через ноль. Этим достигается минимизации помех при переключении. В схемах фазоимпульсной регулировки мощности оптопара с детектором перехода через ноль работать не будет. В таких схемах нужно применять оптопары без детектора нуля, например moc3052.
Я подумал что если нагрузка маломощная, можно не использовать внешний симистор, должно хватить встроенного. Максимальная рассеиваемая мощность встроенного симистора 150мВт, максимальное падение напряжения на симисторе 3В. Чтобы не превысить рассеиваемую мощность, ток нагрузки не должен превышать 50мА.
Можно управлять маленькой светодиодной лампой на 10Вт, ток потребления которой 54мА. Прогорела у меня такая лампа через оптосимистор около часа, а потом я отключил ее и снова включил, при включенном питании светодиода. Лампа моргнула, а симистор в оптопаре больше не открывался. Полагаю он сгорел из-за броска тока через лампу в момент включения. Остались у меня две оптопары, они понадобятся для управления освещением и нагревом в теплице, поэтому решил больше не экспериментировать и впредь применять оптопару только с внешним симистором.
коммутация мощных нагрузок / Хабр
Привет, Geektimes!
Управление мощными нагрузками — достаточно популярная тема среди людей, так или иначе касающихся автоматизации дома, причём в общем-то независимо от платформы: будь то Arduino, Rapsberry Pi, Unwired One или иная платформа, включать-выключать ей какой-нибудь обогреватель, котёл или канальный вентилятор рано или поздно приходится.
Традиционная дилемма здесь — чем, собственно, коммутировать.
Как убедились многие на своём печальном опыте, китайские реле не обладают должной надёжностью — при коммутации мощной индуктивной нагрузки контакты сильно искрят, и в один прекрасный момент могут попросту залипнуть. Приходится ставить два реле — второе для подстраховки на размыкание.
Вместо реле можно поставить симистор или твердотельное реле (по сути, тот же тиристор или полевик со схемой управления логическим сигналом и опторазвязкой в одном корпусе), но у них другой минус — они греются. Соответственно, нужен радиатор, что увеличивает габариты конструкции.
Я же хочу рассказать про простую и довольно очевидную, но при этом редко встречающуюся схему, умеющую вот такое:
- Гальваническая развязка входа и нагрузки
- Коммутация индуктивных нагрузок без выбросов тока и напряжения
- Отсутствие значимого тепловыделения даже на максимальной мощности
Но сначала — чуть-чуть иллюстраций. Во всех случаях использовались реле TTI серий TRJ и TRIL, а в качестве нагрузки — пылесос мощностью 650 Вт.
Классическая схема — подключаем пылесос через обычное реле. Потом подключаем к пылесосу осциллограф (Осторожно! Либо осциллограф, либо пылесос — а лучше оба — должны быть гальванически развязаны от земли! Пальцами и яйцами в солонку не лазить! С 220 В не шутят!) и смотрим.
Включаем:
Пришлось почти на максимум сетевого напряжения (пытаться привязать электромагнитное реле к переходу через ноль — задача гиблая: оно слишком медленное). В обе стороны бабахнуло коротким выбросом с почти вертикальными фронтами, во все стороны полетели помехи. Ожидаемо.
Выключаем:
Резкое пропадание напряжения на индуктивной нагрузке не сулит ничего хорошего — ввысь полетел выброс. Кроме того, видите вот эти помехи на синусоиде за миллисекунды до собственно отключения? Это искрение начавших размыкаться контактов реле, из-за которого они однажды и прикипят.
Итак, «голым» реле коммутировать индуктивную нагрузку плохо. Что сделаем? Попробуем добавить снаббер — RC-цепочку из резистора 120 Ом и конденсатора 0,15 мкФ.
Включаем:
Лучше, но не сильно. Выброс сбавил в высоте, но в целом сохранился.
Выключаем:
Та же картина. Мусор остался, более того, осталось искрение контактов реле, хоть и сильно уменьшившееся.
Вывод: со снаббером лучше, чем без снаббера, но глобально проблемы он не решает. Тем не менее, если вы желаете коммутировать индуктивные нагрузки обычным реле — ставьте снаббер. Номиналы надо подбирать по конкретной нагрузке, но 1-Вт резистор на 100-120 Ом и конденсатор на 0,1 мкФ выглядят разумным вариантом для данного случая.
Литература по теме: Agilent — Application Note 1399, «Maximizing the Life Span of Your Relays». При работе реле на худший тип нагрузки — мотор, который, помимо индуктивности, при старте имеет ещё и очень низкое сопротивление — добрые авторы рекомендуют уменьшить паспортный ресурс реле в пять раз.
А теперь сделаем ход конём — объединим симистор, симисторный драйвер с детектированием нуля и реле в одну схему.
Что есть на этой схеме? Слева — вход.
При подаче на него «1» конденсатор C2 практически мгновенно заряжается через R1 и нижнюю половину D1; оптореле VO1 включается, дожидается ближайшего перехода через ноль (MOC3063 — со встроенной схемой детектора нуля) и включает симистор D4. Нагрузка запускается.
Конденсатор C1 заряжается через цепочку из R1 и R2, на что уходит примерно t=RC ~ 100 мс. Это несколько периодов сетевого напряжения, то есть, за это время симистор успеет включиться гарантированно. Далее открывается Q1 — и включается реле K1 (а также светодиод D2, светящий приятным изумрудным светом). Контакты реле шунтируют симистор, поэтому далее — до самого выключения — он в работе участия не принимает. И не греется.
Выключение — в обратном порядке. Как только на входе появляется «0», C1 быстро разряжается через верхнее плечо D1 и R1, реле выключается. А вот симистор остаётся включённым примерно 100 мс, так как C2 разряжается через 100-килоомный R3. Более того, так как симистор удерживается в открытом состоянии током, то даже после отключения VO1 он останется открытым, пока ток нагрузки не упадёт в очередном полупериоде ниже тока удержания симистора.
Включение:
Выключение:
Красиво, не правда ли? Причём при использовании современных симисторов, устойчивых к быстрым изменениям тока и напряжения (такие модели есть у всех основных производителей — NXP, ST, Onsemi, etc., наименования начинаются с «BTA»), снаббер не нужен вообще, ни в каком виде.
Более того, если вспомнить умных людей из Agilent и посмотреть, как меняется потребляемый мотором ток, получится вот такая картинка:
Стартовый ток превышает рабочий более чем в четыре раза. За первые пять периодов — то время, на которое симистор опережает реле в нашей схеме — ток падает примерно вдвое, что также существенно смягчает требования к реле и продлевает его жизнь.
Да, схема сложнее и дороже, чем обычное реле или обычный симистор. Но часто она того стоит.
Компоненты— симистор против реле
Тиристоры (симисторы и их однонаправленные родственники, тиристоры) — это полупроводниковые устройства, тогда как реле — это электромеханические устройства.
Триаки могут переключать как переменный, так и постоянный ток, но, как сказал XTL, они не остановят ток, если ток между MT1 и MT2 не упадет ниже порогового уровня, или если вы принудительно отключите устройство.
(примечание: я провел 13 лет в области управления промышленными двигателями, мы разработали оборудование, которое переключалось на многие тысячи ампер и многие тысячи вольт через тиристоры.)
Реле — довольно простое в использовании устройство; вы подаете питание на катушку и контакты замыкаются. Вы обесточиваете катушку и контакты размыкаются. Простой транзистор может управлять им, но вам понадобится некоторое демпфирование (минимум диод с обратным смещением на катушке реле), чтобы предотвратить выход вашего транзистора из строя из-за индуктивной отдачи. Ваш управляющий сигнал и ваш управляемый сигнал полностью изолированы друг от друга.
Релейные контакты не являются непобедимыми; если вы разомкнете контакты под нагрузкой, вы можете заставить их «замерзнуть» (то есть они не разомкнутся).
Кроме того, если вы используете реле, рассчитанное на мощность, и пытаетесь переключать слабые сигналы, контакты могут в конечном итоге загрязниться, и вы не получите хорошего соединения между контактами.
Триаки, будучи полупроводниковыми, в основном бесшумны. Если вы не используете импульсный трансформатор или оптоизолятор, ваша цепь управления будет находиться на потенциале вашей управляемой цепи (обычно это нейтраль для ваших цепей 120/220 В). Тиристоры можно использовать для управления фазой нагрузки, что означает, что вы можете приглушать свет или (грубо) контролировать скорость двигателя переменного тока. С реле это практически невозможно. Вы также можете делать изящные трюки, например, разрешать только «x» полных циклов, чтобы сделать менее «шумный» контроль фазы. SCR также хороши для сброса всей энергии конденсатора в нагрузку (вспышка или рельсотрон). В некоторых источниках питания тиристоры также используются в качестве ломовых устройств; они включаются и закорачивают питание (при этом перегорает предохранитель), защищая нагрузку от перенапряжения.
Тиристоры не любят резких скачков напряжения или тока, когда они выключены; это может вызвать их случайное включение или повредить устройства. Простое демпфирование помогает контролировать эти режимы отказа.
Тиристоры также не полностью изолируют нагрузку от источника; если вы измерите напряжение на нагрузке с выключенным тиристором, вы измерите полное напряжение. У них тиристор выключен, но выключен не означает «открыт» — это означает «высокое сопротивление». Это может вызвать проблемы с некоторыми приложениями.
Если вы переключаете сигнал переменного тока, тиристоры довольно безболезненны; они закроются вокруг следующего пересечения нуля. Если вы управляете округом Колумбия… опять же… вам есть о чем подумать. Постоянный ток также проблематичен для реле, потому что вы почти всегда будете размыкать контакты реле под нагрузкой, поэтому вы должны подобрать для этого реле.
Короче говоря: да, симисторы могут заменить реле почти во всех приложениях. Если вы не хотите возиться с демпфированием и изоляцией, вы всегда можете купить твердотельные реле; это триаки с соответствующей схемой управления, чтобы они работали почти так же, как реле.
ac — Замена реле симистором
\$\начало группы\$
Я разрабатываю простое приложение для управления напряжением 230 В переменного тока вкл/выкл с нагрузкой менее 2 А. Я ежедневно использую реле, управляемые микроконтроллерами, в других своих проектах, но из-за нехватки места я думаю об использовании симистора в этом проекте. Я выбрал BT134-600E, меня беспокоит продолжительность жизни схемы. Я ожидаю 5 лет средней продолжительности жизни при 8-10 часах работы в день. Кто-нибудь может подсказать, какие меры предосторожности мне нужно предпринять, чтобы симистор прослужил не менее 5 лет? Также приветствуются другие предложения.
- переменный ток
- управление
- симистор
\$\конечная группа\$
1
\$\начало группы\$
Я ежедневно использую реле, управляемые микроконтроллерами, в других моих проектах, но из-за нехватки места я думаю использовать симистор в этом проекте.
Если вы ограничены в пространстве, я советую вам использовать обычное реле (электромагнитное), а не реле с симистором, потому что в последнем случае вам придется использовать оптопару для гальванической развязки + цепь демпфера для симистора + демпфер для оптопары как рекомендуется в спецификации на стр. 4.
Я ожидаю, что средний ожидаемый срок службы составит 5 лет при 8-10 часах работы в день
Я не могу сказать точное время жизни твердотельного реле (одно с симистором), но, безусловно, оно больше, чем у электромагнитного реле. Так что, возможно, вам не нужно беспокоиться об этом.
\$\конечная группа\$
\$\начало группы\$
Реле дает гальваническую развязку, симистор нет. Используйте твердотельное реле. Срок службы реле ЭМ измеряется в оборотах включения-выключения. Симистор зависит от качества.
\$\конечная группа\$
\$\начало группы\$
Реле с известной нагрузкой и напряжением выдержит довольно предсказуемое количество срабатываний.
