Управление индуктивной нагрузкой: Нужна схема фазового регулятора для индуктивной нагрузки. Симисторные регуляторы мощности

Содержание

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.

Управление мощной нагрузкой · Вадим Великодный

06 Jan 2017

На практике часто возникает необходимость управлять при помощи цифровой схемы (например, микроконтроллера) каким-то мощным электрическим прибором. Это может быть мощный светодиод, потребляющий большой ток, или прибор, питающийся от электрической сети. Рассмотрим типовые решения этой задачи.

Будем считать, что нам нужно только включать или выключать нагрузку с низкой частотой. Части схем, решающие эту задачу, называют ключами. ШИМ-регуляторы, диммеры и прочее рассматривать не будем (почти).

Условно можно выделить 3 группы методов:

Управление нагрузкой постоянного тока.
- Транзисторный ключ на биполярном транзисторе.
- Транзисторный ключ на МОП-транзисторе (MOSFET).
- Транзисторный ключ на IGBT.
Управление нагрузкой переменного тока.
- Тиристорный ключ.
- Симисторный ключ.
Универсальный метод.

Выбор способа управления зависит как от типа нагрузки, так и от вида применяемой цифровой логики. Если схема построена на ТТЛ-микросхемах, то следует помнить, что они управляются током, в отличие от КМОП, где управление осуществляется напряжением. Иногда это важно.

Простейший ключ

Простейший ключ на биполярном транзисторе проводимости n-p-n выглядит следующим образом.

Вход слева подключается к цифровой схеме. Если у нас цифровая схема построена на основе КМОП-логики с двухтактным («push-pull») выходом, то логическая «1» фактически означает подключение этого входа к питанию, а логический «0» — к земле.

Таким образом, при подаче «1» на вход нашей схемы ток от источника питания потечёт через резистор R1, базу и эмиттер на землю.

При этом транзистор откроется (если, конечно, ток достаточно большой), и ток сможет идти через переход коллектор — эмиттер, а значит и через нагрузку.

Резистор R1 играет важную роль — он ограничивает ток через переход база — эмиттер. Если бы его не было, ток не был бы ничем ограничен и просто испортил бы управляющую микросхему (ведь именно она связывает линию питания с транзистором).

Максимальный ток через один выход микроконтроллера обычно ограничен значением около 25 мА (для STM32). В интернете можно встретить утверждения, что микроконтроллеры AVR выдерживают ток в 200 мА, но это относится ко всем выводам в сумме. Предельное допустимое значение тока на один вывод примерно такое же — 20-40 мА.

Это, кстати, означает, что подключать светодиоды напрямую к выводам нельзя. Без токоограничивающих резисторов, микросхема просто сгорит, а с ними светодиодам не будет хватать тока, чтобы светить ярко.

Обратите внимание, что нагрузка (LOAD) подключена к коллектору, то есть «сверху». Если подключить её «снизу», у нас возникнет несколько проблем.

Допустим, мы хотим при помощи 5 В (типичное значение для цифровых схем) управлять нагрузкой в 12 В. Это значит, что на базе мы можем получить максимум 5 В. А с учётом падения напряжения на переходе база — эмиттер, на эмиттере будет напряжение ещё меньше. Если падение напряжения на переходе равно 0,7 В,то получаем, что на нагрузку остаётся только 4,3 В, чего явно недостаточно. Если это, например, реле, оно просто не сработает. Напряжение не может быть выше, иначе тока через базу вообще не будет. Наличие падения напряжения на нагрузке также приведёт к уменьшению тока через базу.

Для расчёта сопротивления R1 нужно вспомнить соотношение для упрощённой модели транзистора:

\[I_к = \beta I_б.\]

Коэффициент $\beta$ — это коэффициент усиления по току. Его ещё обозначают $h_{21э}$ или $h_{FE}$. У разных транзисторов он разный.

Зная мощность нагрузки $P$ и напряжение питания $V$, можно найти ток коллектора, а из него и ток базы:

\[I_б = \frac1{\beta} \frac{P}{V}.

По закону Ома получаем:

\[R_1 = \frac{V}{I_б}.\]

Коэффициент $\beta$ не фиксированная величина, он может меняться даже для одного транзистора в зависимости от режима работы, поэтому лучше брать значение тока базы при расчёте чуть больше, чтобы был запас по току коллектора. Главное помнить, что ток базы не должен превышать предельно допустимое для микросхемы.

Также важно при выборе модели транзистора помнить о предельном токе коллектора и напряжении коллектор — эмиттер.

Ниже как пример приведены характеристики некоторых популярных транзисторов с проводимостью n-p-n.

Модель	$\beta$	$\max\ I_{к}$	$\max\ V_{кэ}$
КТ315Г	50…350	100 мА	35 В
КТ3102Е	400…1000	100 мА	50 В
MJE13002	25…40	1,5 А	600 В
2SC4242	10	7 А	400 В

Модели выбраны случайно, просто это транзисторы, которые легко найти или откуда-то выпаять. Для ключа в рассматриваемой схеме, конечно, можно использовать любой n-p-n-транзистор, подходящий по параметрам и цене.

Доработка схемы

Если вход схемы подключен к push-pull выходу, то особой доработки не требуется. Рассмотрим случай, когда вход — это просто выключатель, который либо подтягивает базу к питанию, либо оставляет её «висеть в воздухе». Тогда для надёжного закрытия транзистора нужно добавить ещё один резистор, выравнивающий напряжение между базой и эмиттером.

Кроме того, нужно помнить, что если нагрузка индуктивная, то обязательно нужен защитный диод. Дело в том, что энергия, запасённая магнитным полем, не даёт мгновенно уменьшить ток до нуля при отключении ключа. А значит, на контактах нагрузки возникнет напряжение обратной полярности, которое легко может нарушить работу схемы или даже повредить её.

Совет касательно защитного диода универсальный и в равной степени относится и к другим видам ключей.

Если нагрузка резистивная, то диод не нужен.

В итоге усовершенствованная схема принимает следующий вид.

Резистор R2 обычно берут с сопротивлением, в 10 раз большим, чем сопротивление R1, чтобы образованный этими резисторами делитель не понижал слишком сильно напряжение между базой и эмиттером.

Для нагрузки в виде реле можно добавить ещё несколько усовершенствований. Оно обычно кратковременно потребляет большой ток только в момент переключения, когда тратится энергия на замыкание контакта. В остальное время ток через него можно (и нужно) ограничить резистором, так как удержание контакта требует меньше энергии.

Для этого можно применить схему, приведённую ниже.

В момент включения реле, пока конденсатор C1 не заряжен, через него идёт основной ток. Когда конденсатор зарядится (а к этому моменту реле перейдёт в режим удержания контакта), ток будет идти через резистор R2. Через него же будет разряжаться конденсатор после отключения реле.

Ёмкость C1 зависит от времени переключения реле. Можно взять, например, 10 мкФ.

С другой стороны, ёмкость будет ограничивать частоту переключения реле, хоть и на незначительную для практических целей величину.

Пример расчёта простой схемы

Пусть, например, требуется включать и выключать светодиод с помощью микроконтроллера. Тогда схема управления будет выглядеть следующим образом.

Пусть напряжение питания равно 5 В.

Характеристики (рабочий ток и падение напряжения) типичных светодиодов диаметром 5 мм можно приблизительно оценить по таблице.

Цвет	$I_{LED}$	$V_{LED}$
Красный	20 мА	1,9 В
Зеленый	20 мА	2,3 В
Желтый	20 мА	2,1 В
Синий (яркий)	75 мА	3,6 В
Белый (яркий)	75 мА	3,6 В

Пусть используется белый светодиод. В качестве транзисторного ключа используем КТ315Г — он подходит по максимальному току (100 мА) и напряжению (35 В). Будем считать, что его коэффициент передачи тока равен $\beta = 50$ (наименьшее значение).

Итак, если падение напряжения на диоде равно $V_{LED} = 3{,}6\,\textrm{В}$, а напряжение насыщения транзистора $V_{CE} = 0{,}4\,\textrm{В}$ то напряжение на резисторе R2 будет равно $V_{R2} = 5{,}0 – 3{,}6 – 0{,}4 = 1\,\textrm{В}$. Для рабочего тока светодиода $I_{LED} = 0{,}075\,\textrm{А}$ получаем

\[R_2 = \frac{V_{R2}}{I_{LED}} = \frac{1}{0{,}075} \approx 15\,\textrm{Ом}.\]

Значение сопротивление было округлено, чтобы попасть в ряд E12.

Для тока $I_{LED} = 0{,}075\,\textrm{А}$ управляющий ток должен быть в $\beta = 50$ раз меньше:

\[I_б = \frac{I_{LED}}{\beta} \approx 1{,}5\,\textrm{мА}.\]

Падение напряжения на переходе эмиттер — база примем равным $V_{EB} = 0{,}7\,\textrm{В}$.

Отсюда

\[R_1 = \frac{V – V_{EB}}{I_б} \approx 2{,}7\,\textrm{кОм}\]

Сопротивление округлялось в меньшую сторону, чтобы обеспечить запас по току.

Таким образом, мы нашли значения сопротивлений R1 и R2.

Транзистор Дарлингтона

Если нагрузка очень мощная, то ток через неё может достигать нескольких ампер. Для мощных транзисторов коэффициент $\beta$ может быть недостаточным. (Тем более, как видно из таблицы, для мощных транзисторов он и так невелик.)

В этом случае можно применять каскад из двух транзисторов. Первый транзистор управляет током, который открывает второй транзистор. Такая схема включения называется схемой Дарлингтона.

В этой схеме коэффициенты $\beta$ двух транзисторов умножаются, что позволяет получить очень большой коэффициент передачи тока.

Для повышения скорости выключения транзисторов можно у каждого соединить эмиттер и базу резистором.

Сопротивления должны быть достаточно большими, чтобы не влиять на ток база — эмиттер. Типичные значения — 5…10 кОм для напряжений 5…12 В.

Выпускаются транзисторы Дарлингтона в виде отдельного прибора. Примеры таких транзисторов приведены в таблице.

Модель	$\beta$	$\max\ I_{к}$	$\max\ V_{кэ}$
КТ829В	750	8 А	60 В
BDX54C	750	8 А	100 В

В остальном работа ключа остаётся такой же.

Простейший ключ

В дальнейшем полевым транзистором мы будет называть конкретно MOSFET, то есть полевые транзисторы с изолированным затвором (они же МОП, они же МДП). Они удобны тем, что управляются исключительно напряжением: если напряжение на затворе больше порогового, то транзистор открывается. При этом управляющий ток через транзистор пока он открыт или закрыт не течёт. Это значительное преимущество перед биполярными транзисторами, у которых ток течёт всё время, пока открыт транзистор.

Также в дальнейшем мы будем использовать только n-канальные MOSFET (даже для двухтактных схем). Это связано с тем, что n-канальные транзисторы дешевле и имеют лучшие характеристики.

Простейшая схема ключа на MOSFET приведена ниже.

Опять же, нагрузка подключена «сверху», к стоку. Если подключить её «снизу», то схема не будет работать. Дело в том, что транзистор открывается, если напряжение между затвором и истоком превышает пороговое. При подключении «снизу» нагрузка будет давать дополнительное падение напряжения, и транзистор может не открыться или открыться не полностью.

Несмотря на то, что MOSFET управляется только напряжением и ток через затвор не идёт, затвор образует с подложкой паразитный конденсатор. Когда транзистор открывается или закрывается, этот конденсатор заряжается или разряжается через вход ключевой схемы. И если этот вход подключен к push-pull выходу микросхемы, через неё потечёт довольно большой ток, который может вывести её из строя.

При управлении типа push-pull схема разряда конденсатора образует, фактически, RC-цепочку, в которой максимальный ток разряда будет равен

\[I_{разр} = \frac{V}{R_1},\]

где $V$ — напряжение, которым управляется транзистор.

Таким образом, достаточно будет поставить резистор на 100 Ом, чтобы ограничить ток заряда — разряда до 10 мА. Но чем больше сопротивление резистора, тем медленнее он будет открываться и закрываться, так как постоянная времени $\tau = RC$ увеличится. Это важно, если транзистор часто переключается. Например, в ШИМ-регуляторе.

Основные параметры, на которые следует обращать внимание — это пороговое напряжение $V_{th}$, максимальный ток через сток $I_D$ и сопротивление сток — исток $R_{DS}$ у открытого транзистора.

Ниже приведена таблица с примерами характеристик МОП-транзисторов.

Модель	$V_{th}$	$\max\ I_D$	$\max\ R_{DS}$
2N7000	3 В	200 мА	5 Ом
IRFZ44N	4 В	35 А	0,0175 Ом
IRF630	4 В	9 А	0,4 Ом
IRL2505	2 В	74 А	0,008 Ом

Для $V_{th}$ приведены максимальные значения. Дело в том, что у разных транзисторов даже из одной партии этот параметр может сильно отличаться. Но если максимальное значение равно, скажем, 3 В, то этот транзистор гарантированно можно использовать в цифровых схемах с напряжением питания 3,3 В или 5 В.

Сопротивление сток — исток у приведённых моделей транзисторов достаточно маленькое, но следует помнить, что при больших напряжениях управляемой нагрузки даже оно может привести к выделению значительной мощности в виде тепла.

Схема ускоренного включения

Как уже было сказано, если напряжение на затворе относительно истока превышает пороговое напряжение, то транзистор открывается и сопротивление сток — исток мало. Однако, напряжение при включении не может резко скакнуть до порогового. А при меньших значениях транзистор работает как сопротивление, рассеивая тепло. Если нагрузку приходится включать часто (например, в ШИМ-контроллере), то желательно как можно быстрее переводить транзистор из закрытого состояния в открытое и обратно.

Относительная медленность переключения транзистора связана опять же с паразитной ёмкостью затвора. Чтобы паразитный конденсатор зарядился как можно быстрее, нужно направить в него как можно больший ток. А так как у микроконтроллера есть ограничение на максимальный ток выходов, то направить этот ток можно с помощью вспомогательного биполярного транзистора.

Кроме заряда, паразитный конденсатор нужно ещё и разряжать. Поэтому оптимальной представляется двухтактная схема на комплементарных биполярных транзисторах (можно взять, например, КТ3102 и КТ3107).

Ещё раз обратите внимание на расположение нагрузки для n-канального транзистора — она расположена «сверху». Если расположить её между транзистором и землёй, из-за падения напряжения на нагрузке напряжение затвор — исток может оказаться меньше порогового, транзистор откроется не полностью и может перегреться и выйти из строя.

Драйвер полевого транзистора

Если всё же требуется подключать нагрузку к n-канальному транзистору между стоком и землёй, то решение есть. Можно использовать готовую микросхему — драйвер верхнего плеча. Верхнего — потому что транзистор сверху.

Выпускаются и драйверы сразу верхнего и нижнего плеч (например, IR2151) для построения двухтактной схемы, но для простого включения нагрузки это не требуется. Это нужно, если нагрузку нельзя оставлять «висеть в воздухе», а требуется обязательно подтягивать к земле.

Рассмотрим схему драйвера верхнего плеча на примере IR2117.

Схема не сильно сложная, а использование драйвера позволяет наиболее эффективно использовать транзистор.

IGBT

Ещё один интересный класс полупроводниковых приборов, которые можно использовать в качестве ключа — это биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT).

Они сочетают в себе преимущества как МОП-, так и биполярных транзисторов: управляются напряжением, имеют большие значения предельно допустимых напряжений и токов.

Управлять ключом на IGBT можно так же, как и ключом на MOSFET. Из-за того, что IGBT применяются больше в силовой электронике, они обычно используются вместе с драйверами.

Например, согласно даташиту, IR2117 можно использовать для управления IGBT.

Пример IGBT — IRG4BC30F.

Все предыдущие схемы отличало то, что нагрузка хоть и была мощной, но работала от постоянного тока. В схемах была чётко выраженные земля и линия питания (или две линии — для контроллера и нагрузки).

Для цепей переменного тока нужно использовать другие подходы. Самые распространённые — это использование тиристоров, симисторов и реле. Реле рассмотрим чуть позже, а пока поговорим о первых двух.

Тиристоры и симисторы

Тиристор — это полупроводниковый прибор, который может находится в двух состояниях:

открытом — пропускает ток, но только в одном направлении,
закрытом — не пропускает ток.

Так как тиристор пропускает ток только в одном направлении, для включения и выключения нагрузки он подходит не очень хорошо. Половину времени на каждый период переменного тока прибор простаивает. Тем не менее, тиристор можно использовать в диммере. Там он может применяться для управления мощностью, отсекая от волны питания кусочек требуемой мощности.

Симистор — это, фактически двунаправленный тиристор. А значит он позволяет пропускать не полуволны, а полную волну напряжения питания нагрузки.

Открыть симистор (или тиристор) можно двумя способами:

подать (хотя бы кратковременно) отпирающий ток на управляющий электрод;
подать достаточно высокое напряжение на его «рабочие» электроды.

Второй способ нам не подходит, так как напряжение питания у нас будет постоянной амплитуды.

После того, как симистор открылся, его можно закрыть поменяв полярность или снизив ток через него то величины, меньшей чем так называемый ток удержания. Но так как питание организовано переменным током, это автоматически произойдёт по окончании полупериода.

При выборе симистора важно учесть величину тока удержания ($I_H$). Если взять мощный симистор с большим током удержания, ток через нагрузку может оказаться слишком маленьким, и симистор просто не откроется.

Симисторный ключ

Для гальванической развязки цепей управления и питания лучше использовать оптопару или специальный симисторный драйвер. Например, MOC3023M или MOC3052.

Эти оптопары состоят из инфракрасного светодиода и фотосимистора. Этот фотосимистор можно использовать для управления мощным симисторным ключом.

В MOC3052 падение напряжения на светодиоде равно 3 В, а ток — 60 мА, поэтому при подключении к микроконтроллеру, возможно, придётся использовать дополнительный транзисторный ключ.

Встроенный симистор же рассчитан на напряжение до 600 В и ток до 1 А. Этого достаточно для управления мощными бытовыми приборами через второй силовой симистор.

Рассмотрим схему управления резистивной нагрузкой (например, лампой накаливания).

Таким образом, эта оптопара выступает в роли драйвера симистора.

Существуют и драйверы с детектором нуля — например, MOC3061. Они переключаются только в начале периода, что снижает помехи в электросети.

Резисторы R1 и R2 рассчитываются как обычно. Сопротивление же резистора R3 определяется исходя из пикового напряжения в сети питания и отпирающего тока силового симистора. Если взять слишком большое — симистор не откроется, слишком маленькое — ток будет течь напрасно. Резистор может потребоваться мощный.

Нелишним будет напомнить, что 230 В в электросети (текущий стандарт для России, Украины и многих других стран) — это значение действующего напряжения. Пиковое напряжение равно $\sqrt2 \cdot 230 \approx 325\,\textrm{В}$.

Управление индуктивной нагрузкой

При управлении индуктивной нагрузкой, такой как электродвигатель, или при наличии помех в сети напряжение может стать достаточно большим, чтобы симистор самопроизвольно открылся. Для борьбы с этим явлением в схему необходимо добавить снаббер — это сглаживающий конденсатор и резистор параллельно симистору.

Снаббер не сильно улучшает ситуацию с выбросами, но с ним лучше, чем без него.

Керамический конденсатор должен быть рассчитан на напряжение, большее пикового в сети питания. Ещё раз вспомним, что для 230 В — это 325 В. Лучше брать с запасом.

Типичные значения: $C_1 = 0{,}01\,\textrm{мкФ}$, $R_4 = 33\,\textrm{Ом}$.

Есть также модели симисторов, которым не требуется снаббер. Например, BTA06-600C.

Примеры симисторов

Примеры симисторов приведены в таблице ниже. Здесь $I_H$ — ток удержания, $\max\ I_{T(RMS)}$ — максимальный ток, $\max\ V_{DRM}$ — максимальное напряжение, $I_{GT}$ — отпирающий ток.

Модель	$I_H$	$\max\ I_{T(RMS)}$	$\max\ V_{DRM}$	$I_{GT}$
BT134-600D	10 мА	4 А	600 В	5 мА
MAC97A8	10 мА	0,6 А	600 В	5 мА
Z0607	5 мА	0,8 А	600 В	5 мА
BTA06-600C	25 мА	6 А	600 В	50 мА

С точки зрения микроконтроллера, реле само является мощной нагрузкой, причём индуктивной. Поэтому для включения или выключения реле нужно использовать, например, транзисторный ключ. Схема подключения и также улучшение этой схемы было рассмотрено ранее.

Реле подкупают своей простотой и эффективностью. Например, реле HLS8-22F-5VDC — управляется напряжением 5 В и способно коммутировать нагрузку, потребляющую ток до 15 А.

Главное преимущество реле — простота использования — омрачается несколькими недостатками:

это механический прибор и контакты могу загрязниться или даже привариться друг к другу,
меньшая скорость переключения,
сравнительно большие токи для переключения,
контакты щёлкают.

Часть этих недостатков устранена в так называемых твердотельных реле. Это, фактически, полупроводниковые приборы с гальванической развязкой, содержащие внутри полноценную схему мощного ключа.

Таким образом, в арсенале у нас достаточно способов управления нагрузкой, чтобы решить практически любую задачу, которая может возникнуть перед радиолюбителем.

Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. Том 1. — М.: Мир, 1993.
Управление мощной нагрузкой переменного тока
Управление мощной нагрузкой постоянного тока. Часть 1
Управление мощной нагрузкой постоянного тока. Часть 2
Управление мощной нагрузкой постоянного тока. Часть 3
Щелкаем реле правильно: коммутация мощных нагрузок
Управление мощной нагрузкой переменного тока
Управление MOSFET-ами #1
Современные высоковольтные драйверы MOSFET- и IGBT-транзисторов
Ключ на плечо! – особенности применения высоковольтных драйверов производства IR

Все схемы нарисованы в KiCAD. В последнее время для своих проектов использую именно его, очень удобно, рекомендую. С его помощью можно не только чертить схемы, но и проектировать печатные платы.

Управление мощной нагрузкой переменного тока микроконтроллером. Как переключать симистор батарейкой для управления переменным током

Автор : elremont от 17-03-2014

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

Использование оптотиристоров

Оптосимисторы МОС301х, МОС302х, МОС303х, МОС304х, МОС306х, МОС308х
Оптосимисторы принадлежат к классу оптронов и обеспечивают очень хорошую гальваническую развязку (порядка 7500 В) между управляющей цепью и нагрузкой. Эти радиоэлементы состоят из инфракрасного светодиода, соединенного посредством оптического канала с двунаправленным кремниевым симистором. Последний может быть дополнен отпирающей схемой, срабатывающей при переходе через нуль питающего напряжения.
Эти радиоэлементы особенно незаменимы при управлении более мощными симисторами, например при реализации реле высокого напряжения или большой мощности. Подобные оптопары были задуманы для осуществления связи между логическими схемами с малыми уровнями напряжений и нагрузкой, питаемой сетевым напряжением 220 В. Оптосимистор может размещаться в малогабаритном DIP-корпусе с шестью выводами, его цоколевка и внутренняя структура показаны на рис.1.

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

Что касается элементов с обнаружением нуля напряжения питания, то их выходной каскад срабатывает при превышении напряжением питания некоторого порога, обычно это 5 В (максимум 20 В). Серии МОС301х и МОС302х чаще используются с резистивной нагрузкой или в случаях, когда напряжение питания нагрузки должно отключаться. Когда симистор находится в проводящем состоянии, максимальное падение напряжения на его выводах обычно равно 1,8В (максимум 3В) при токе до 100мА. Ток удержания (IH), поддерживающий проводимость выходного каскада оптосимистора, равен 100мкА, каким бы он ни был (отрицательным или положительным) за полупериод питающего напряжения.
Ток утечки выходного каскада в закрытом состоянии (ID) варьируется в зависимости от модели оптосимистора. Для оптосимисторов с обнаружением нуля ток утечки может достигать 0,5мА, если светодиод находится под напряжением (протекает ток IF).
У инфракрасного светодиода обратный ток утечки равен 0,05 мкА (максимум 100 мкА), и максимальное падение прямого напряжения 1,5В для всех моделей оптосимисторов. Максимально допустимое обратное напряжение светодиода 3 вольта для моделей МОС301х, МОС302х и МОС303х и 6 вольт для моделей МОС304х. МОСЗО6х и МОСЗО8х.
Предельно допустимые характеристики
Максимально допустимый ток через светодиод в непрерывном режиме – не более 60ма.
Максимальный импульсный ток в проводящем состоянии переключателя выходного каскада – не более 1 А.
Полная рассеиваемая мощность оптосимистора не должна превышать 250 мВт (максимум 120 мВт для светодиода и 150 мВт для выходного каскада при Т – 25˚С).

Применение оптосимисторов

На рис.2 а-д представлены различные схемы типичных применений оптосимисторов, отличающиеся друг от друга характером нагрузки и способами подключения нагрузки и питания.
Сопротивление Rd
Расчет сопротивления этого резистора зависит от минимального прямого тока инфракрасного светодиода, гарантирующего отпирание симистора. Следовательно, Rd = (+V – 1,5) / IF.
Например, для схемы транзисторного управления оптосимистором c напряжением питания +5 В (рис.3) и напряжением на открытом транзисторе (Uкэ нас), равном 0.3 В, +V будет 4,7 В, и IF должен находиться в диапазоне между 15 и 50 ма для МОС3041. Следует принять IF – 20 мА с учетом снижения эффективности светодиода в тече¬ние срока службы (запас 5 мА), целиком обеспечивая работу оптопары с постепенным ослаблением силы тока. Таким образом, имеем:
Rв = (4,7 – 1,5) / 0,02 = 160 Ом.
Следует подобрать стандартное значение сопротивления, то есть 150 Ом для МОС3041 и сопротивление 100 Ом для МОС3020.
Сопротивление R
Резистор R необязательно включать, когда нагрузка чисто резистивная. Однако, если симистор защищен цепочкой RР – CР, чаще всего называемой искрогасящей, резистор R позволяет ограничить ток через управляющий электрод оптосимистора. Действительно, в случае индуктивной нагрузки проходящий через симистор ток и напряжение, приложенное к схеме, находятся в противофазе. Так как симистор перестает быть проводником, когда ток проходит через нуль, конденсатор защитной цепочки СР может разряжаться через оптосимистор. Тогда резистор R ограничивает этот ток разряда. Минимальное значение его сопротивления зависит от максимального напряжения конденсатора и максимально допустимого для оптосимистора тока, поэтому для напряжения питания 220 В:
Rmin = 220 В х 1,41 / 1А – 311 Ом.
С другой стороны, слишком большая величина R может привести к нарушению работы. Поэтому принимают R – 330 или 390 Ом.
Сопротивление RG
Резистор RG необходим только тогда, когда входное сопротивление управляющего электрода очень велико, то есть в случае чувствительного симистора. Значение резистора RG может быть в диапазоне от 100 до 500 Ом.
Резисторы RG и R вводят задержку отпирания симистора, которая будет тем значительнее, чем выше сопротивления этих резисторов. Цепочка Ra – Сa
Чтобы ограничить скорость изменения напряжения dV/dt на выходе оптосимистора, необходима snubber-цепочка (рис.2 г).
Выбор значения сопротивления резистора Ra зависит от чувствительности симистора и напряжения Va, начиная с которого симистор должен срабатывать. Таким образом, имеем:
R + Ra = Va / IG.
Для симистора с управляющим током IG = 25мА и напряжением отпирания Va = 20В получим: R + Ra = 20 / 0,025 – 800 Ом
или: Ra = 800 – 330 = 470 Ом.
Для того чтобы переключение симистора происходило быстро, должно быть выполнено следующее условие: dV / dt = 311 / Ra х Ca.
Для МОС3020 максимальное значение dV / dt – 10 В/мкс.
Таким образом: Сa = 311 / (470 х 107) = 66 нФ.
Выбираем: Сa = 68 нФ.
Замечание.
Что касается snubber-цепочки, то экспериментальные значения, как правило, предпочтительнее теоретических расчетов.
Защита
Настоятельно рекомендуется защищать симистор и оптосимистор при работе на индуктивную нагрузку или при часто воздействующих на сеть помехах.
Для симистора искрогасящая RC-цепочка просто необходима. Для оптосимистора с обнаружением нуля, такой как МОС3041, – желательна. Сопротивление резистора R следует увеличить с 27 Ом до 330 Ом (за исключением случая, когда управляемый симистор малочувствительный).
Если используется модель без обнаружения нуля, то snubber-цепочка Ra – Сa обязательна.

06 Jan 2017

Условно можно выделить 3 группы методов:

Управление нагрузкой постоянного тока.
- Транзисторный ключ на биполярном транзисторе.
- Транзисторный ключ на МОП-транзисторе (MOSFET).
- Транзисторный ключ на IGBT.
Управление нагрузкой переменного тока.
- Тиристорный ключ.
- Симисторный ключ.
Универсальный метод.

Для тока $I_{LED} = 0{,}075\,А$ управляющий ток должен быть в $\beta = 50$ раз меньше:

Падение напряжения на переходе эмиттер – база примем равным $V_{EB} = 0{,}7\,В$.

Сопротивление округлялось в меньшую сторону, чтобы обеспечить запас по току.

Таким образом, мы нашли значения сопротивлений R1 и R2.

Транзистор Дарлингтона

Если нагрузка очень мощная, то ток через неё может достигать нескольких ампер. Для мощных транзисторов коэффициент $\beta$ может быть недостаточным. (Тем более, как видно из таблицы, для мощных транзисторов он и так невелик.)

В этой схеме коэффициенты $\beta$ двух транзисторов умножаются, что позволяет получить очень большой коэффициент передачи тока.

Для повышения скорости выключения транзисторов можно у каждого соединить эмиттер и базу резистором.

Сопротивления должны быть достаточно большими, чтобы не влиять на ток база – эмиттер. Типичные значения – 5…10 кОм для напряжений 5…12 В.

В остальном работа ключа остаётся такой же.

Простейшая схема ключа на MOSFET приведена ниже.

где $V$ – напряжение, которым управляется транзистор.

Таким образом, достаточно будет поставить резистор на 100 Ом, чтобы ограничить ток заряда – разряда до 10 мА. Но чем больше сопротивление резистора, тем медленнее он будет открываться и закрываться, так как постоянная времени $\tau = RC$ увеличится. Это важно, если транзистор часто переключается. Например, в ШИМ-регуляторе.

Основные параметры, на которые следует обращать внимание – это пороговое напряжение $V_{th}$, максимальный ток через сток $I_D$ и сопротивление сток – исток $R_{DS}$ у открытого транзистора.

Ниже приведена таблица с примерами характеристик МОП-транзисторов.

Модель	$V_{th}$	$\max\ I_D$	$\max\ R_{DS}$
2N7000	3 В	200 мА	5 Ом
IRFZ44N	4 В	35 А	0,0175 Ом
IRF630	4 В	9 А	0,4 Ом
IRL2505	2 В	74 А	0,008 Ом

Для $V_{th}$ приведены максимальные значения. Дело в том, что у разных транзисторов даже из одной партии этот параметр может сильно отличаться. Но если максимальное значение равно, скажем, 3 В, то этот транзистор гарантированно можно использовать в цифровых схемах с напряжением питания 3,3 В или 5 В.

Сопротивление сток – исток у приведённых моделей транзисторов достаточно маленькое, но следует помнить, что при больших напряжениях управляемой нагрузки даже оно может привести к выделению значительной мощности в виде тепла.

Схема ускоренного включения

Как уже было сказано, если напряжение на затворе относительно истока превышает пороговое напряжение, то транзистор открывается и сопротивление сток – исток мало. Однако, напряжение при включении не может резко скакнуть до порогового. А при меньших значениях транзистор работает как сопротивление, рассеивая тепло. Если нагрузку приходится включать часто (например, в ШИМ-контроллере), то желательно как можно быстрее переводить транзистор из закрытого состояния в открытое и обратно.

Ещё раз обратите внимание на расположение нагрузки для n-канального транзистора – она расположена «сверху». Если расположить её между транзистором и землёй, из-за падения напряжения на нагрузке напряжение затвор – исток может оказаться меньше порогового, транзистор откроется не полностью и может перегреться и выйти из строя.

Драйвер полевого транзистора

Если всё же требуется подключать нагрузку к n-канальному транзистору между стоком и землёй, то решение есть. Можно использовать готовую микросхему – драйвер верхнего плеча. Верхнего – потому что транзистор сверху.

Рассмотрим схему драйвера верхнего плеча на примере IR2117.

Схема не сильно сложная, а использование драйвера позволяет наиболее эффективно использовать транзистор.

IGBT

Ещё один интересный класс полупроводниковых приборов, которые можно использовать в качестве ключа – это биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT).

Например, согласно даташиту, IR2117 можно использовать для управления IGBT.

Пример IGBT – IRG4BC30F.

Все предыдущие схемы отличало то, что нагрузка хоть и была мощной, но работала от постоянного тока. В схемах была чётко выраженные земля и линия питания (или две линии – для контроллера и нагрузки).

Для цепей переменного тока нужно использовать другие подходы. Самые распространённые – это использование тиристоров, симисторов и реле. Реле рассмотрим чуть позже, а пока поговорим о первых двух.

Тиристоры и симисторы

Тиристор – это полупроводниковый прибор, который может находится в двух состояниях:

открытом – пропускает ток, но только в одном направлении,
закрытом – не пропускает ток.

Симистор – это, фактически двунаправленный тиристор. А значит он позволяет пропускать не полуволны, а полную волну напряжения питания нагрузки.

Открыть симистор (или тиристор) можно двумя способами:

подать (хотя бы кратковременно) отпирающий ток на управляющий электрод;
подать достаточно высокое напряжение на его «рабочие» электроды.

Второй способ нам не подходит, так как напряжение питания у нас будет постоянной амплитуды.

При выборе симистора важно учесть величину тока удержания ($I_H$). Если взять мощный симистор с большим током удержания, ток через нагрузку может оказаться слишком маленьким, и симистор просто не откроется.

Симисторный ключ

В MOC3052 падение напряжения на светодиоде равно 3 В, а ток – 60 мА, поэтому при подключении к микроконтроллеру, возможно, придётся использовать дополнительный транзисторный ключ.

Рассмотрим схему управления резистивной нагрузкой (например, лампой накаливания).

Таким образом, эта оптопара выступает в роли драйвера симистора.

Существуют и драйверы с детектором нуля – например, MOC3061. Они переключаются только в начале периода, что снижает помехи в электросети.

Резисторы R1 и R2 рассчитываются как обычно. Сопротивление же резистора R3 определяется исходя из пикового напряжения в сети питания и отпирающего тока силового симистора. Если взять слишком большое – симистор не откроется, слишком маленькое – ток будет течь напрасно. Резистор может потребоваться мощный.

Нелишним будет напомнить, что 230 В в электросети (текущий стандарт для России, Украины и многих других стран) – это значение действующего напряжения. Пиковое напряжение равно $\sqrt2 \cdot 230 \approx 325\,В$.

Управление индуктивной нагрузкой

При управлении индуктивной нагрузкой, такой как электродвигатель, или при наличии помех в сети напряжение может стать достаточно большим, чтобы симистор самопроизвольно открылся. Для борьбы с этим явлением в схему необходимо добавить снаббер – это сглаживающий конденсатор и резистор параллельно симистору.

Снаббер не сильно улучшает ситуацию с выбросами, но с ним лучше, чем без него.

Керамический конденсатор должен быть рассчитан на напряжение, большее пикового в сети питания. Ещё раз вспомним, что для 230 В – это 325 В. Лучше брать с запасом.

Типичные значения: $C_1 = 0{,}01\,мкФ$, $R_4 = 33\,Ом$.

Есть также модели симисторов, которым не требуется снаббер. Например, BTA06-600C.

Примеры симисторов

Примеры симисторов приведены в таблице ниже. Здесь $I_H$ – ток удержания, $\max\ I_{T(RMS)}$ – максимальный ток, $\max\ V_{DRM}$ – максимальное напряжение, $I_{GT}$ – отпирающий ток.

Модель	$I_H$	$\max\ I_{T(RMS)}$	$\max\ V_{DRM}$	$I_{GT}$
BT134-600D	10 мА	4 А	600 В	5 мА
MAC97A8	10 мА	0,6 А	600 В	5 мА
Z0607	5 мА	0,8 А	600 В	5 мА
BTA06-600C	25 мА	6 А	600 В	50 мА

Электромагнитные реле

Реле подкупают своей простотой и эффективностью. Например, реле HLS8-22F-5VDC – управляется напряжением 5 В и способно коммутировать нагрузку, потребляющую ток до 15 А.

Твердотельные реле

Главное преимущество реле – простота использования – омрачается несколькими недостатками:

это механический прибор и контакты могу загрязниться или даже привариться друг к другу,
меньшая скорость переключения,
сравнительно большие токи для переключения,
контакты щёлкают.

Часть этих недостатков устранена в так называемых твердотельных реле . Это, фактически, полупроводниковые приборы с гальванической развязкой, содержащие внутри полноценную схему мощного ключа.

Ключ на плечо! – особенности применения высоковольтных драйверов производства IR

Все схемы нарисованы в KiCAD . В последнее время для своих проектов использую именно его, очень удобно, рекомендую. С его помощью можно не только чертить схемы, но и проектировать печатные платы.

Все знают, насколько ардуинщики гордятся миганием лампочками

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

Выбор управляемой нагрузки

Существует много различных типов ламп. Не все из них поддаются регулировке яркости. И, в зависимости от типа лампы, требуются разные способы управления. Про типы ламп есть хорошая . Я же буду рассматриваться только лампы, работающие от переменного тока. Для таких ламп существует три основных способа управления яркостью (диммирование по переднему фронту, по заднему фронту и синус-диммирование).
Иллюстрация в формате SVG, может не отображжаться в старых браузерах и, особенно, в IE
Отличаются они тем, какая часть периода переменного тока пропускается через лампу. О применимости этих методов можно прочитать . В этой статье речь пойдет только о диммировании по преднему фронту, так как это самая простой и распространенный способ. Он подходит для управления яркостью ламп накаливания (включая галогенные), в том числе подключенных через ферромагнитный (не электронный) трансформатор. Эта же схема может применяться для управления мощностью нагревательных элементов и, в некоторой степени, электромоторов, а также для включения/выключения других электроприборов (без управления мощностью).

Выбор элементной базы

Различных вариантов схем управления нагрузкой в интернете много. Отличаются они по следующим параметрам:Первые два пункта определяются элементной базой. Очень часто для управления нагрузкой используют реле, как проверенный многолетним опытом элемент. Но, если вы хотите управлять яркостью лампы, её необходимо включать и выключать 100 раз в секунду. Реле не рассчитаны на такую нагрузку и быстро выйдут из строя, даже если смогут переключаться так часто. Если в схеме используется MOSFET, то его можно открывать и закрывать в любой момент. Нам нем можно построить и RL, и RC, и синус димер. Но так как он проводит ток только в одну сторону, понадобится два транзистора на канал. Кроме того, высоковольтные MOSFET относительно дороги. Самым простым и дешевым способом является использование симистора. Он проводит ток в обоих направлениях и сам закрывается, когда через него прекращает течь ток. Про то, как он работает можно прочитать в статье DiHalt”а . Далее я буду полагаться на то, что вы это знаете.

Фазовая модуляция

Чтобы управлять яркостью лампы нам нужно подавать импульсы тока на затвор симистора в моменты, когда ток через симистор достигает определенной величины. В схемах без микроконтроллера для этого применяется настраиваемый делитель напряжения и динистор. Когда напряжение на симисторе превышает порог, при котором открывается динистор, ток проходит на затвор симистора и открывает его.
Если же управление ведется с микроконтроллера, то возможны два варианта:

Подавать импульсы равно в тот момент времени, когда нужно. Для этого придётся завести на микроконтроллер сигнал с детектора перехода напряжения через ноль
К затвору симистора подключить компаратор, на который завести сигнал с делителя напряжения и с аналогового выхода микроконтроллера

Первый способ хорош тем, что позволяет легко организовать гальваническую развязку высоковольтной части и микроконтроллера. О её важности будет сказано позже. Но любители arduino будут огорчены: чтобы лапа горела ровно, не вспыхивая и не погасая, импульсы нужно подавать вовремя. Для этого управлять выводом нужно из прерывания таймера, а моменты перехода напряжения через ноль фиксировать с помощью «input capture». Это «недокументированные» функции. Проблема решается отказом от библиотек arduino и внимательным чтением datasheet”а на процессоры avr. Это не так сложно, как кажется.
Второй способ управления симистором крайне прост в программном плане, но из-за отсутствия гальванической развязки я бы не стал его применять.

Гальваническая развязка

Самый простой способ управлять симистором – это подключить к затвору ножку микроконтроллера. Есть даже специальная серия симисторов BTA-600SW управляемых малыми токами.Но тогда контроллер и вся низковольтная часть не будет защищена от помех, гуляющих по бытовой сети. Некоторое из них могут быть достаточно мощными, чтобы сжечь микроконтроллер, другие будут вызывать сбои. Кроме того, сразу возникают проблемы со связью микроконтроллера с компьютером или другими микроконтроллерами: нужно будет делать развязку в линии связи или использовать дифференциальные линии, ведь, чтобы управлять симистором прямо с ноги микроконтроллера, нулевой потенциал для него должен совпадать с потенциалом нуля в бытовой сети. У компьютера или другого такого же микроконтроллера, подключенного в другой точке сети, нулевой потенциал почти наверняка будет другим. Результат будет плачевным.
Простой способ обеспечить гальваническую развязку: использовать драйвер симистора MOC30XX. Эти микросхемы отличаются:

Расчетным напряжением. Если для сетей 110 вольт, есть для 220
Наличием детектора нуля
Током, открывающим драйвер

Драйвер с детектором нуля (MOC306X) переключается только в начале периода. Это обеспечивает отсутствие помех в электросети от симистора. Поэтому, если нет необходимости управлять выделяемой мощностью или управляемый прибор обладает большой инерционностью (например это нагревательный элемент в электроплитке), драйвер с детектором нуля будет оптимальным выбором. Но, если вы хотите управлять яркостью лампы освещения, необходимо использовать драйвер без детектора нуля (MOC305X) и самостоятельно открывать его в нужные моменты.
Ток, необходимый для открытия важен, если вы хотите управлять несколькими нагрузками одновременно. У MOC3051 он 15 мА, у MOC3052 10мА. При этом микроконтроллеры stm могут пропускать через себя до 80-120 мА, а avr до 200 мА. Точные цифры нужно смотреть в соответствующих datasheet”ах.

Устойчивость к помехам/возможность коммутации индуктивной нагрузки

В электросети могут быть помехи, вызывающие самопроизвольное открытие симистора или его повреждение. Источником помех может служить:

Нагрузка, управляемая симистором (обмотка мотора)
Фильтр (snubber), расположенный рядом с симистором и призванный его защищать
Внешняя помеха (грозовой разряд)

Помеха может быть как по напряжению, так и по току, причем более критичны скорости изменения соответствующих значений, чем их амплитуды. В datasheet”ах соответствующие значения указаны как:
V – максимальное напряжение, при котором может работать симистор. Максимальное пиковое напряжение не намного больше.
I – Максимальный ток, который может пропускать через себя симистор. Максимальный пиковый ток как правило значительно больше.
dV/dt – Максимальная скорость изменения напряжения на закрытом симисторе. При превышении этого значения он самопроизвольно откроется.
dI/dt – Максимальная скорость изменения тока при открытии симистора. При превышении этого значения он сгорит из-за того, что не успеет полностью открыться.
(dV/dt)c – Максимальная скорость изменения напряжения в момент закрытия симистора. Значительно меньше dV/dt. При превышении симистор продолжит проводить ток.
(dI/dt)c – Максимальная скорость изменения тока в момент закрытия симистора. Значительно меньше dI/dt. При превышении симистор продолжит проводить ток.
Подробно о природе этих ограничений и о том, как сделать фильтр, защищающий от превышения этих величин описано в Application Note AN-3008 . К немо можно только добавить, что существуют 3Q симисторы, у которых значения dV/dt и dI/dt выше, чем у обычных за счет невозможности работать в 4ом квадранте (что обычно не требуется).

Выбор симистора

Максимальный ток коммутации

Максимальный ток коммутации ограничивается двумя параметрами: максимальным током, который может пропустить симистор и количеством тепла, которое вы можете от него отвести. С первым параметром все просто, он указан в datasheet”е. Но если посмотреть внимательно, то при токе в 16 ампер на BTA16-600BW выделяется около 20 ватт. Такую грелку уже не получится засунуть в коробку выключателя без вентиляции.

Минимальный ток коммутации

Симистор сохраняет проводимость до тех пор, пока через него идёт ток. Минимально необходимый ток указан в datasheet”е под именем latching current. Соответственно, слишком мощный симистор не сможет включать маломощную лампочку так как будет выключаться, как только с затвора пропадёт управляющий сигнал. Но так, как этот сигнал мы самостоятельно формируем микроконтроллером, то можно удерживать управляющий сигнал почти до самого конца полупериода, тем самым убрав ограничение на минимальную нагрузку. Однако, если не успеть снять сигнал, симистор не закроется и лампа не погаснет. При плохо подобранных константах лампы, работающие на не полной яркости периодически вспыхивают.

Изоляция

Симисторы в корпусе TO-220 могут быть изолированными или не изолированными. Я сначала сделал ошибку и купил BT137, в результате радиаторы охлаждения оказались под напряжением, что в моем случае нежелательно. Симисторы с маркировкой BTA изолированы, с маркировкой BTB нет.

Защита от перегрузки

Не стоит полагаться на автоматические выключатели. Посмотрите на спецификацию , при перегрузке в 1.4 раза автомат обязан выключиться не ранее , чем через час. А быстрое размыкание происходит только при перегрузке в 5 раз (для автоматов типа C). Это сделано для того, чтобы автомат не отключался при включении приборов, требующих при старте значительно больше энергии, чем при постоянной работе. Примером такого прибора является холодильник.
Симистор нужно защитить отдельным предохранителем, либо контролировать ток через него и отключать его при перегрузке, давая остыть.

Защита от короткого замыкания

При перегорании лампы накаливания может образовываться искровой разряд, имеющий очень низкое сопротивление. В результате цепь фактически замыкается накоротко, что приводит к выгоранию симистора.2t. Задает количество теплоты, накопление которой в кристалле приведет к разрушению кристалла.dI/dt ограничивается индуктивностью проводки и внутренней ёмкостью симистора. Так как dI/dt достаточно велика (50 А/с для BTA16), может хватить индуктивности подводящей проводки, если она достаточно длинная. Можно подстраховаться и добавить небольшую индуктивность в виде нескольких витков провода вокруг сердечника.
С превышением интеграла Джоуля можно бороться либо уменьшая время прохождения тока через симистор, либо ограничивая ток. Так как симистор не закроется, пока ток не перейдет через ноль, не вводя дополнительных размыкателей нельзя сделать время прохождения тока менее одного полупериода. В качестве такого размыкателя можно использовать:

Быстродействующий плавкий предохранитель. Обычный предохранитель не подойдет так как симистор сгорит до того, как он сработает. Но стоят такие предохранители дороже новых симисторов.
Геркон/реле. Если удастся найти такое, чтобы выдерживало кратковременные большие токи.

Можно пойти по другому пути. BTA16-600 может выдержать ток в 160 амер в течении одного периода. Если сопротивление замыкаемой цепи будет порядка 1.5 Ом, то полупериод он выдержит. Сопротивление проводки даст 0.5 Ом. Остается добавить в цепь сопротивление в 1 Ом. Схема станет менее эффективной и появится еще одна грелка, выделяющая при штатной работе до 16 Вт тепла (0.45 Вт при работе 100 ваттной лампы), зато симистор не сгорит, если успеть его вовремя выключить и позаботиться о хорошем охлаждении, чтобы оставался запас на нагрев во время КЗ.
Из этого сопротивления можно извлечь дополнительную выгоду: измеряя падение напряжения на нем, можно узнавать ток, протекающий через симистор. Полученное значение можно использовать для того, чтобы определять короткое замыкание или перегрузку и отключать симистор.

Заключение

Я не претендую на абсолютную верность всего написанного. Статья писалась для того, чтобы упорядочить знания, прочитанные на просторах интернета и проверить, не забыл ли я чего. В частности раздел, касающийся защиты от перегрузок я еще не опробовал на практике. Если я где-то не прав, мне было бы интересно узнать об ошибках.
В статье нет ни одной схемы: знакомые с темой и так знают их наизусть, а новичку придётся заглянуть в datasheet к MOC3052 или в AN-3008 и, возможно, он заодно узнает что-то еще и не будет бездумно реализовывать готовую схему.

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

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

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

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

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

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

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

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

Russian Hamradio :: Экономичное управление симистором.

В данной статье, автор поднимает один из вопросов, который в большинстве статей посвященных этой теме или затрагивается совсем мало или отсутствует. Тем не менее, в литературе во всех известных бестрансформаторных устройствах бытовой автоматики для уменьшения тока симистора использованы оптотиристорные или релейные промежуточные элементы. Однако симисторы требуют сравнительно большего управляющего тока, что несколько ограничивает их применение в простых бестрансформаторных устройствах, питающихся непосредственно от сети через балластные элементы, гасящие избыток напряжения. К числу наиболее актуальных следует отнести вопрос снижения среднего значения тока управления симистором. Применение симистора вместо двух тринисторов, включенных встречно-параллельно, во многих случаях более оправдано, так как, кроме прочего, позволяет уменьшить габариты и стоимость устройства. Автор предлагает весьма интересный подход к решению этого вопроса.

Существенно уменьшить средний открывающий ток позволяет импульсное управление симистором. Подобное решение рассмотрено в [1], где описан узел управления, формирующий открывающие импульсы в начале каждого полупериода сетевого напряжения. Это устройство успешно работает совместно с активной нагрузкой, но с активно-индуктивной (обмотка электродвигателя или трансформатора) его работа будет неудовлетворительной, а в ряде случаев невозможной из-за фазового сдвига между напряжением сети и током в цепи нагрузки, а также из-за ограничения скорости нарастания тока нагрузки (эффект малой нагрузки).

Решить задачу можно, если синхронизировать устройство с паузами не напряжения сети, а тока нагрузки, причем в качестве датчика тока нагрузки удобно использовать сам симистор. Суть состоит в том, что когда между основными выводами 1 и 2 симистора малое напряжение, т. е. он открыт, через него протекает ток, а если между этими выводами присутствует положительное или отрицательное напряжение, большее постоянного открывающего, – закрыт. Следовательно, синхронизирующим должно быть напряжение между выводами 1 и 2 симистора. При этом, в отличие от традиционных узлов управления, формирующих открывающий ток по принципу “лишь бы не меньше”, контроль напряжения на симисторе позволяет заметно снизить средний ток управления, поскольку он автоматически прекращается после открывания симистора.

Рис.1.

На рис. 1 изображена упрощенная схема узла управления симистором, реализующего описанный способ. Датчик состояния симистора, собранный на транзисторах VT1-VT3 и резисторах R1, R4, R5 по схеме, описанной в [2], формирует высокий выходной уровень, если симистор VS1 открыт. Как только напряжение между выводами 1 и 2 закрытого симистора превысит 12В, открываются либо транзистор VT3, либо VT1, VT2 в зависимости от полярности этого напряжения. В обоих случаях открывается транзистор VT4 и через него, резистор R6 и управляющий электрод симистора протекает открывающий ток. Значение этого тока (примерно 0,15 А) определяет сопротивление резистора R6.

Как только симистор откроется, напряжение на нем уменьшится до 1… 1,5В, что приведет к закрыванию всех транзисторов и прекращению открывающего симистор тока. Если ток через симистор не достигнет границы тока удержания, что может быть в случае индуктивной или малой активной нагрузки, то симистор закроется и процесс будет повторяться, пока симистор не отроется надежно.

В случае активной нагрузки обычно достаточно одного открывающего импульса, а при активно-индуктивной может потребоваться несколько. Причем с активной нагрузкой устройство потребляет ток примерно 0,3 мА, а при наличии индуктивной составляющей — до 3 мА. Из сказанного следует, что узел управления адаптируется к виду нагрузки и формирует ток, строго достаточный для открывания симистора.

Рис.2.

На рис. 2 изображена практическая схема узла управления симистором. Питается узел непосредственно от сети переменного тока, как и нагрузка RH. Сетевое напряжение выпрямляет однополупериодный выпрямитель на диодах VD5, VD6 и стабилизирует на уровне 15В стабилитрон VD4. Избыток сетевого напряжения гасит конденсатор СЗ.

Резистор R12 ограничивает импульсный ток через диоды выпрямителя при включении устройства в сеть, а резистор R11 разряжает конденсатор СЗ после выключения устройства. Конденсатор С1 сглаживает пульсации выпрямленного напряжения. Стабилизированным напряжением 15В, снимаемым с выводов А и Г, питается и функциональный узел, который определяет назначение всего устройства в целом. Функциональный узел должен потреблять ток не более 7 мА в случае активной нагрузки и не более 5 мА при активно-индуктивной с cosj > 0,7.

Цепь управления симистором VS1 состоит из конденсатора С2, резистора R10 и транзистора VT5. Напряжение, накопленное на этом конденсаторе, приложено к управляющему электроду симистора VS1 через резистор R10 и транзистор VT5. Резистор ограничивает открывающий ток на уровне 0,15 А. Конденсатор С2 в паузах между открывающими импульсами заряжается через резистор R9 от стабилизированного напряжения. Одновременно этот резистор вместе с конденсатором С1 образуют RC-фильтр, не пропускающий импульсные помехи из цепи управления симистором в цепь питания функционального и управляющего узлов.

Транзистором VT5 управляет логический элемент 3ИЛИ-НЕ, собранный на транзисторе VT2 и диодах VD1- VD3 . Разрешающий управление высокий уровень на выходе логического элемента будет тогда, когда:

во-первых, на вывод Б узла управления поступит низкий уровень с функционального узла
во-вторых, на симисторе VS1 напряжение достигнет 12 В
в-третьих, конденсатор С2 зарядится до напряжения 10 В, достаточного для открывания симистора.

Напряжение на симисторе контролирует датчик его состояния, собранный на транзисторах VT3, VT4, VT6 и резисторах R6, R8, R13 и R14, о работе которого рассказано выше. С выхода функционального узла активный сигнал низкого уровня поступает на вывод В и далее на вход узла фазового управления, описанного ниже, и на один из входов логического элемента 3ИЛИ-НЕ.

За напряжением на конденсаторе С2 следит узел, собранный на транзисторе VT1 и резисторах R3-R5. Если конденсатор С2 заряжен до напряжения 10В, низкий активный уровень с коллектора транзистора VT1 поступает на один из входов элемента 3ИЛИ-НЕ. Для получения законченного устройства – термостабилизатора, светорегулятора и т. д. к описанному узлу управления симистором необходимо подключить тот или иной функциональный узел, который и будет определять заданную функцию устройства.

Рис.3.

На рис. 3 изображена схема функционального узла, позволяющего на базе описанного устройства управления симистором построить двухпозиционный термостабилизатор для инкубатора. Датчиком температуры служит однопереходный транзистор VT1. Длительный опыт эксплуатации этого транзистора в подобном режиме показал, что он обладает хорошей чувствительностью и временной стабильностью и как нельзя лучше подходит для такой роли.

Межбазовое сопротивление транзистора VT1 включено в плечо измерительного моста, состоящего из резисторов R1 – R3 и подстроечного резистора R4 или R5, в зависимости от положения переключателя SA1. Выходное напряжение моста поступает на вход компаратора, собранного на ОУ DA1. Резистор R6 обеспечивает температурный “гистерезис” около ± 0,25 °С. При использовании транзистора КТ117 с другим буквенным индексом необходимо сначала сбалансировать мост грубо подборкой резистора R3, а затем точно резистором R4 при температуре +40 °С и резистором R5 – при +38 °С. Измерительный мост и ОУ питаются от параметрического стабилизатора VD1R7.

Рис.4.

Схема функционального узла, позволяющего реализовать фазовое управление симистором, показана на рис. 4. Принцип работы устройства основан на снятии с узла управления сигнала синхронизации (с вывода В) и трансляции его с регулируемой задержкой на один из входов логического элемента 3ИЛИ-НЕ узла (на вывод Б). Регулируемую задержку формирует устройство, собранное на четырех инверторах.

Инвертор DD1.1 посредством последовательной цепи, состоящей из диода VD1 и резистора R1, удерживает конденсатор С1 в разряженном состоянии, пока на симисторе отсутствует напряжение (т. е. симистор открыт). В момент появления на симисторе напряжения 12В высокий минусовый уровень элемента DD1.1 закрывает диод VD1 и начинается зарядка конденсатора С1 через резисторы R2, R3.

Как только напряжение на конденсаторе С1 достигнет порога срабатывания триггера Шмитта, собранного на инверторах DD1.3, DD1.4 и резисторах R4, R5, он переключится. Высокий выходной уровень триггера инвертирует элемент DD1.2, после чего низкий уровень поступит на вход узла управления симистором (на вывод Б). Резистор R1 замедляет разрядку конденсатора С1, что позволяет сформировать серию открывающих импульсов в случае активно-индуктивной нагрузки.

Узел управления был испытан с симисторами ТС2-10, ТС2-16, ТС2-25, ТС112-10, ТС112-16, ТС122-25. Без всякого предварительного отбора все они работали устойчиво. При использовании других симисторов рекомендуется подобрать резистор R10 с тем, чтобы получить необходимый открывающий ток управления, рекомендуемый справочной литературой.

Рис.5.

Чертеж печатной платы узла управления представлен на рис. 5. Она изготовлена из односторонне фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм.

Б. Володин

Литература:

1. Бирюков С. Симисторный термостабилизатор. – Радио,1998, № 1,с. 50, 51.

2. Д. Г. Детектор нуля. – Млад конструктор, 1987, № 2, с. 16.

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

Посмотрело: 7647

Все знают, насколько ардуинщики гордятся миганием лампочками

Выбор управляемой нагрузки

Существует много различных типов ламп. Не все из них поддаются регулировке яркости. И, в зависимости от типа лампы, требуются разные способы управления. Про типы ламп есть хорошая . Я же буду рассматриваться только лампы, работающие от переменного тока. Для таких ламп существует три основных способа управления яркостью (диммирование по переднему фронту, по заднему фронту и синус-диммирование).
Иллюстрация в формате SVG, может не отображжаться в старых браузерах и, особенно, в IE
Отличаются они тем, какая часть периода переменного тока пропускается через лампу. О применимости этих методов можно прочитать . В этой статье речь пойдет только о RL диммере, так как это самая простая и распространенная схема. Она подходит для управления яркостью ламп накаливания (включая галогенные), в том числе подключенных через ферромагнитный (не электронный) трансформатор. Эта же схема может применяться для управления мощностью нагревательных элементов и электромоторов, а также для включения/выключения других электроприборов (без управления мощностью).

Выбор элементной базы

Различных вариантов схем управления нагрузкой в интернете много. Отличаются они по следующим параметрам:Первые два пункта определяются элементной базой. Очень часто для управления нагрузкой используют реле, как проверенный многолетним опытом элемент. Но, если вы хотите управлять яркостью лампы, её необходимо включать и выключать 100 раз в секунду. Реле не рассчитаны на такую нагрузку и быстро выйдут из строя, даже если смогут переключаться так часто. Если в схеме используется MOSFET, то его можно открывать и закрывать в любой момент. Нам нем можно построить и RL, и RC, и синус димер. Но так как он проводит ток только в одну сторону, понадобится два транзистора на канал. Кроме того, высоковольтные MOSFET относительно дороги. Самым простым и дешевым способом является использование симистора. Он проводит ток в обоих направлениях и сам закрывается, когда через него прекращает течь ток. Про то, как он работает можно прочитать в . Далее я буду полагаться на то, что вы это знаете.

Фазовая модуляция

Подавать импульсы равно в тот момент времени, когда нужно. Для этого придётся завести на микроконтроллер сигнал с детектора перехода напряжения через ноль

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

Первый способ хорош тем, что позволяет легко организовать гальваническую развязку высоковольтной части и микроконтроллера. О её важности будет сказано позже. Но любители arduino будут огорчены: чтобы лапа горела ровно, не вспыхивая и не погасая, импульсы нужно подавать вовремя. Для этого управлять выводом нужно из прерывания таймера, а моменты перехода напряжения через ноль фиксировать с помощью «input capture». Это «недокументированные» функции. Проблема решается отказом от библиотек arduino и внимательным чтением datashit”а на процессоры avr. Это не так сложно, как кажется.
Второй способ управления симистором крайне прост в программном плане, но из-за отсутствия гальванической развязки я бы не стал его применять.

Гальваническая развязка

Расчетным напряжением. Если для сетей 110 вольт, есть для 220

Наличием детектора нуля

Током, открывающим драйвер

Устойчивость к помехам/возможность коммутации индуктивной нагрузки

Нагрузка, управляемая симистором (обмотка мотора)

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

Внешняя помеха (грозовой разряд)

Помеха может быть как по напряжению, так и по току, причем более критичны скорости изменения соответствующих значений, чем их амплитуды. В datashit”ах соответствующие значения указаны как:
V – максимальное напряжение, при котором может работать симистор. Максимальное пиковое напряжение не намного больше.
I – Максимальный ток, который может пропускать через себя симистор. Максимальный пиковый ток как правило значительно больше.
dV/dt – Максимальная скорость изменения напряжения на закрытом симисторе. При превышении этого значения он самопроизвольно откроется.
dI/dt – Максимальная скорость изменения тока при открытии симистора. При превышении этого значения он сгорит из-за того, что не успеет полностью открыться.
(dV/dt)c – Максимальная скорость изменения напряжения в момент закрытия симистора. Значительно меньше dV/dt. При превышении симистор продолжит проводить ток.
(dI/dt)c – Максимальная скорость изменения тока в момент закрытия симистора. Значительно меньше dI/dt. При превышении симистор продолжит проводить ток.
Подробно о природе этих ограничений и о том, как сделать фильтр, защищающий от превышения этих величин описано в . К немо можно только добавить, что существуют 3Q симисторы, у которых значения dV/dt и dI/dt выше, чем у обычных за счет невозможности работать в 4ом квадранте (что обычно не требуется).

Выбор симистора

Максимальный ток коммутации

Максимальный ток коммутации ограничивается двумя параметрами: максимальным током, который может пропустить симистор и количеством тепла, которое вы можете от него отвести. С первым параметром все просто, он указан в datashit”е. Но если посмотреть внимательно, то при токе в 16 ампер на BTA16-600BW выделяется около 20 ватт. Такую грелку уже не получится засунуть в коробку выключателя без вентиляции.

Минимальный ток коммутации

Симистор сохраняет проводимость до тех пор, пока через него идёт ток. Минимально необходимый ток указан в datashit”е под именем latching current. Соответственно, слишком мощный симистор не сможет включать маломощную лампочку так как будет выключаться, как только с затвора пропадёт управляющий сигнал. Но так, как этот сигнал мы самостоятельно формируем микроконтроллером, то можно удерживать управляющий сигнал почти до самого конца полупериода, тем самым убрав ограничение на минимальную нагрузку. Однако, если не успеть снять сигнал, симистор не закроется и лампа не погаснет. При плохо подобранных константах лампы, работающие на не полной яркости периодически вспыхивают.

Изоляция

Симисторы в корпусе SOT-220 могут быть изолированными или не изолированными. Я сначала сделал ошибку и купил BT137, в результате радиаторы охлаждения оказались под напряжением, что в моем случае нежелательно. Симисторы с маркировкой BTA изолированы, с маркировкой BTB нет.

Защита от перегрузки

Не стоит полагаться на автоматические выключатели. Посмотрите на , при перегрузке в 1.4 раза автомат обязан выключиться не ранее , чем через час. А быстрое размыкание происходит только при перегрузке в 5 раз (для автоматов типа C). Это сделано для того, чтобы автомат не отключался при включении приборов, требующих при старте значительно больше энергии, чем при постоянной работе. Примером такого прибора является холодильник.
Симистор нужно защитить отдельным предохранителем, либо контролировать ток через него и отключать его при перегрузке, давая остыть.

Защита от короткого замыкания

При перегорании лампы накаливания может образовываться искровой разряд, имеющий очень низкое сопротивление.2t. Задает количество теплоты, накопление которой в кристалле приведет к разрушению кристалла.
dI/dt ограничивается индуктивностью проводки и внутренней ёмкостью симистора. Так как dI/dt достаточно велика (50 А/с для BTA16), может хватить индуктивности подводящей проводки, если она достаточно длинная. Можно подстраховаться и добавить небольшую индуктивность в виде нескольких витков провода вокруг сердечника.
С превышением интеграла Джоуля можно бороться либо уменьшая время прохождения тока через симистор, либо ограничивая ток. Так как симистор не закроется, пока ток не перейдет через ноль, не вводя дополнительных размыкателей нельзя сделать время прохождения тока менее одного полупериода. В качестве такого размыкателя можно использовать:

Быстродействующий плавкий предохранитель. Обычный предохранитель не подойдет так как симистор сгорит до того, как он сработает. Но стоят такие предохранители дороже новых симисторов.

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

Заключение

Я не претендую на абсолютную верность всего написанного. Статья писалась для того, чтобы упорядочить знания, прочитанные на просторах интернета и проверить, не забыл ли я чего. В частности раздел, касающийся защиты от перегрузок я еще не опробовал на практике. Если я где-то не прав, мне было бы интересно узнать об ошибках.
В статье нет ни одной схемы: знакомые с темой и так знают их наизусть, а новичку придётся заглянуть в datashit к MOC3052 или в AN-3008 и, возможно, он заодно узнает что-то еще и не будет бездумно реализовывать готовую схему.

Использование оптотиристоров

Применение оптосимисторов

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

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

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

Рис. 2.105. Режимы работы симисторов (триаков).

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Рис. 2.107. Схемы гальванической изоляции МК от симисторов.

в) разделительный трансформатор T1 наматывается на ферритовом кольце M1000HM размерами K20xl2x6 и содержит в обмотке I — 60 витков, в обмотке II — 120 витков провода ПЭВ-0.2. Цепочка R3, C1 накапливает энергию для импульсной коммутации транзистора K77;

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Автор : elremont от 17-03-2014

Выходные устройства — Терморегуляторы Термодат — промышленные приборы нового поколения для измерения и регулирования температуры

В регуляторах Термодат для управления нагревателями и другими исполнительными устройствами используются следующие выходные устройства:

электромагнитные реле;
транзисторный выход для управления внешними силовыми устройствами;
выходы для непосредственного включения симисторов;
аналоговые выходы (стандартный аналоговый выход).

Электромагнитные реле — выходы Р

В приборах Термодат применяются реле двух типов. Реле РЭК-51 — одно из лучших отечественных реле, имеет высокую надежность, способно коммутировать ток до 5А на активной нагрузке при переменном напряжении 220 В. Реле BS115 фирмы Bestar имеет прекрасные характеристики, малые размеры, коммутирует до 10А при переменном напряжении до 220 В.

В большинстве приборов Термодат используется только один нормально разомкнутый контакт реле — то есть контакт реле разомкнут если прибор выключен. Однако, режим работы реле можно задать программно, изменяя параметры в третьем уровне режима настройки. В одном режиме контакты реле буду замкнуты при температурах ниже уставки и разомкнуты при температуре выше уставки, в другом режиме контакты реле будут разомкнуты при температурах ниже уставки и замкнуты при температуре выше уставки.

Следует помнить, что ресурс работы контактов реле зависит от коммутируемого тока, напряжения и индуктивности нагрузки. Чем выше ток коммутации, тем сильнее эрозия контактов из-за искрообразования. Поэтому при токах выше 3А желательно использовать вторичные силовые реле или пускатели, или тиристорные устройства. Запрещается использовать выходные реле приборов Термодат для коммутации токов более 5А.

Индуктивность нагрузки значительно уменьшает надежность и износостойкость реле. При использовании индуктивной нагрузки обязательно следует применять искрогасящие цепочки. Поскольку двигатели, вентиляторы, пускатели, электроклапаны, звонки являются индуктивной нагрузкой, остановимся на этом вопросе подробнее. При коммутации индуктивных нагрузок наиболее тяжелыми для контактов является процесс размыкания цепи, так как во время размыкания контактов происходит основной износ их из-за образования искрового разряда и дуги. При размыкании индуктивной нагрузки возникают перенапряжения, усиливается дуга и увеличивается ее длительность. Эрозия контактов реле при коммутации индуктивной нагрузки возрастает с увеличением коммутируемых токов и напряжений, а также постоянной времени коммутируемой цепи.

Индуктивная нагрузка при коммутации токов от 0,5 до 1,0 А снижает износостойкость реле по сравнению с активной нагрузкой в 2-2,5 раза. Кроме того, коммутация индуктивных нагрузок вследствие значительного искрения и дугообразования может привести к снижению сопротивления изоляции и пробою электрической изоляции между контактами из-за осаждения на поверхности цоколя продукта износа контактов. Поэтому для увеличения износостойкости контактов, коммутирующих индуктивную нагрузку, необходимо в аппаратуре применять искрогасительные контуры, которые следует включать параллельно контактам или нагрузке. Простейшая и достаточно эффективная искрогасительная цепь — RC цепочка, включенная параллельно контактам реле. Номиналы резистора и конденсатора следует подбирать опытным или расчетным путем. Для большинства пускателей и других обычных нагрузок цепей переменного тока напряжением 220 В наиболее приемлемыми являются значения R от 10 до 30 Ом, С от 0,1 до 1 мкФ. Расчетный путь не дает более точных результатов. Процесс искрообразования зависит, оказывается, не только от индуктивности нагрузки, но даже от типа и конструкции магнитопровода. Если речь идет о серийной продукции, то обязательно следует провести испытания. Снять с реле кожух и опытным путем по величине искры подобрать RC или иную, более сложную цепочку. Затем необходимо провести ресурсные испытания.

При коммутации нагрузок, имеющих емкостной характер наиболее тяжелым для контактов является момент замыкания цепи, когда бросок тока может вызвать сваривание контактов. Поэтому для ограничения тока заряда емкости следует последовательно с ней включать добавочное сопротивление. В цепь реле для его защиты обязательно следует установить плавкие предохранители. Номинал предохранителя должен быть выбран исходя из мощности используемой нагрузки в диапазоне от 1 до 5 А.

Транзисторный цифровой управляющий выход Т

Транзисторный выход предназначен для управления мощностью нагрева с помощью внешних блоков. Выходное напряжение 5В, ток до 30мА. Выход Т может работать в двух режимах — в режиме передачи цифрового кода и в режиме прямой реализации метода равномерного распределения рабочих полупериодов.

Режим равномерного распределения рабочих полупериодов

В этом режиме к выходу Т подключается один симисторный блок СБ (для однофазной нагрузки), либо три блока СБ (для трехфазной нагрузки). В блоках СБ используются элементы МОС3082, обеспечивающие гальваническую (оптоэлектронную) развязку управляющих цепей от силовых. Кроме того, элементы МОС3082 открывают симистор в момент, когда напряжение на нем равно нулю (точнее, близко к нулю). При включении симисторов в нуле прибор создает минимальные помехи в сети, даже при коммутации большой мощности. Кроме того, сами симисторы работают в мягком режиме и их надежность резко увеличивается.

Управляющий сигнал на выходе Т реализует метод равномерного распределения рабочих сетевых полупериодов. Нагрузка включается каждые 10мсек, то есть каждый сетевой полупериод. Выводимая мощность распределяется равномерно по 1024 полупериодам. Если наблюдать форму выходного сигнала осциллографом то при малых выводимых мощностях будут видны отдельные прямоугольные импульсы амплитудой 5В и длительностью 10мсек. В течение этого времени происходи однократное включение симистора. Симистор включается в момент прохождения фазы через ноль и момент включения может не совпадать с началом импульса. Но в любом случае каждому импульсу длиной 10 мсек будет соответствовать одно включение симистора на один полупериод. По мере увеличения выводимой мощности интервал между импульсами будет уменьшаться. При 50% мощности выходной сигнал будет собой представлять меандр — расстояние между импульсами равно длине импульсов (10 мсек). Далее отдельные импульсы начнут сливаться и при мощностях, близких к 100% на выходе почти все время будет уровень сигнала 5В с редкими прямоугольными провалами до 0В длительностью 10мсек, в течение которых симисторы будут выключаться.

Режим передачи цифрового кода

В этом режиме по выходу Т в цифровом виде передается требуемая мощность нагревателя в виде цифрового последовательного кода. При этом к выходу могут быть подключены силовые устройства с микропроцессорным управлением. Блок ФИУ реализует фазоимпульсное управление симистором. Суть фазоимпульсного управления заключается в том, что симистор каждый полупериод открывается не вблизи нуля, а с регулируемой фазовой задержкой от 0 до 180 градусов. При этом эффективное напряжение на нагревателе изменяется от 0 до максимального. Цифровой выход D может быть использован для подключения цифро-аналогового преобразователя и формирования стандартного токового или потенциального сигнала.

Выходы для непосредственного управления симисторами C

Приборы Термодат имеют выходные оптоэлектронные устройства для непосредственного управления симисторами. К этому выходу могут быть непосредственно подключены симисторы или тиристоры. В приборах Термодат используются элементы МОС3082, обеспечивающие гальваническую (оптоэлектронную) развязку управляющих цепей от силовых. Кроме того, элементы МОС3082 имеют встроенный детектор фазы и открывают симистор в момент, когда напряжение на нем равно нулю (точнее, близко к нулю). При включении симисторов в нуле прибор создает минимальные помехи в сети, даже при коммутации большой мощности. Кроме того, сами симисторы работают в мягком режиме и их надежность резко увеличивается. При использовании выходов типа C управление мощностью производится по методу равномерного распределения рабочих полупериодов. При подключении симисторов к регулятору следует знать следующие основные положения.

Выходной ток МОС3082 может достигать 1А, но только в момент поджига симисторов, поэтому нельзя использовать этот выход как релейный, нагружая постоянной нагрузкой.

Не все симисторы поджигаются МОС3082. Например, устаревшие симисторы типа ТС161 требуют однополярного сигнала поджига и не могут быть использованы с МОС 3082. Кроме того, при подключении симисторов следует учитывать ограничение по выходному управляющему току МОС3082. Нельзя непосредственно к элементам МОС3082 подключать мощные симисторы, рассчитанные на токи выше 100А (например, ТС162). Ниже в таблице мы приводим список рекомендуемых нами симисторов для непосредственного подключения к приборам Термодат. Следует подчеркнуть, что рабочие токи, коммутируемые симисторами, зависят от температуры симисторов. Все симисторы должны устанавливаться на радиаторы (охладители). Радиаторы можно использовать покупные, поставляемые с симисторами, или изготовленные своими силами.

Тип симистора	Предельный ток	Рекомендуемый ток при постоянном включении
ТС142-80	80А	45А
ТС152-80	80А	45А
ТС142-50	50А	30А
ТС132-40	40А	25А
ТС122-25	25А	15А
ТС106	10А	6А
КУ208	5А	3А
МАХ242	40А	30А

К одному выходу может быть подключен только один симистор.

Каждый выходной симистор может быть подключен к любой фазе, то есть, например, в десятиканальном приборе, три выхода могут быть подключены к фазе А, три к фазе В, остальные четыре — к фазе С.

Более мощные симисторы, например типа ТС261 могут быть подключены к прибору через промежуточный усиливающий симистор.

В качестве силовых элементов могут быть использованы тиристоры, включенные встречно. Нельзя включать мощные тиристоры без промежуточных усиливающих симисторов.

Аналоговый выход А (стандартный аналоговый сигнал)

Этот выход используется для управления пневматическими исполняющими устройствами, пневмоклапанами, задвижками. Выходной сигнал может быть стандартным аналоговым (4-20 мА или 0-5мА) или потенциальным (0-5В). В приборах предусмотрена возможность инверсии сигнала (максимальной мощности регулятора в этом случае соответствует минимальный аналоговый выходной сигнал) и возможность ограничения максимального уровня сигнала.

Способы подавления помех от терморегулятора

При всех процессах замыкания и размыкания цепи электрическими контактами и электронными ключами наблюдаются радиопомехи, обусловленные резким изменением тока в коммутируемой цепи. Уровень радиопомех определяется крутизной фронтов образующих импульсов, их амплитудой, длительностью. Поскольку регуляторы температур, как правило, коммутируют мощные нагрузки, следует принимать специальные меры для уменьшения помех.

При коммутации индуктивной нагрузки контактами реле уровень создаваемых радиопомех резко уменьшается искрогасительными цепями. Искрогасители эффективно работают только в цепях с индуктивной нагрузкой там где имеется необходимость в снятии перенапряжения при размыкании контактов. Поэтому в электронагревательных приборах, при прямом управлении ТЭНами и спиралями их применять не следует. В качестве помехоподавляющего устройства в этом случае достаточно применение симметричного конденсатора (например К73-21) емкостью 0,1 — 0,22 мкФ, подключаемого к сетевым зажимам питания нагрузки.

Интенсивным источником индустриальных помех принято считать коммутационные устройства на симисторах и тиристорах. Мощные высокочастотные помехи возникают в сети переменного тока в момент включения, если зажигание тиристоров происходит при максимальной амплитуде напряжения — угол отсечки около 90. По этой причине схемы с фазоимпульсным управлением являются очень шумящими в диапазоне частот от 0,1 до 15 МГц, и следует применять специальные меры для подавления помех. По нашим представлениям, фазоимпульсное управление следует использовать только в случае особой необходимости.

Напротив, при включении симисторов в нуле (угол отсечки около 0, напряжение не более 15В) создаются минимальные помехи, уровень которых ниже, чем при включении нагрузки с помощью реле и пускателей. В приборах Термодат поджиг в нуле осуществляется специальными оптоэлектронными устройствами МОС3082, имеющими в своем составе определитель момента прохождения напряжения через ноль.

Как оптимизировать передачу индуктивных нагрузок

Рекомендации по применению

Во-первых, введение задержки наиболее полезно для переключения цепей, которые в основном питают нагрузки двигателей на объектах, которые могут выдерживать кратковременные перебои в подаче электроэнергии. Тем не менее, большим двигателям может потребоваться более 10 секунд для замедления и остановки. Если двигатель является частью системы безопасности жизнедеятельности (например, система контроля дыма в больнице или высотном здании), может быть невозможно ввести задержку, а затем восстановить питание двигателя в течение максимального времени 10 секунд. разрешено статьей 700 Национального электротехнического кодекса ^® .Это приложение потребует другого подхода.

Во-вторых, продолжительность задержки должна определяться в каждом конкретном случае после рассмотрения характера двигателя (ей), которые присутствуют после переключателя. Рекомендации по задержке для конкретного объекта должны быть предоставлены проектировщиком системы распределения электроэнергии или другим квалифицированным электриком после консультации с информацией о спаде остаточного напряжения, которую можно получить у производителей двигателей и нагрузочного оборудования.

В-третьих, задержки передачи не следует путать с задержками синхронизации переключателя передачи . Последнее относится к различным настройкам управления, используемым в контроллерах безобрывного переключателя, чтобы гарантировать, что передачи выполняются только при необходимости и протекают в оптимизированных последовательностях событий. Для получения дополнительной информации просмотрите Технический бюллетень ASCO Power Technologies под названием Elements of Time Delays и Информационный документ Timing Delays for ATS Transition Modes .

Два мгновенно параллельных источника питания

Безобрывные переключатели с замкнутым переходом замыкают контакты альтернативных источников питания перед размыканием контактов исходного источника питания.Когда передаточный переключатель с замкнутым переходом определяет, что оба источника питания присутствуют, приемлемы и синхронизированы, он подключает источники питания параллельно на мгновение, обычно менее чем на 100 миллисекунд. Таким образом, переключение любого вида нагрузки, включая электродвигатель и индуктивную нагрузку, происходит «без ударов» без каких-либо перебоев в подаче электроэнергии. Это может быть лучший вариант для:

• моторные нагрузки, обеспечивающие безопасность жизнедеятельности, которые должны получать резервное питание в установленные сроки.
• чувствительные, дорогостоящие, цифровые или электронные нагрузки после безобрывного переключателя
• объекты, которые стремятся минимизировать любые мгновенные эффекты от операций переключения передачи
Условия для переключения с закрытым переходом требуют наличия обоих источников питания, имеющих разность напряжений не более пяти процентов и разность частот менее двух герц.На рисунке 7 показано выходное напряжение во время операций переключения при закрытом переключении. Для получения дополнительной информации ознакомьтесь с публикацией ASCO Power Technologies под названием Передача нагрузок с нулевым прерыванием питания .
Оптимизированное управление высокоиндуктивной подачей нагрузки с помощью LiquaBladeTM Power
Введение: Пучки частиц
используются в таких разнообразных приложениях, как методы ионной имплантации, используемые в производстве полупроводников, и протонная терапия, используемая при лечении раковых клеток в организме.Эти лучи требуют использования больших электромагнитов постоянного тока, которые генерируют сильные векторы магнитного поля. Эти векторные магнитные поля используются для направления частиц в трехмерном пространстве к определенной цели. Величина постоянного тока, подаваемого на катушки магнита, регулирует напряженность поля, которое затем, в свою очередь, используется для управления отклонением луча.
Катушки больших электромагнитов постоянного тока имеют высокую индуктивность по своей природе и создают проблемы для оборудования преобразования энергии, используемого для подачи постоянного тока на магнит.Индуктивность в диапазоне 4 мГн не является чем-то необычным для этого оборудования, а при постоянном токе в диапазоне от 100 до 1000 А постоянного тока.
Важность точности:
Рисунок 1 иллюстрирует концепции точности и прецизионности. Точность можно определить как то, насколько близко к желаемому параметру способно достичь оборудование. Для целей управления лучом можно учитывать, насколько близким к желаемому току может быть запрограммирован источник питания.
Рисунок 1 – Точность и прецизионность, модель
Точность можно определить по тому, насколько воспроизводимым является данный результат.Для целей управления лучом это можно рассматривать как то, насколько плотно сгруппированы запрограммированные текущие результаты для одного и того же программного входа.
Технологии, в которых используются магниты, обычно требуют высокой степени точности и точности, когда небольшие ошибки в месте нахождения цели могут повлиять на эффективность оборудования. Стабильность во времени и температуре также могут влиять на эффективность оборудования, и нередко требования к стабильности со временем составляют всего 25 ppm / ˚C.
Наряду с точностью важна способность оборудования реагировать на переходные условия или то, насколько хорошо контролируется магнитное поле во время изменения постоянного тока. Интенсивность поля не должна превышать или не превышать заданную интенсивность во время командного шага.
Все эти факторы, точность, точность, стабильность и переходная характеристика контролируются источником постоянного тока, подающим ток на магнит. Вот почему выбор источника постоянного тока является одним из наиболее важных вопросов для системного инженера, а поиск подходящего партнера – ключ к успеху.
Power Conversion Technologies:
Исторически варианты конструкции источников тока, которые удовлетворяли этим высоким требованиям, ограничивались силовыми трансформаторами сетевой частоты с стабилизаторами тока на основе кремниевого управляемого выпрямителя (SCR). Как правило, они требуют большого пространства на полу, обычно имеют воздушное охлаждение и не предлагают модульности или избыточности для уменьшения наработки на отказ. Для них требуется большое количество меди и стали, что приводит к снижению веса и стоимости, а также к сложностям при установке и техническом обслуживании.
Для управления температурным режимом этих систем питания требуются вентиляторы большого объема для охлаждения, что не идеально для применения в чистых помещениях, таких как те, которые используются во многих процессах производства полупроводников. Это может потребовать от инженера-проектировщика системы удаленного обнаружения источника тока магнита за пределами зоны чистой комнаты. Это дополнительно увеличивает общий размер установки и добавляет дополнительную стоимость сильноточных кабелей C и связанных с ними потерь.
Более выгодный подход, который стал доступен в источниках питания с высокочастотным импульсным режимом (HFSM) с воздушным охлаждением, обычно предназначенных для лабораторного и испытательного оборудования.Этот тип оборудования обычно предназначен для работы от линии электропередачи 200–240 В переменного тока, что требует от проектировщиков системы установки больших понижающих трансформаторов от сети переменного тока большой мощности.
Лабораторные принадлежности также связаны с движением воздуха в чистом помещении и, как правило, не имеют модульной конструкции. Что наиболее важно, они обычно не предназначены для таких применений и плохо работают с большими индуктивными нагрузками.
Соображения стабильности контура:
Как и в любой системе с замкнутым контуром, необходимо позаботиться о том, чтобы обеспечить надлежащую стабильность системы.Это требует понимания теории обратной связи и стабильности, а также передового опыта. На рисунке 2 представлена блок-схема системы управления. Эта система состоит из управляемого источника постоянного тока, индуктивного магнита и метода обратной связи и управления. Обеспечивая стабильную работу с резистивными нагрузками, некоторые топологии преобразования мощности и методы обратной связи не могут выдерживать большую индуктивность нагрузки, оставаясь при этом стабильными.
Рисунок 2 – Блок-схема системы управления
В общем, в «Объекте» контура управления преобладает выходная емкость источника питания, создавая полюс или падение усиления и накопление фазовой задержки при увеличении частоты.Назначение элемента обратной связи – компенсировать это падение усиления путем добавления усиления в соответствующих частотных диапазонах, чтобы гарантировать, что, когда общий коэффициент усиления контура достигнет единицы, возможность положительной обратной связи исключена.
При индуктивных нагрузках «Завод» больше не просто выходной конденсатор источника питания; теперь это скомпрометировано из сети LC. Эта LC-сеть передает полюс на более низкую частоту и, возможно, на область, в которой нет запаса по фазе для обеспечения стабильности.
График коэффициента усиления и фазы (Боде) на рисунке 3 иллюстрирует это явление. Запас по фазе – это угол на фазовом графике, когда коэффициент усиления пересекает ноль. Идеальный запас по фазе для источника питания составляет от 45 до 90 градусов, в то время как ниже 45 градусов система рискует стать нестабильной. Добавление индуктивной нагрузки снижает точку перехода усиления с 1 кГц на 30 Гц, а запас по фазе падает с 76 градусов до 45 градусов. Система, которая была стабильной при использовании резистивной нагрузки, теперь рискует стать нестабильной при использовании индуктивных нагрузок.В зависимости от параметров системы новая точка пересечения усиления, которую создает индуктивная нагрузка, может быть еще ниже, или график фазы может падать быстрее на более низких частотах.
Рисунок 3 – График Боде с индуктивной нагрузкой и без нее
Очень важно, чтобы выбранный источник питания разрабатывался с учетом этих критериев, а топология и методы обратной связи учитывали индуктивные нагрузки. В противном случае сеть необходимо будет «настраивать» специально на индуктивность каждой нагрузки, что сокращает возможности применения, доступные разработчику системы.
Astrodyne TDI LiquaBlade Описание:
Astrodyne TDI представляет предложение современного высокомощного оборудования. Этот продукт специально разработан для обеспечения превосходных характеристик и ключевых преимуществ в приложениях с высокой мощностью постоянного тока.
Ключевые особенности линейки продуктов LiquaBlade:
5 кВт
Трехфазный вход 380/480 В переменного тока
99 Коэффициент мощности
Жидкостное охлаждение
Высота 75 дюймов (1U)
Низкое среднее время наработки на отказ
12-битное цифровое управление
CAN, EtherNET или EtherCAT
Режим постоянного тока
Режим постоянного напряжения
Режим постоянной мощности
Масштабируется до систем мощностью 500 кВт
Стабильность менее 40 PPM / C
Линия продуктов LiquaBlade – 1U, с возможностью горячей замены, 16.Полностью регулируемый источник питания мощностью кВт, который может работать от трехфазного источника переменного тока 380–480 В переменного тока и использует жидкостное охлаждение. Выход можно запрограммировать от 0 В постоянного тока, от 0 до 360 А постоянного тока и / или от 0 Вт до 16,5 кВт. Эта универсальность позволяет LiquaBlade работать в широком спектре приложений. В нем используется входной каскад с истинным корректором коэффициента мощности, обеспечивающий коэффициент мощности 99% и общий коэффициент гармонических искажений менее 10%.
LiquaBlade обладает впечатляющей удельной мощностью 20 Вт / квадратный дюйм и может работать в суровых условиях с температурой охлаждающей жидкости до 50 ° C.Он устойчив к скачкам и падениям в сети переменного тока в соответствии со стандартами IEC и SEMI. Соответствие нормативам UL60950-1 позволяет интегрировать их в ряд систем обеспечения безопасности, максимизируя гибкость приложений и одновременно повышая общую безопасность решения для конечного пользователя.
Конфигурация «ящик и полка» использует глухие быстроразъемные электрические разъемы и фитинги для охлаждающей жидкости, что позволяет быстро менять источники питания в случае сбоя. Среднее время ремонта (MTTR) поддерживается на неизменно минимальном уровне, при этом снижается потребность в специальном обучении полевого персонала.
LiquaBlade с индуктивными нагрузками:
LiquaBlade характеризуется дипольным магнитом 8 мГн, используемым в оборудовании для обработки полупроводников для управления пучком длин волн. А также дипольный магнит 15 мГн, используемый в протонной терапии. Тестирование проводилось для демонстрации стабильности замкнутого контура и реакции на скачок команды выходного тока.
Рисунок 5 демонстрирует стабильность LiquaBlade в режиме постоянного тока при возбуждении дипольного магнита 15 мГн. Обратите внимание, что запас по фазе в точке кроссовера усиления составляет 60 °, что указывает на превосходную стабильность замкнутого контура.Фазовый угол на более низких частотах остается значительно выше минимума 45 °, необходимого для стабильности. Это говорит о том, что с большим магнитом с увеличенной индуктивностью точка кроссовера усиления будет уменьшаться, но запас по фазе всегда будет оставаться в стабильной области.
Рисунок 5 – Отклик замкнутого контура магнита 15 мГн
Еще один способ проиллюстрировать стабильность замкнутого контура – выполнить шаг команды выходного тока и измерить выходной ток.Нестабильный контур будет иметь синусоидальные колебания выходного тока в течение одного или нескольких циклов. На рисунке 6 показан критически затухающий отклик контура, при котором выходной ток быстро приближается к своей цели без чрезмерных колебаний.
Рисунок 6 – Отклик на скачок магнита 15 мГн
Как упоминалось ранее, наряду с характеристиками замкнутого контура, стабильность рабочих точек также является ключом к приложениям управления лучом. На рис. 7 показана демонстрация стабильности, выполненная на LiquaBlade с использованием резистивной нагрузки в режиме постоянного тока.Температура охлаждающей жидкости, сопротивление нагрузки и линейное напряжение были модулированы для регистрации влияния (если таковое имеется) на стабильность выходного тока. Это свидетельствует о том, что при изменении температуры охлаждающей жидкости на 10 градусов выходной ток изменился с 249,644 пост. Аналогичным образом, стабильность как функция выходного напряжения свидетельствует о 7,67 л / мин / вольт. Не было заметного изменения выходного тока в зависимости от входного напряжения сети переменного тока.
Рисунок 7 – График устойчивости
Заключение:
Источники питания, используемые для управления магнитными индуктивными нагрузками, требуют надлежащего понимания и учета их уникальных потребностей. При выборе источника питания необходимо учитывать стабильность, точность и дрейф в замкнутом контуре. Продукт LiquaBlade обеспечивает проверенную производительность во всех областях, предлагая при этом ряд дополнительных функций. Astrodyne TDI использует свой многолетний опыт в разработке сложных энергетических продуктов, чтобы предложить еще одну линейку продуктов, хорошо подходящую для вашего применения.
Банки индуктивной нагрузки серии L
Общие
Нагрузочные батареи – это устройства, которые содержат резистивные, индуктивные и / или емкостные нагрузки. Они прикладывают нагрузку к источнику электроэнергии, тем самым рассеивая мощность источника электроэнергии.
В отличие от нагрузок на месте, которые сильно изменяются с точки зрения многих электрических параметров, блоки нагрузки обеспечивают заранее определенные и контролируемые нагрузки.Они, в свою очередь, служат источнику питания, используя его выходную энергию для тестирования, поддержки или защиты.
Переносные и стационарные блоки нагрузки включают шаг шага нагрузки до 1 кВАр для тестирования малых и больших генераторных установок. Разрешение точного управления обеспечивает точное управление нагрузкой и настройку целевого коэффициента мощности.
Блоки нагрузки
подходят как для испытаний в мастерской, так и на месте, а блоки подходят для монтажа на прицепе.
Характеристики
Прочная конструкция
Вертикальный / горизонтальный выпуск воздуха
Контейнер ISO или индивидуальный дизайн корпуса
Интегрированная система дистанционного управления с сбором данных, мониторингом и ступенчатым регулированием нагрузки
Простота интегрированного нагрузочного тестирования с другими банками нагрузки
Коррозионно-стойкая краска для наружных работ
Виброзащита из нержавеющей стали
Реакторы высокого температурного класса по запросу
Конструкции, совместимые с IEC 62116, IEEE Std 929 и UL1741
Нагрузочные банки оснащены дополнительным сенсорным ЖК-дисплеем и / или беспроводным дистанционным контроллером ступенчатого переключения нагрузки и / или программным обеспечением ПК для ступенчатого и временного контроллера нагрузки.Кроме того, функции контроллера включают запуск / остановку вентилятора, управление электрическими параметрами, синхронизацию, сбор данных, режим тестирования и обнаружение неисправностей. Контроллеры ПК подключаются к банку нагрузки через порт USB для подключения.
Кроме того, в блоке нагрузки предусмотрены автоматические выключатели, и обеспечивается легкий доступ к отсеку распределительного устройства и реакторам. С точки зрения безопасности; Защита от отказа вентилятора, низкого расхода воздуха, перенапряжения, перегрева и чередования фаз включена в блок нагрузки.
Область использования
Испытания генераторов
Судовые испытания
Электростанции
Телекоммуникационные узлы
Горное дело
Военные учреждения
Дата-центры
Аккумуляторные системы
ИБП
Инверторы
Технические характеристики
50-60-400 Гц
Индуктивная (до 36 кВ)
Измерения анализатора мощности: V, A, W, VAr, Hz, cosPhi
Необходимая информация для коммерческого предложения
Прикладываемое напряжение и частота
Мобильный или стационарный
Разрешение шага нагрузки
Обслуживание внутри или вне помещений
Мощность (кВАр)
Нагнетатель и управляющее напряжение
Внутреннее и / или внешнее питание управления
Измерители (вольтметр, амперметр, квтметр, кВА-метр, cosF, частотомер)
Дополнительный компьютерный интерфейс RS 232 / RS 485 (беспроводной компьютерный интерфейс по запросу)
Автоматический регулятор
Беспроводной пульт дистанционного управления
Степень защиты: IP20 / внутренний, IP20 / открытый под крышей, IP55 / открытый
NWIPCM -1P Плата драйвера SCR с выходом управления фазовым углом, обратной связью по току и плавным пуском
Драйвер регулятора мощности SCR угла фазы

ПЛАТА ДРАЙВЕРА SCR ИНДУКТИВНОЙ НАГРУЗКИ С ТЕКУЩЕЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ
Плата драйвера двухфазного тиристора с регулируемым углом наклона обеспечивает привод затвора постоянного тока
Истинный линейный регулятор фазового угла на выходе с обратной связью по току
Подходит для резистивных и индуктивных нагрузок
Вход ШИМ – недорогой интерфейс ПЛК
Настраиваемый плавный пуск для высоких пусковых нагрузок
Входы 4-20 мА, 0-10 В, 0-5 В, потенциометр, ШИМ
Компенсация сетевого напряжения повышает стабильность процесса
Настраиваемый плавный пуск для чувствительных нагрузок
Автоматический режим 50/60 Гц
Регулируемый предел напряжения и тока
Светодиодные индикаторы мощности и мощности
Микропроцессор на базе NWIPCM-1P обеспечивает истинный линейный фазовый угол SCR для резистивные и индуктивные нагрузки.Выход мощность пропорциональна вводу команды который может быть выбран из шести DIP-переключателей различные стандартные входные данные. Высота токовый привод затвора подходит для больших тиристоров.
NWIPCM-1P – это модуль управления фазой, предназначенный для использования с назад модули SCR управляют резистивными или индуктивными нагрузками. Мощность, передаваемая на нагрузку, составляет пропорционально командному входному сигналу. Техника управления затвором, используемая в NWIPCM – это привод постоянного тока для максимальной стабильности при срабатывании индуктивных нагрузок.
КОДЫ ДЛЯ ЗАКАЗА
NWIPCM-1P-X-XXX 120 или 240
NWIPCM-1P-X-XSS Время плавного пуска (секунды)
NWIPCM-1P-X-XSC Время мягкого изменения (секунды) (по умолчанию 1 секунда)
NWIPCM-1P-X-XSS / C-LIV Линейное выходное напряжение RMS (по умолчанию – RMS PWR)

CR8450-1000
Трансформатор тока, необходимый для использования функции обратной связи по току NWIPCM-1P, продается отдельно.

По вопросам продаж и распространения звоните 866-379-3597 Заказать онлайн

NWIPCM-1P> ДОКУМЕНТАЦИЯ
Плата управления питанием тиристора с фазовым углом для индуктивных нагрузок NWIPCM-1P Datasheet
NWIPCM-1P User’s Manual

Патент США на схему для управления током в индуктивных нагрузках и метод управления для нее Патент (Патент № 10,982,785 выдан в апреле , 2021)
Уровень техники
Область техники
Настоящее изобретение относится к управлению током в индуктивных нагрузках, таких как электромеханические клапаны, содержащие катушку.Настоящее раскрытие также относится к использованию схемы драйвера для управления током нагрузки в индуктивной нагрузке, и, в частности, схемы драйвера, включающей управляемый переключатель, имеющий пару управляющих переключателей со стороны низкого и высокого уровня, которые управляются для увеличения тока нагрузки. протекает в индуктивной нагрузке, и посредством конфигурации рециркуляционного диода для рециркуляции тока нагрузки, когда управляемый переключатель выключен, указанная схема управления включает в себя модуль управления, генерирующий управляющий сигнал для включения и выключения управляемого переключателя.
Описание предшествующего уровня техники
В некоторых автомобильных приложениях, таких как антиблокировочные тормозные системы (ABS), управление трансмиссией и другие, желательно точное и линейное управление током, протекающим через клапанное устройство. Здесь под клапаном или клапанным устройством подразумевается электромеханический элемент, включающий катушку вокруг ферромагнитного сердечника. Когда через такую катушку протекает ток, генерируемое магнитное поле создает силу на сердечнике, которой противодействует пружина, что вызывает движение сердечника.В зависимости от типа клапана это движение может использоваться для открытия / закрытия гидравлического контура, перемещения механической передачи или для других механических целей. Поскольку окончательное смещение сердечника зависит от тока, протекающего через катушку, в зависимости от требований системы часто требуется точный контроль тока. С электрической точки зрения клапан, в основном из-за катушки, соответствует индуктивной нагрузке. Очень упрощенная электрическая модель электромеханического клапана представлена последовательностью сопротивления и индуктивности, хотя реальное электрическое поведение клапана может значительно отличаться, как будет обсуждаться ниже.
Широко используемый метод управления средним током, протекающим через индуктивную нагрузку, такой как ток, представленный электромеханическим клапаном, использует управляющий сигнал PWM (широтно-импульсная модуляция).
В качестве примера на фиг. 1 показана схема 10 для управления током в клапане 50 . Схема 10 реализована в виде интегральной схемы с тремя выводами для подключения к индуктивной нагрузке, соответствующей узлам VB, OUT и PNGD, которые будут описаны более подробно ниже.Схема 10 для управления током включает в себя модуль 15 контроллера тока PWM, который генерирует команды CMD управления PWM для управления работой драйвера тока нагрузки, представленной клапаном 50 , который здесь реализован посредством переключения модуль драйвера 18 . Модуль 15 контроллера тока PWM работает, например, как пропорционально-интегральный контроллер с обратной связью, реализующий пропорционально-интегральную передаточную функцию.Передаточная функция также может быть пропорционально-интегрально-производной между своими входами и выходами. Модуль контроллера тока PWM 15 обычно интегрируется в универсальное устройство Smart-Power ASIC. Тогда схема 10 для управления током включает в себя модуль переключения полумоста 18 , который на фиг. 1, находится в конфигурации с нижней стороны. Модуль драйвера переключения 18 включает в себя пару переключателей, реализованных в виде полевых МОП-транзисторов, с переключателем низкого уровня 11 , подключенным к источнику PGND заземления, так что он подключен между нагрузкой 50 и заземлением PNGD, и Переключатель высокого уровня 12 , соединенный стоком в соответствующем аккумуляторном узле VB с питающей шиной, представленной напряжением батареи V _BATT, так что он подключен между питающей шиной VB и нагрузкой 50 .Электрод стока переключателя 12 стороны низкого давления подключен к истоку переключателя 11 стороны высокого уровня, образуя выходной узел OUT. Нагрузка, то есть клапан 50 , подключена между напряжением батареи V _BATT и выходным узлом OUT. Каждый коммутатор 12 и 11 имеет соответствующий драйвер затвора 12 a и 11 a , образуя с соответствующим переключателем соответствующую приводную цепь для нагрузки 50 , чтобы управлять своим затвором с помощью соответствующий командный сигнал CMD и CMD, т.е.е., командный сигнал переключателя 11 стороны высокого уровня является отрицанием командного сигнала стороны низкого уровня, который исходит от модуля 15 контроллера тока PWM. Для конфигурации со стороны высокого давления двойное расположение может быть применено способом, который сам по себе известен специалисту в данной области техники.
В клапане 50 , показанном на РИС. 1, представленный последовательностью сопротивления R _{НАГРУЗКА} и индуктивности L _{НАГРУЗКА}, протекает ток нагрузки I _{НАГРУЗКА}.
Показано на РИС. 2 – временные диаграммы, представляющие различные токи, протекающие в цепи 10 , в зависимости от времени t. Командный сигнал CMD имеет состояния ВКЛ и ВЫКЛ, длительность которых контролируется ШИМ-контроллером 15 . Когда сигнал CMD находится в периоде включения, ток нагрузки I _LOAD через клапан 50 увеличивается и соответствует току на стороне низкого уровня I _LS через переключатель низкого уровня 11 . Когда сигнал CMD находится в периоде выключения, так называемый рециркуляционный ток, который соответствует току высокой стороны I _HS через переключатель стороны высокого давления 12 , протекает через клапан 50 , уменьшается по значению.Оба интегрированных драйвера 11 , 11 a и 12 , 12 a снабжены соответствующей схемой измерения тока 11 b , 12 b , что позволяет измерение тока, протекающего через клапан 50 , как в периоды включения, так и в периоды выключения, т. е. тока низкой стороны I _LS и тока высокой стороны I _HS, за исключением коротких интервалов времени, во время включения -OFF переходы.Чувствительная схема 11 b , 12 b может быть реализована, например, в виде усилителя считывания. Контроллер 15 принимает в качестве входных данных считывающий ток I _sense, который является суммой, выполняемой в узле суммирования 13 , тока, считываемого драйвером низкой и высокой стороны. Контроллер 15 также принимает в качестве входа целевой ток I _target, который устанавливается пользователем или внешними модулями управления, который представляет заданное значение контроллера 15 , и период ШИМ T _PWM.С точки зрения управления, контроллер 15 использует целевой ток I _target в качестве уставки, ток считывания I _sense в качестве величины обратной связи и ошибку между целевым током I _target и ток срабатывания I _sense питает пропорциональный интегральный блок, который, в свою очередь, подает сигнал на блок ШИМ, модулирующий период ШИМ T _PWM в соответствии со значением, полученным блоком пропорционального интеграла. Следовательно, схема 10 позволяет реализовать точное управление средним током в широком диапазоне периодов ШИМ и условий рабочего цикла.Доступность измерения тока нагрузки почти в течение всего периода времени ШИМ позволяет интегрировать алгоритм управления током, который может гарантировать, что средний ток нагрузки I _load регулируется в соответствии с целевым значением I _target с очень хорошим точность и независимо от реальной формы тока нагрузки. Даже если при применении модели серии LR для нагрузки 50 форма отличается от идеально ожидаемой, ток постоянно измеряется цепями датчиков 11 a , 12 a и интегрируется в модуль 15 для правильного контроля реального среднего значения.
Недостаток решений, подобных изображенному на фиг. 1 – стоимость устройства управления, где требуются два каскада мощности, потребляющих кремниевую область, с соответствующей схемой измерения тока, которая должна иметь хорошие характеристики согласования, и тремя контактами или клеммами для каждой нагрузки, т. Е. Клеммами, обозначенными как VB, OUT и PGND на фиг. 1. В современных устройствах ASIC при интеграции огромного количества функций и драйверов количество выводов может быть ограничивающим фактором.
Также известны решения, которые менее точны, чем описанное со ссылкой на фиг.1, но подходят для конкретного автомобильного применения, такого как системы ABS, где может присутствовать большое количество клапанов и которые предполагается приводить в действие, но не все из них требуют одинакового уровня точности регулирования тока. В зависимости от их назначения по отношению к гидравлической системе, некоторые из них могут иметь простой привод ВКЛ-ВЫКЛ или могут иметь ШИМ-привод с менее жестким регулированием тока, т. Е. Регулирование тока может обеспечивать более низкую точность абсолютного тока и / или тока. могут быть измерены / отслежены только в течение более длительного периода времени, т.е.е., не в течение одного периода ШИМ.
В этом отношении, показанное на фиг. 3 – схема 20 для управления током в клапане 50 , пример таких решений, реализующих менее точное управление. Одинаковый ссылочный номер относится к компонентам с одинаковой функцией. Такая схема 20 для управления током в клапане 50 включает в себя интегральную схему 20 a , в частности ASIC (специализированная интегральная схема) и внешний рециркуляционный диод 22 .Здесь присутствует только интегрированный драйвер нижнего плеча 11 , 11 a и связанная с ним схема измерения тока 11 b с двумя контактами, узлом OUT и узлом PGND 20 a , для управления током нагрузки I _{нагрузки}, в то время как рециркуляционный ток клапана 50 управляется внешним, то есть внешним по отношению к интегральной схеме 20 a , недорогим диодом 22 , который подключен между выходным узлом OUT, т.е.е., сток переключателя низкого уровня 11 и аккумуляторный узел VB, подключенный к аккумулятору с напряжением V _BATT.
Следовательно, такая схема 20 для управления током в клапане 50 может рассматриваться как включающая в себя пару управляющих переключателей на стороне низкого и высокого уровня, которые, однако, в этом случае получаются с помощью управляемого переключателя, – боковой переключатель MOSFET 11 , который включается для увеличения тока нагрузки, протекающего в индуктивной нагрузке 50 , и рециркуляционным диодом 22 , который можно рассматривать как переключатель верхнего плеча, но не переключатель, который управляется управляющим сигналом, предназначенным для рециркуляции тока нагрузки I _{на нагрузку}, когда управляемый переключатель, т.е.е., MOSFET 11 , выключен. Как упоминалось ранее, рециркуляционный диод 22 является внешним по отношению к интегральной схеме 20 a , что является важной особенностью, поскольку снижает стоимость интегральной схемы 20 a . Рециркуляционный диод 22 подключен параллельно к нагрузке 50 , причем анод подключен к выходному узлу, а катод подключен к напряжению батареи V _BATT, так что, когда MOSFET 11 выключен, i .е., переключатель разомкнут, рециркуляционный диод 22 является прямым проводящим, рециркулируя ток нагрузки I _{, нагрузка}, протекающая через нагрузку, к батарее, в то время как, когда MOSFET 11 включен, т. е. переключатель замкнут , рециркуляционный диод 22 имеет обратное смещение.
В такой топологии схемы ток нагрузки I _{нагрузка}, при протекании через внешний рециркуляционный диод 22 как ток диода I _{, диод}, поскольку переключатель нижней стороны 11 выключен, а ток низкой стороны I _LS равен нулю, не может быть измерен схемой управления, и поэтому реальный средний ток I _{средний} относительно тока нагрузки I _load не может быть измерен, так как только ток низкой стороны I _LS измеримый.
Следовательно, такая схема работает следующим образом.
Интегрированный драйвер 11 , 11 a , как показано на соответствующих временных диаграммах, показанных на фиг. 4, принимает сигнал CMD команды прямого управления от микроконтроллера 25 , который является внешним по отношению к ASIC 20 a , на входной вывод CN, соответствующий входному узлу драйвера затвора 11 a , и отправляет обратно сигнал обратной связи по току I _f на микроконтроллер 25 через связь SPI (последовательный параллельный интерфейс).Обратная связь по току I _f измеряется на половине периода включения Ton во время i + 1-го цикла i + 1. В течение каждого i-го периода ШИМ период включения Ton измеряется менее точной схемой 20 в измерительном модуле 28 и дискретизируется модулем выборки и хранения 26 в момент Ton _i / 2 последующего цикла ШИМ i + 1, ток нагрузки I _{, нагрузка}, чтобы передать значение обратной связи по току I _f через аналого-цифровой преобразователь 27 на микроконтроллер 25 .Следовательно, последующий цикл ШИМ i + 1 является современным циклом измерения, то есть циклом реального времени по отношению к работе контура, в котором измеряется ток нагрузки. Однако значение обратной связи по току I _f вычисляется или измеряется с использованием значения цикла предыдущего цикла ШИМ i времени включения, Ton _i. Такое значение обратной связи по току I _f отличается от реального среднего значения тока, протекающего через клапан 50 . Однако этого нельзя избежать, поскольку полная тенденция тока нагрузки I _load недоступна внутри интегральной схемы 20 , если ток выключения не измеряется для экономии затрат.
Следовательно, существует компромисс между точностью и стоимостью. Обратная связь по току I _f может использоваться микроконтроллером 25 только для контроля тока или для реализации алгоритма управления током. Хотя алгоритм управления током, работающий на основе периода ШИМ, может быть реализован, это потребует довольно большой нагрузки трафика SPI, которую трудно выдержать. Кроме того, важное ограничение для этой топологии управления связано с очень ограниченной точностью при низких средних токах.Когда целью является низкий средний ток, через командный сигнал CMD должен применяться очень маленький рабочий цикл, ограничивая период, когда ток может быть измерен схемой 20 , очень низким процентом от общего периода. Это усугубляется интервалами нечувствительности цепи датчика тока 11 b во время переходов ВКЛ-ВЫКЛ сигнала CMD, чтобы гарантировать, что надежное значение может быть получено как измеренный ток, и, что наиболее важно, нелинейное поведение реального клапана 50 , которое значительно отличается от «плавного» тренда простой модели серии LR.
Из-за всех ограничений, описанных здесь выше, схема, показанная на фиг. 3 ограничено использованием для клапанов, требующих довольно низкой точности регулирования тока.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ
В настоящем раскрытии представлены решения, которые преодолевают один или несколько из вышеупомянутых недостатков.
Согласно одному или нескольким вариантам осуществления предоставляется схема для управления током в индуктивных нагрузках. Кроме того, варианты осуществления относятся к соответствующему способу управления.
Как упоминалось ранее, настоящее изобретение относится к схеме для управления током в индуктивных нагрузках, в частности, электромеханических клапанах, включающих катушку. Схема включает в себя схему драйвера для управления током нагрузки в индуктивной нагрузке. Схема возбуждения включает в себя в части интегральной схемы схемы возбуждения управляющий переключатель на стороне низкого или высокого уровня, полученный с помощью управляемого переключателя, такого как полевой МОП-транзистор, и который включается для увеличения тока нагрузки, протекающего в индуктивной нагрузке.Ток нагрузки также управляется рециркуляционным диодом, внешним по отношению к части интегральной схемы схемы драйвера, выполненным с возможностью рециркуляции тока нагрузки, когда управляемый переключатель выключен. Схема управления включает в себя модуль управления, генерирующий управляющий сигнал для включения и выключения управляемого переключателя. Модуль управления включает в себя модуль контроллера тока с широтно-импульсной модуляцией (PWM), включая замкнутый контур с отрицательной обратной связью, который включает в себя модуль, реализующий, по меньшей мере, пропорциональное управляющее воздействие и интегральное управляющее воздействие, питающее модуль модулятора PWM.Модуль контроллера тока ШИМ принимает в качестве уставки контура обратной связи целевое значение тока и, в качестве измеренного значения обратной связи контура, оценочное значение тока, протекающего в нагрузке во время цикла ШИМ измерения. Модуль контроллера тока PWM сконфигурирован для генерации управляющего сигнала для управляющего входа управляемого переключателя на основе ошибки между целевым током и оценкой тока, протекающего в нагрузке.
В различных вариантах осуществления схема включает в себя управляемый переключатель, который представляет собой переключатель нижнего уровня, подключенный между выходным узлом и заземляющим узлом.Рециркуляционный диод может быть подключен к аккумуляторному узлу параллельно индуктивной нагрузке.
В различных вариантах осуществления схема включает в себя схему считывания, такую как усилитель считывания, которая подключена к переключателю для считывания тока нагрузки и подачи измерительного тока в модуль, выполняющий оценку тока тока, протекающего в нагрузка.
В различных вариантах осуществления оценка тока, протекающего в нагрузке, вычисляется как половина суммы низкого значения тока, полученного после того, как модуль контроллера тока PWM выдал командный сигнал включения для переключателя, и высокого значения тока, полученного до конец предыдущего командного сигнала ВКЛ.
В различных вариантах осуществления модуль, реализующий по меньшей мере пропорциональное управляющее действие и интегральное управляющее действие, также реализует производное действие.
Раскрыт способ управления током в индуктивных нагрузках, таких как электромеханические клапаны, содержащие катушку. Способ включает в себя управление током нагрузки в индуктивной нагрузке с помощью пары управляющих переключателей со стороны низкого и высокого уровня, полученных с помощью управляемого переключателя, такого как полевой МОП-транзистор. Управляемый переключатель включается для увеличения тока нагрузки, протекающего в индуктивной нагрузке.Рециркуляционный диод предназначен для рециркуляции тока нагрузки, когда управляемый переключатель выключен. Способ включает формирование управляющего сигнала для включения и выключения управляемого переключателя. Генерация управляющего сигнала для включения и выключения управляемого переключателя включает в себя управление током с ШИМ (широтно-импульсной модуляцией) с помощью замкнутого контура отрицательной обратной связи, реализация по крайней мере пропорционального управляющего воздействия и интегрального управляющего воздействия и ШИМ-модуляция с использованием в качестве контура обратной связи. установить целевое значение тока и в качестве измеренного значения обратной связи контура оценочное значение тока, протекающего в нагрузке во время цикла измерения PWM.Способ включает формирование управляющего сигнала для управляющего входа управляемого переключателя на основе ошибки между заданным током и оценкой тока, протекающего в нагрузке.
В различных вариантах осуществления способ включает в себя использование в качестве управляемого переключателя переключателя нижнего уровня, подключенного между выходным узлом и узлом заземления, и подключение рециркуляционного диода к узлу батареи параллельно относительно индуктивной нагрузки.
В различных вариантах осуществления способ включает в себя измерение тока в управляемом переключателе для измерения тока нагрузки и оценку на основе упомянутого тока считывания упомянутого оценочного значения тока, протекающего в нагрузке во время цикла измерения PWM.
В различных вариантах осуществления оценка на основе тока считывания оценочного значения тока (протекающего в нагрузке во время цикла ШИМ измерения) включает в себя вычисление половины суммы: значения низкого тока, полученного после выдачи командный сигнал ВКЛ в цикле измерения ШИМ и высокое значение тока, полученное непосредственно перед или синхронно с выдачей командного сигнала ВЫКЛ.
В различных вариантах осуществления низкое значение тока получается из тока считывания после выдачи командного сигнала ВКЛ в цикле измерения ШИМ, оценивающем, когда управляемый переключатель замыкается, в частности, после установления тока считывания,
В различных В вариантах осуществления высокое значение тока получается непосредственно перед или синхронно с выдачей командного сигнала выключения, оценивающего, когда управляемый переключатель разомкнут.В различных вариантах осуществления среднее значение тока вычисляется как сумма низкого тока и высокого тока, деленная на два.
В различных вариантах осуществления способ включает в себя предотвращение выборки высокого значения тока или низкого значения тока, если рабочий цикл сигнала управления ШИМ составляет 100%.
В различных вариантах осуществления модуль, реализующий по меньшей мере пропорциональное управляющее действие и интегральное управляющее действие, также реализует производное действие.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ НЕСКОЛЬКИХ ВИДОВ ЧЕРТЕЖЕЙ
Варианты осуществления настоящего раскрытия теперь будут описаны со ссылкой на прилагаемые чертежи, которые предоставлены исключительно в качестве неограничивающего примера и на которых:
Фиг.1, 2, 3, 4 уже были описаны выше;
РИС. 5 схематично показан вариант осуществления схемы управления описанного здесь типа.
РИС. 6 показывает временную диаграмму, представляющую токи и значения, используемые схемой управления по фиг. 5.
РИС. 7 показывает блок-схему, представляющую вариант осуществления способа, реализованного схемой фиг. 5.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
В нижеследующем описании приведены многочисленные конкретные детали, чтобы обеспечить полное понимание вариантов осуществления.Варианты осуществления могут быть реализованы на практике без одной или нескольких конкретных деталей или с другими методами, компонентами, материалами и т. Д. В других случаях хорошо известные структуры, материалы или операции не показаны или не описаны подробно, чтобы избежать затруднения понимания аспектов вариантов осуществления. .
Ссылка в данном описании на «один вариант осуществления» или «вариант осуществления» означает, что конкретный признак, структура или характеристика, описанные в связи с вариантом осуществления, включены по меньшей мере в один вариант осуществления.Таким образом, появление фраз «в одном варианте осуществления» или «в варианте осуществления» в различных местах данного описания не обязательно относится к одному и тому же варианту осуществления. Кроме того, конкретные особенности, структуры или характеристики могут быть объединены любым подходящим образом в одном или нескольких вариантах осуществления.
Заголовки, представленные в данном документе, предназначены только для удобства и не ограничивают объем или значение вариантов осуществления.
На ФИГ. На фиг.5 описано решение для управления током в индуктивных нагрузках, которое обеспечивает достаточную точность и ток в реальном времени, с использованием одного переключателя, в частности переключателя низкого уровня, представленного схемой управления током 30 .Такое решение предусматривает в схеме управления током 30 ШИМ-контроллер тока, сконфигурированный для регулирования тока нагрузки в реальном времени. Регулирование в реальном времени означает регулирование в течение одного периода ШИМ, не требуя высокой нагрузки на микропроцессор. Значение обратной связи по току для ШИМ-регулятора тока для сравнения с заданным значением тока извлекается, что минимизирует текущую ошибку по отношению к реальному среднему току, принимая во внимание также реальную форму тока клапана.Используется интегральная схема 30 a , содержащая интегрированный контур регулирования тока с внешним рециркуляционным диодом. Описываются различные возможные стратегии управления для вычисления значения тока обратной связи для сравнения с целевым значением на основе доступного измерения тока включения.
Как показано на фиг. 5, схема управления 30 представляет собой по существу такую же компоновку схемы управления 20 , имеющую интегральную схему 30 a , включая единственный переключатель низкого уровня 11 , имеющий нагрузку 50 , подключенную между выходной узел OUT, который соответствует электроду стока переключателя низкого уровня 11 , и напряжению аккумулятора V _BATT.Рециркуляционный диод 22 , внешний по отношению к интегральной схеме 30 a , подключен между теми же узлами, OUT и V _BATT, чтобы проводить ток непосредственно в узле батареи V _BATT.
В этом случае, в отличие от схемы 20 , показанной на фиг. 3, командный сигнал CMD выдается контроллером 15 , который включен в модуль контроллера тока 35 , включенный в интегральную схему 30 a , который принимает в качестве одного из своих входов период ШИМ T _ШИМ.Вход уставки контроллера 15 , однако, получает ток ошибки I _error, вычисленный как разность, которая выполняется в конкретном модуле суммирования 31 , также включенном в модуль контроллера тока 35 , между целевой ток I _{, целевой} и средний ток I _mid. Такой средний ток I _mid измеряется в модуле извлечения среднего тока 32 , который принимает ток считывания I _sense от схемы считывания 11 b и командный сигнал CMD в качестве входных данных.
Интегральная схема 30 a , следовательно, в варианте, показанном выше, включает модуль контроллера тока 35 , драйвер 11 , 11 a , модуль извлечения медианного тока 32 , и схему измерения тока 11 b.
Со ссылкой на фиг. 6, показана диаграмма зависимости тока I _sense от времени t, средний ток I _mid, извлеченный модулем извлечения среднего тока 32 , может быть вычислен на основе тока считывания I _sense., что соответствует низкому току на стороне I _LS, предпочтительно следующим образом.Первый цикл ШИМ определяется с момента, когда сигнал CMD управления ШИМ переходит из состояния ВЫКЛ в состояние ВКЛ, начиная с периода включения Ton _i, и с последующего периода выключения Toff _i. Последующий цикл ШИМ i + 1 определяется как цикл измерения, поскольку, как более подробно описано во время этого цикла, средний ток I _mid вычисляется и подается на узел 31 для вычисления тока ошибки I _error обновление ввода контроллера 15 , тем самым изменяя продолжительность периода включения Ton _{i +} цикла измерения i + 1.
Средний ток I _mid получается путем вычисления среднего значения между высоким значением тока I _hc, измеренным, когда оказывается, что управляющий сигнал CMD ШИМ переходит из состояния ВКЛ в состояние ВЫКЛ, как показано на фиг. 6 начало первого цикла ШИМ i. Период включения Ton _i первого цикла ШИМ i показан с его площадью наклонными линиями. Низкое значение тока I _lc выбирается или регистрируется, когда управляющий сигнал CMD ШИМ переходит из состояния ВЫКЛ в состояние ВКЛ в конце первого цикла ШИМ i.Низкое значение тока I _lc тока I _sense получается, как только переключатель 11 полностью включен и усилитель считывания тока, воплощающий схему считывания 11 b , устанавливается, чтобы гарантировать правильное измерение тока. . Таким образом, средний ток I _mid получается в цикле измерения i + 1, как только значение низкого тока I _lc измеряется в начале цикла i + 1, усредняя его с высоким током I _hc, который считывается в конце цикла i с немедленным использованием среднего тока I _mid для обновления ПИ-регулятора 15 , вычисляя значение времени включения Ton _{i + 1} цикла измерения i + 1 сам.
На ФИГ. 6, где показана линия, соответствующая среднему значению тока I _{, среднему}, то есть реальному среднему значению периодического тока в нагрузке, указаны другие величины, которые могут быть вычислены модулем 32 как средний ток I _{среднее значение}. Возможный выбор – среднее значение тока включения I _avgon, то есть среднее значение тока включения. Другой возможный выбор – значение тока считывания на T _на/2, I (T _{на / 2}).
В типичных условиях движения и с моделью клапана серии RL, где текущая форма пульсаций очень похожа на треугольную волну (T _ON и T _OFF меньше постоянной времени нагрузки), эти три альтернативных варианта ( средний ток I _mid, среднее значение тока включения I _avgon и значение тока считывания на T _на/2, I (T _{на / 2})) почти эквивалентны, поскольку все эти три варианта обеспечивают значения которые очень близки к истинному среднему значению тока I _{, среднему значению}.Измерения пульсаций тока на реальном клапане, установленном в полной среде приложения и приводимом в действие при различных целевых токах, показывают форму пульсаций тока, которая не соответствует поведению с одной постоянной времени, обеспечиваемой простой моделью серии R-L. В частности, реальное поведение тока показывает высокую крутизну, как только драйвер включается или выключается, в то время как крутизна тока уменьшается по мере сохранения состояния включения / выключения – это должно быть настроено с использованием, следовательно, различных постоянных времени. Причина такого поведения, по-видимому, заключается в ферромагнитных характеристиках сердечника клапана с его гистерезисом и насыщением.
Из-за этого нелинейного поведения пульсаций тока метод, основанный на среднем токе I _mid, обеспечивает наименьшую ошибку в широком диапазоне заданного тока.
Следует подчеркнуть, что на РИС. 6, для среднего тока I _mid точка, помещенная в половину периода выключения цикла i, просто указывает значение среднего тока I _mid на вертикальной оси, так что такое значение среднего тока I _mid можно также графически сравнить с другими оценками тока и относительно среднего тока I _{, среднего}.Однако средний ток I _mid вычисляется в момент времени t 2 в цикле i + 1, и сплошная линия, проходящая через точку среднего тока I _mid, нарисована только для упрощения иллюстрации.
РИС. 7 показывает блок-схему, представляющую вариант осуществления способа.
На этапе 110 активируется схема драйвера 30 .
На этапе 120 переменные, соответствующие низкому значению тока I _lc и высокому значению тока I _hc, инициализируются нулевым значением.
На этапе 130 оценивается, является ли командный сигнал CMD логической единицей, то есть переключатель 11 замкнут и ток I _LS проходит через нагрузку 50 . При отрицательном значении, т. Е. Командном сигнале CMD = 0, управление возвращается к этапу 120 , то есть способ циклически проходит этап оценки 130 до тех пор, пока командный сигнал CMD не замыкает переключатель 11 .
Следовательно, если принято положительное определение, выполняется этап 140 ожидания установления тока считывания I _sense после включения переключателя 11 .Это может быть выполнено путем установки времени установления датчика тока 11 b.
После этапа 140 , на этапе 150 производится выборка низкого значения тока I _lc.
Затем на этапе 160 вычисляется среднее значение тока I _mid, в частности, как сумма низкого тока I _lc и высокого тока I _hc, деленная на два, т. Е.
I _mid = ( I _lc + I _hc) / 2
На этапе 160 обновление среднего значения тока I _mid включает обновление входа, соответствующего току ошибки I _ошибка контроллера 15 , который определяет вычисление нового времени включения (T _ON) для имеющегося цикла ШИМ.
Затем на этапе 170 оценивается, равен ли командный сигнал CMD логическому нулю, то есть переключатель 11 разомкнут и ток нагрузки 50 больше не проходит через драйвер нижнего плеча.
В случае положительного ответа, на этапе 190 производится выборка сильноточного значения I _hc, и управление возвращается на этап 120 . Поскольку цифровое управление намного быстрее, чем драйвер нижнего плеча, полученное или дискретизированное значение высокого тока I _hc все еще является током в нагрузке, проходящей через драйвер нижнего плеча 11 , прежде чем это действительно войдет в выключенное состояние. штат.Текущее значение I _hc получается в момент времени, в течение которого драйвер получает команду управления CMD на отключение, CMD = 0. Таким образом, такое высокое значение тока I _hc получается непосредственно перед или синхронно с выдачей командного сигнала выключения, оценивающего, когда управляемый переключатель 11 все еще замкнут.
В отрицательном случае выполняется этап 180 оценки рабочего цикла сигнала ШИМ: если обнаруживается, что рабочий цикл равен 100%, то на этапе производится выборка сильноточного значения I _hc. 195 , и управление возвращается к шагу 120 .Условие, подтвержденное на этапе 180 , то есть рабочий цикл сигнала управления ШИМ CMD, достигающий 100%, может возникнуть, например, если целевой ток I _target не может быть достигнут по какой-либо причине или во время переходного процесса. В противном случае значение высокого тока I _hc не выбирается, и управление возвращается к этапу 160 , на котором было вычислено значение среднего тока I _mid, ожидание выборки высокого тока I _hc с помощью CMD = 0 или PWM = 100 %.
Таким образом, в целом описанный здесь способ предусматривает генерирование в модуле контроллера тока 35 управляющего сигнала CMD для включения и выключения управляемого переключателя 11 , включая выполнение управления током с ШИМ (широтно-импульсной модуляцией) с помощью отрицательного замкнутый контур обратной связи, реализующий, по меньшей мере, пропорциональное управляющее действие, интегральное управляющее действие и ШИМ-модуляцию, с использованием в качестве уставки контура обратной связи целевого значения тока I _target и в качестве измеренного значения обратной связи контура оценочного значения I _mid тока, протекающего в нагрузке I _LS во время цикла измерения ШИМ, генерируя управляющий сигнал CMD для управляющего входа управляемого переключателя 11 на основе тока ошибки I _ошибка между указанным целевым током I _цель и упомянутая оценка I _{середина} текущего I _LS, протекающего в нагрузке 50 .В предпочтительном варианте осуществления, описанном со ссылкой на фиг. 5 управляемый переключатель – это переключатель нижнего уровня.
Как описано со ссылкой на фиг. 6, способ включает в себя определение цепью считывания 11 b тока в управляемом переключателе 11 и оценку в модуле 32 на основе тока считывания I _sense оценочного значения I _mid тока, протекающего в нагрузке I _LS во время цикла измерения ШИМ.Хотя возможны альтернативные оценочные значения, такие как средний ток Iavgon во включенном состоянии или значение тока считывания в T _на/2, I (T _на/2), в предпочтительном варианте осуществления, который позволяет управлять в реальном времени, оценка при Модуль 32 включает в себя, как правило, вычисление как половину суммы низкого значения тока I _lc, полученного после выдачи командного сигнала ВКЛ CMD в цикле измерения PWM, и высокого значения тока I _hc, полученного 170 непосредственно перед или одновременно с выдачей командного сигнала ВЫКЛ.Следует отметить, что при предпочтительном вычислении среднего тока Imid используется высокое значение тока I _hc, полученное до того, как используется значение низкого тока I _lc.
В варианте осуществления, конкретно описанном со ссылкой на фиг. 6 низкое значение тока I _lc получается на этапе 150 из тока считывания I _sense после выдачи командного сигнала ВКЛ CMD в цикле измерения PWM, оценивающего, когда управляемый переключатель 11 замыкается, в в частности, после установления тока считывания I _sense высокое значение тока I _hc получается на этапе 190 перед окончанием предыдущего командного сигнала выключения, оценивающего, когда управляемый переключатель 11 становится разомкнутым.Затем на этапе 160 среднее значение тока I _mid получается как сумма низкого тока I _lc и высокого тока I _hc, деленная на два.
Следует отметить, что если на этапе 180 рабочий цикл определяется равным 100%, в этом цикле ШИМ управляющий сигнал CMD не возвращается к нулю, то есть драйвер не выключается. Следовательно, в конце цикла ШИМ оба I _hc и I _lc выбираются одновременно, таким образом принимая одно и то же значение.В последующем цикле ШИМ, начинающемся сразу после этой операции выборки, значение среднего тока I _mid вычисляется как равное значению этих двух выборок, а ошибка I _error input контроллера 15 равна обновлен соответственно.
Таким образом, раскрытое здесь решение позволяет реализовать полностью интегрированный ШИМ-контроллер реального времени для индуктивной нагрузки, где реальное время означает, что контроллер обновляется в каждом цикле ШИМ с задержкой ниже одного цикла ШИМ.Таким образом, это решает проблему, заключающуюся в том, что такая топология схемы, в которой ток нагрузки, протекающий через внешний диод в виде тока диода, поскольку переключатель нижнего плеча выключен, не может быть измерен схемой управления и, следовательно, реальный средний ток относительно ток нагрузки не может быть измерен, так как измеряется только ток на стороне низкого напряжения.
Контур управления током в реальном времени этого типа быстрее реагирует на системные изменения (такие как изменение напряжения батареи), чтобы восстанавливаться до правильного среднего значения тока в установившемся состоянии, в частности, в отношении решения, такого как изображенное на фиг. .3, где ток, протекающий в нагрузке, считывается лишь изредка. Как уже говорилось, реализация алгоритма управления током, работающего на основе периода ШИМ, в этом контексте потребует довольно большой нагрузки трафика SPI и значительной рабочей нагрузки для микропроцессора.
Вышеупомянутые преимущества достигаются в недорогой топологии управления с использованием внешнего рециркуляционного диода, который, как указано, однако, позволяет управлять током в реальном времени, а с помощью пропорционального интегрального управления обеспечивает лучшую точность управления током при низком заданном токе. ценности.Лучшая точность управления током обеспечивается, в частности, за счет использования среднего значения тока.
Конечно, без ущерба для принципа изобретения, детали конструкции и варианты осуществления могут широко варьироваться относительно того, что было описано и проиллюстрировано здесь исключительно в качестве примера, не выходя, таким образом, за пределы объема настоящего изобретения. , как определено в последующих пунктах формулы изобретения.
В вариантах осуществления управляемый переключатель может быть переключателем на стороне высокого напряжения и рециркуляционным диодом, подключенным соответственно для рециркуляции тока в узле заземления.
Различные варианты осуществления, описанные выше, могут быть объединены для обеспечения дополнительных вариантов осуществления. Эти и другие изменения могут быть внесены в варианты осуществления в свете вышеприведенного подробного описания. В общем, в следующей формуле изобретения используемые термины не должны толковаться как ограничивающие формулу изобретения конкретными вариантами осуществления, раскрытыми в описании и формуле изобретения, но должны толковаться как включающие все возможные варианты осуществления вместе с полным объемом эквивалентов, к которым такие претензии имеют право.Соответственно, формула изобретения не ограничивается раскрытием.
Могу ли я использовать индуктивную нагрузку в проекте питания от ATX до стендов?
В этом случае все в порядке. Конечно, в системе уже есть группа индуктивных нагрузок, но индуктивные нагрузки также играют роль только тогда, когда питание включается или выключается. Индуктивные нагрузки проявляют свою «индуктивность» только при изменении тока, и, поскольку нагрузка будет иметь постоянный ток, все в порядке.
Если вы хотите быть особенно осторожными, вы можете поместить диод между вашим выходом и GND (ориентированным так, чтобы он обычно не потреблял ток).Это защитит ваш источник питания во время включения / выключения от любой индуктивной отдачи. Даже если бы ваши «минимальные нагрузки» не были индуктивными, это было бы хорошей идеей на тот случай, если вы захотите подключить двигатели или что-то еще к настольному источнику питания.
Рискну предположить, что любая индуктивность резисторов будет подавлена выходной индуктивностью источника питания, поэтому вероятность того, что они вызовут какие-либо помехи, будет низкой.
Мне трудно поверить, что индуктивность небольшого цементного резистора с проволочной обмоткой может накапливать достаточно энергии, чтобы нанести какой-либо ущерб выходу источника питания, особенно того, у которого нет операции ИЛИ (например.2 = 0,5 мкДж \
долл. США
Если бы этот 1 А рассеивался за 1 микросекунду, напряжение было бы:
\ $ \; V = L \ frac {di} {dt} \ mbox = 1V \ $
Риски минимальны.
Если вы изучите типичную схему, используемую в таких регуляторах, вы увидите, что нагрузка находится вне контура управления, поэтому индуктивная нагрузка не имеет особого значения. Это подтверждается техническими описаниями устройств импульсного регулятора, таких как Simple Switchers производства National Semiconductor; требования к типу нагрузки не указаны.
(PDF) Коррекция коэффициента мощности индуктивных нагрузок с помощью ПЛК
Асинхронные двигатели, дуговые лампы, электроразрядные лампы и промышленные нагревательные печи вызывают низкий коэффициент мощности
. Этот низкий коэффициент мощности приведет к увеличению величины тока и
дополнительных потерь активной мощности в системе. Для данной постоянной мощности и напряжения ток нагрузки
всегда обратно пропорционален коэффициенту мощности. Меньше коэффициент мощности,
выше
– ток нагрузки и наоборот.Из-за низкого коэффициента мощности кВА мощность любого оборудования
должна быть увеличена. Поскольку номинальная мощность оборудования в кВА обратно пропорциональна коэффициенту мощности
, это приведет к увеличению размеров оборудования и его стоимости. Для увеличения тока необходимо увеличить сечение проводника
. Повышенный ток вызывает большие потери в меди, низкий КПД
и плохое регулирование напряжения.
В этой статье предлагается лабораторная модель коррекции коэффициента мощности на основе ПЛК
для улучшения коэффициента мощности системы индуктивной нагрузки.Предлагаемый алгоритм вычисляет
реактивной мощности нагрузки асинхронного двигателя, сравнивает ее с существующей емкостной реактивной мощностью
в конденсаторной батарее и затем компенсирует систему, так что система не будет
работать с опережающим коэффициентом мощности. Коммутация статических переключателей при нулевом напряжении предотвратит возникновение переходных процессов и гармоник
.
Испытания без нагрузки, нагрузки и блокировки ротора проводятся на данном асинхронном двигателе 3 Ø
в лаборатории.На основе экспериментальных значений получены графики зависимости тока статора, КПД, крутящего момента
и скорости от коэффициента мощности. Активная мощность, реактивная мощность
и коэффициенты мощности двигателя рассчитываются для каждой нагрузки до номинальной. Изменение коэффициента мощности
находится в диапазоне от 0,24 до 0,41. На основании этой информации ПЛК автоматически рассчитывает размер конденсаторов
, которые необходимо подключить, чтобы повысить коэффициент мощности.
Чтобы рассчитать это автоматически, необходимо связать ПЛК с оборудованием
через соответствующие значения напряжения и тока. Следовательно, сигналы напряжения и тока
понижаются с помощью трансформатора тока (CT) и трансформатора напряжения (VT).

*NWIPCM-1P-X-XXX*	120 или 240
*NWIPCM-1P-X-XSS*	Время плавного пуска (секунды)
*NWIPCM-1P-X-XSC*	Время мягкого изменения (секунды) (по умолчанию 1 секунда)
*NWIPCM-1P-X-XSS / C-LIV*	Линейное выходное напряжение RMS (по умолчанию – RMS PWR)

*CR8450-1000*	Трансформатор тока, необходимый для использования функции обратной связи по току NWIPCM-1P, продается отдельно.

Управление индуктивной нагрузкой: Нужна схема фазового регулятора для индуктивной нагрузки. Симисторные регуляторы мощности

коммутация мощных нагрузок / Хабр

Управление мощной нагрузкой · Вадим Великодный

Простейший ключ

Доработка схемы

Пример расчёта простой схемы

Транзистор Дарлингтона

Простейший ключ

Схема ускоренного включения

Драйвер полевого транзистора

IGBT

Тиристоры и симисторы

Симисторный ключ

Управление индуктивной нагрузкой

Примеры симисторов

Управление мощной нагрузкой переменного тока микроконтроллером. Как переключать симистор батарейкой для управления переменным током

Транзистор Дарлингтона

Схема ускоренного включения

Драйвер полевого транзистора

IGBT

Тиристоры и симисторы

Симисторный ключ

Управление индуктивной нагрузкой

Примеры симисторов

Электромагнитные реле

Твердотельные реле

Выбор управляемой нагрузки

Выбор элементной базы

Фазовая модуляция

Гальваническая развязка

Устойчивость к помехам/возможность коммутации индуктивной нагрузки

Выбор симистора

Максимальный ток коммутации

Минимальный ток коммутации

Изоляция

Защита от перегрузки

Защита от короткого замыкания

Заключение

Russian Hamradio :: Экономичное управление симистором.

Выбор управляемой нагрузки

Выбор элементной базы

Фазовая модуляция

Гальваническая развязка

Устойчивость к помехам/возможность коммутации индуктивной нагрузки

Выбор симистора

Максимальный ток коммутации

Минимальный ток коммутации

Изоляция

Защита от перегрузки

Защита от короткого замыкания

Заключение

Выходные устройства — Терморегуляторы Термодат — промышленные приборы нового поколения для измерения и регулирования температуры

Как оптимизировать передачу индуктивных нагрузок

Оптимизированное управление высокоиндуктивной подачей нагрузки с помощью LiquaBladeTM Power

Банки индуктивной нагрузки серии L

Общие

Характеристики

Область использования

Технические характеристики

Необходимая информация для коммерческого предложения

NWIPCM -1P Плата драйвера SCR с выходом управления фазовым углом, обратной связью по току и плавным пуском

Драйвер регулятора мощности SCR угла фазы

ПЛАТА ДРАЙВЕРА SCR ИНДУКТИВНОЙ НАГРУЗКИ С ТЕКУЩЕЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ

Патент США на схему для управления током в индуктивных нагрузках и метод управления для нее Патент (Патент № 10,982,785 выдан в апреле , 2021)

Могу ли я использовать индуктивную нагрузку в проекте питания от ATX до стендов?

(PDF) Коррекция коэффициента мощности индуктивных нагрузок с помощью ПЛК

Больше новостей

Добавить комментарий Отменить ответ