Управление симистором оптопарой – Управление мощной нагрузкой переменного тока

Управление мощной нагрузкой переменного тока

Тиристор

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

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

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

Симистор BT139

Схема включения из даташита на MOC3041

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

Если соединить встречно параллельно два тиристора, то получится

симистор — отличная штука для коммутации нагрузки на переменном токе.

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

Но тут есть одна тонкость — коммутируем мы силовую высоковольтную цепь, 220 вольт. А контроллер у нас низковольтный, работает на пять вольт. Поэтому во избежание эксцессов нужно 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.

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

easyelectronics.ru

Оптосимистор: параметры и схемы подключения

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

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

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

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

Схема подключения активной нагрузки к оптосимистору

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

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

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

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

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

RD=(11,7В — 1,5В)/0,02А = 510 Ом.

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

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

R=220 В * 1,44 / 1 А = 311 Ом.

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

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

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

Схема подключения индуктивной нагрузки к оптосимистору

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

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

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

www.joyta.ru

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:

1. Управление нагрузкой постоянного тока.
   • Транзисторный ключ на биполярном транзисторе.
   • Транзисторный ключ на МОП-транзисторе (MOSFET).
   • Транзисторный ключ на IGBT.
2. Управление нагрузкой переменного тока.
   • Тиристорный ключ.
   • Симисторный ключ.
3. 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:

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:

По закону Ома получаем:

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

Значение сопротивление было округлено, чтобы попасть в ряд E12.

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

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

Отсюда

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

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 $\sqrt2 \cdot 230 \approx 325\,В$.

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

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.

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.

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

1. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. Том 1. — М.: Мир, 1993.
2. Управление мощной нагрузкой переменного тока
3. Управление мощной нагрузкой постоянного тока. Часть 1
4. Управление мощной нагрузкой постоянного тока. Часть 2
5. Управление мощной нагрузкой постоянного тока. Часть 3
6. Щелкаем реле правильно: коммутация мощных нагрузок
7. Управление мощной нагрузкой переменного тока
8. Управление MOSFET-ами #1
9. Современные высоковольтные драйверы MOSFET- и IGBT-транзисторов
10. 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.

velikodniy.github.io

О простых коммутаторах на симисторах и оптронах CAVR.ru

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

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

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

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

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

---

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

---

---

www.cavr.ru

Использование оптотиристоров MOC30xx – 12 Февраля 2016

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

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

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

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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

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

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

     Что касается элементов с обнаружением нуля напряжения питания, то их выходной каскад срабатывает при превышении напряжением питания некоторого порога, обычно это 5 В (максимум 20 В). Серии МОС301х и МОС302х чаще используются с резистивной нагрузкой или в случаях, когда напряжение питания нагрузки должно отключаться. Когда симистор находится в проводящем состоянии, максимальное падение напряжения на его выводах обычно равно 1,8В (максимум 3В) при токе до 100мА. Ток удержания (I_H), поддерживающий проводимость выходного каскада оптосимистора, равен 100мкА, каким бы он ни был (отрицательным или положительным) за полупериод питающего напряжения.
     Ток утечки выходного каскада в закрытом состоянии (I_D) варьируется в зависимости от модели оптосимистора. Для оптосимисторов с обнаружением нуля ток утечки может достигать 0,5мА, если светодиод находится под напряжением (протекает ток I_F).
     У инфракрасного светодиода обратный ток утечки равен 0,05 мкА (максимум 100 мкА), и максимальное падение прямого напряжения 1,5В для всех моделей оптосимисторов. Максимально допустимое обратное напряжение светодиода 3 вольта для моделей МОС301х, МОС302х и МОС303х и 6 вольт для моделей МОС304х. МОСЗО6х и МОСЗО8х.

Предельно допустимые характеристики
Максимально допустимый ток через светодиод в непрерывном режиме — не более 60ма.
Максимальный импульсный ток в проводящем состоянии переключателя выходного каскада — не более 1 А.
     Полная рассеиваемая мощность оптосимистора не должна превышать 250 мВт (максимум 120 мВт для светодиода и 150 мВт для выходного каскада при Т — 25˚С).

Типовая схема подключения:

Даташит MOC301x и MOC304x

 

 

 

 

 

 

 

Сопротивление R_d
     Расчет сопротивления этого резистора зависит от минимального прямого тока инфракрасного светодиода, гарантирующего отпирание симистора. Следовательно, R_d = (+V — 1,5) / I_F.
Например, для схемы транзисторного управления оптосимистором c напряжением питания +5 В и напряжением на открытом транзисторе (Uкэ нас), равном 0.3 В, +V будет 4,7 В, и I_F должен находиться в диапазоне между 15 и 50 ма для МОС3041. Следует принять I_F — 20 мА с учетом снижения эффективности светодиода в тече­ние срока службы (запас 5 мА), целиком обеспечивая работу оптопары с постепенным ослаблением силы тока. Таким образом, имеем:
R_в = (4,7 — 1,5) / 0,02 = 160 Ом.
Следует подобрать стандартное значение сопротивления, то есть 150 Ом для МОС3041 и сопротивление 100 Ом для МОС3020.

Для того чтобы переключение симистора происходило быстро, должно быть выполнено следующее условие: dV / dt = 311 / R_a х C_a.
Для МОС3020 максимальное значение dV / dt — 10 В/мкс.
Таким образом: С_a = 311 / (470 х 107) = 66 нФ.
Выбираем: С_a =  68 нФ.

 

Расчет сопротивления R.

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

Для выше указанных оптопар максимальной допустимый ток 1 А.

Минимальное сопротивление резистора R:

Rmin=220 В * 1,44 / 1 А = 311 Ом.

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

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

Расчет сопротивления Rg.

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

 

Защита
Настоятельно рекомендуется защищать симистор и оптосимистор при работе на индуктивную нагрузку или при часто воздействующих на сеть помехах.
Для симистора искрогасящая RC-цепочка просто необходима. Для оптосимистора с обнаружением нуля, такой как МОС3041, — желательна. Сопротивление резистора R следует увеличить с 27 Ом до 330 Ом (за исключением случая, когда управляемый симистор малочувствительный).
Если используется модель без обнаружения нуля, то snubber-цепочка R_a — С_a обязательна.

studio-diy.3dn.ru

Симисторный регулятор мощности с оптопарой

Известны симисторные регуляторы мощности, например [1-3], которые содержат дефицитные и относительно дорогие электронные компоненты, такие как однопереходные и по­левые транзисторы, динисторы, импульсные трансформаторы и т.д. и т.п.

Однако, симисторный регулятор мощности можно постро­ить на базе более распространенных простых и дешевых эле­ктронных компонентах. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому регу­лятору является регулятор мощности, приведенный в [3], ко­торый содержит фазосдвигающую цепочку, пороговые и ис­полнительные элементы, фазовращатель, ограничитель-ста­билизатор входного напряжения, узел защиты.

Ниже предлагается более простой вариант симисторного регулятора мощности, который выполнен на базе двух ди­одных мостов и тиристорной оптопары.

Описание регулятора

На рис.1 приведена структурная схема симисторного ре­гулятора мощности. Она состоит из фазосдвигающей цепоч­ки ФСЦ, двух диодных мостов ДМ1, ДМ2 (VD1 — VD4, VD5 — VD8), тиристорной оптопары ОУ1, цепи управления симисто­ром ЦУС, исполнительного элемента ИЭ, узла защиты сими­стора УЗС, нагрузки EL1 (лампы накаливания).

Рис. 1

Принципиальная схема регулятора мощности показана на рис.2.Она собрана по классической схеме, но вместо сим­метричного динистора (диака) или обычного динистора (вклю­ченного в диагональ диодного моста) в цепи управления си­мистором или транзисторов, работающих в лавинном режи­ме, используется тиристорная оптопара ОУ1. Вход и выход оп­топары подключены к выходам двух диодных мостов VD1 — VD4 и VD5 — VD8 соответственно. Вход первого моста ДМ1 через резистор R3 подключён к выходу фазосдвигающей це­почки. Вход второго моста ДМ2 включён в цепь управления симистором VS1 через резистор R4.

Рис. 2

Симисторный регулятор обеспечивает фазовое регули­рование величины мощности на нагрузке, что обеспечивает­ся фазосдвигающей цепочкой ФСЦ, состоящей из резисто­ров R1, R2 и конденсатора С1. То есть временное положе­ние запускающих импульсов устанавливается RC-фазовраща­телем. Потенциометром R1 регулируют яркость свечения лам­пы EL1. Установка дополнительной RC-цепочки (R3C3) обес­печивает больший фазовый сдвиг для лучшего управления при малых нагрузках.

RC- цепочка, состоящая из резистора R6 и конденсатора С2, представляет собой демпфер. LC-цепочка — радиочастот­ный фильтр для подавления радиопомех в питающей сети.

Принцип действия

Работает регулятор следующим образом. При каждом полупериоде сетевого переменного напряжения происходит заряд конденсатора С1 через резисторы R1, R2. Когда на­пряжение на конденсаторе С1 достигает порога зажигания светодиода оптрона ОУ1, происходит открывание тиристора оптопары в цепи управления силовым симистором VS1. В результате симистор открывается и через нагрузку EL1 про­текает ток в течение оставшейся части полупериода. Время заряда конденсатора С1 определяется постоянной времени цепочки R1, R2, С1. Меняя с помощью резистора R1 время заряда конденсатора С1 можно плавно регулировать мо­мент открытия симистора VS1 относительно начала полупериода переменного напряжения сети, а следовательно, и мощ­ность, отдаваемую нагрузке EL1.

На рис.З показано, как симистор VS1 управляет мощно­стью в нагрузке, отрезая начальную часть каждого полупериода. Длительность пропущенной части зависит от запазды­вания пускового импульса по фазе, которое определяется, как отмечалось выше, номиналами резисторов R1+ R2 и конденсатора C1. Наличие второй фазосдвигающей цепочки (R3C3) расширяет диапазон регулировки выходного на­пряжения устройства.

Рис. 3

Детали

В регуляторе исполь­зуются резисторы типа С2-23±5%. Переменный ре­зистор R1 100 кОм типа СП-5 мощностью 0,5 Вт же­лательно с характеристи­кой типа «В» или любой другой мощностью не менее 5 Вт. Конденсаторы С1, С2 — типа К73-11, К73-17 на напряжение не ниже 400 В.

Диодный мост КЦ407А можно заменить моста­ми типа КЦ402А-Г — КЦ405А-Г. Вместо оптрона ОУ1 типа ЗОУ103Г можно использовать оптроны типа АОУ103Б, АОУ103В, или использовать симисторную оптопару типа АОУ160А, Б, С, исключив в этом слу­чае диодный мост VD5 — VD8. Симистор VS1 типа КУ208Г может быть заменен КУ208В или ТС106-10-4, ТС112-10-4 и им подобными класса не ниже 4.

Настройка устройства

Для наладки регулятора мощности необходима соответствующая нагрузка, в качестве которой, например, может быть использована обычная лампа нака­ливания мощностью не менее 100 Вт и светоизлучающий диод с номинальным входным напряжением 2 В, например типа АЛ310А красного свечения. Порядок наладки следую­щий. Отключают вход 3-4 мостового выпрямителя VD5 — VD8 от цепи управления симистором VS1 и вместо его включа­ют переменный резистор, например, типа ППЗ 3 Вт 20 кОм или ППБ-2В 20-30 кОм.

Включают регулятор в сеть и, вращая рукоятку перемен­ного резистора, добиваются полного открытия симистора. По­сле чего отключают регулятор от сети, выпаивают перемен­ный резистор и измеряют величину его сопротивления. Из­меренная величина сопротивления являться максимальным номиналом R4.

Далее, следует отключить светодиод оптрона ОУ1 от вы­ходных зажимов моста VD1 — VD4 и к этим зажимам при­соединить светоизлучающий диод АЛ310А. Изменением номиналов резисторов R2,R3 и конденсатора С1, добива­ются плавного загорания светодиода АЛ310А при переме­щении движка реостата R1 из одного крайнего положения в другое.

После настройки выпаивают светодиод АЛ310А и к вы­ходным зажимам моста VD1 — VD4 присоединяют светоди­од оптрона ОУ1 и проверяют работу регулятора. При необходимости величины резисторов R2.R3 и конденсатора С1 корректируют.

Элементы устройства находятся под опасным сетевым на­пряжением 220 В — соблюдайте меры безопасности. Ручка переменного резистора R2 должна быть выполнена из хоро­шего изоляционного материала.

Литература

1. Абрамов С.М. Симисторный регулятор большой мощнос­ти //Электрик,- 2002. — №7. — С. 12.
2. Яковлев В.Ф. Мощный регулятор на симисторе //Элект­рик,- 2004. — №10. — С.26.
3. Копомойцев К.В., Павлюк А.В. Симисторный регулятор мощности //Электрик.- 2007. — №5. — С.64 — 65.

Автор: Константин Коломойцев, Петр Халявка, г. Ивано-Франковск

Возможно, вам это будет интересно:

meandr.org

Симисторные оптопары | Техника и Программы

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

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

Таблица 8. Основные параметры симисторных оптопар

Примечание к таблице

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

Окончаниетабл. 8

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

Таблица 9. Варианты замены симисторных оптронов

Основной тип	Полные зарубежные аналоги (отечественный вариант аналога)	Корпус	Особенности выхода
МОС8Ю	TLP532, TCDT1110, CNY17F-2, PC714V	DIP-6
MOC811	TLP632, IL2B	DIP-6
MOC3020	TLP3021, K3020P, BRT12H, OPI3020, MCP3020, GE3020	DIP-6
MOC3021	TLP3021, GE3021, ECG3048, OPI3Q21, MCP3021, GE302t	DIP-6
MOC3022	TLP3022, OPI3022, MCP3022, GE3022, (АОУ163А)________	DIP-6
MOC3023	TLP3023, OPI3023, MCP3023, GE3023_	DIP-6
МОСЗОЗО	TLP3041, ОРТОбЗО	DIP-6	Есть схема ZCC
МОСЗОЭ1	TLP3041, ОРТОбЗО	DIP-6	Есть схема ZCC
МОСЗОЭ2	TLP3042, ОРТОбЗО	DIP-6	Есть схема ZCC
MOC3040	TLP3041, TLP3042, ОРТОбЗО	DIP-6	Есть схема ZCC
MOC3041	TLP3042, ОРТОбЗО	DIP-6	Есть схема ZCC
MOC3042	TLP3042, ОРТОбЗО	DIP-6	Есть схема ZCC
MOC3043	TLP3043, ОРТОбЗО	DIP-6	Есть схема ZCC
МОСЗОбО	TLP3061, ОРТОбЗО	DIP-6	Есть схема ZCC
M0c3061	TLP3061, (АОУ179А), ОРТОбЗО	DIP-6	Есть схема ZCC
MOC3062	TLP3062, ОРТОбЗО	DIP-6	Есть схема ZCC
МОСЗОбЗ	TLP3063, ОРТОбЗО	DIP-6	Есть схема ZCC

Примечание к таблице

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

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

Рис. 5. Расположение выводов и внутренняя структура симисторных оптопар

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

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

nauchebe.net