Управление симистором оптопарой: Управление симистором через оптопару

Управление симистором через оптопару

Тиристоры нашли широкое применение в полупроводниковых устройствах и преобразователях. Различные источники питания, частотные преобразователи, регуляторы, возбудительные устройства для синхронных двигателей и много других устройств строились на тиристорах, а в последнее время их вытесняют преобразователи на транзисторах. Основной задачей для тиристора является включение нагрузки в момент подачи управляющего сигнала. В этой статье мы рассмотрим, как управлять тиристорами и симисторами.

Определение

Тиристор (тринистор) – это полупроводниковый полууправляемый ключ. Полууправляемый – значит, что вы можете только включать тиристор, отключается он только при прерывании тока в цепи или если приложить к нему обратное напряжение.

Он, подобно диоду, проводит ток только в одном направлении. То есть для включения в цепь переменного тока для управления двумя полуволнами нужно два тиристора, для каждой по одному, хотя не всегда.

Тиристор состоит из 4 областей полупроводника (p-n-p-n).

Другой подобный прибор называется симистор – двунаправленный тиристор. Его основным отличием является то, что ток он может проводить в обе стороны. Фактически он представляет собой два тиристора соединённых параллельно навстречу друг другу.

Основные характеристики

Как и любых других электронных компонентов у тиристоров есть ряд характеристик:

Падение напряжения при максимальном токе анода (VT или Uос).

Прямое напряжение в закрытом состоянии (VD(RM) или Uзс).

Обратное напряжение (VR(PM) или Uобр).

Прямой ток (IT или Iпр) – это максимальный ток в открытом состоянии.

Максимально допустимый прямой ток (ITSM) — это максимальный пиковый ток в открытом состоянии.

Обратный ток (IR) — ток при определенном обратном напряжении.

Постоянный ток в закрытом состоянии при определенном прямом напряжении (ID или Iзс).

Постоянное отпирающее напряжение управления (VGT или UУ).

Ток управления (IGT).

Максимальный ток управления электрода IGM.

Максимально допустимая рассеиваемая мощность на управляющем электроде (PG или Pу)

Принцип работы

Когда на тиристор подают напряжение он не проводит ток. Есть два способа включит его – подать напряжение между анодом и катодом достаточное для открытия, тогда его работа ничем не будет отличаться от динистора.

Другой способ – это подать кратковременный импульс на управляющий электрод. Ток открытия тиристора лежит в пределах 70-160 мА, хотя на практике эта величина, как и напряжение которое нужно приложить к тиристору зависит от конкретной модели и экземпляра полупроводникового прибора и даже от условий, в которых он работает, таких, например, как температура окружающей среды.

Кроме управляющего тока, есть такой параметр как ток удержания – это минимальный ток анода для удержания тиристора в открытом состоянии.

После открытия тиристора управляющий сигнал можно отключать, тиристор будет открыт до тех пор, пока через него протекает прямой ток и подано напряжение. То есть в цепи переменного тиристор будет открыт в течении той полуволны напряжение которой смещает тиристор в прямом направлении. Когда напряжение устремится к нулю, снизится и ток. Когда ток в цепи упадет ниже величины тока удержания тиристора – он закроется (выключится).

Полярность управляющего напряжения должна совпадать с полярностью напряжения между анодом и катодом, что вы наблюдаете на осциллограммах выше.

Управление симистором аналогично хоть и имеет некоторые особенности. Для управления симистором в цепи переменного тока нужно два импульса управляющего напряжения – на каждую полуволну синусоиды соответственно.

После подачи управляющего импульса в первой полуволне (условно положительной) синусоидального напряжения ток через симистор будет протекать до начала второй полуволны, после чего он закроется, как и обычный тиристор. После этого нужно подать еще один управляющий импульс для открытия симистора на отрицательной полуволне. Это наглядно проиллюстрировано на следующих осциллограммах.

Полярность управляющего напряжения должна соответствовать полярности приложенного напряжения между анодом и катодом. Из-за этого возникают проблемы при управлении симисторами с помощью цифровых логических схем или от выходов микроконтроллера. Но это легко решается путем установки симисторного драйвера, о чем мы поговорим позже.

Распространенные схемы управления тиристорами или симисторами

Самой распространенной схемой является симисторный или тиристорный регулятор.

Здесь тиристор открывается после того как на конденсаторе будет достаточная величина для его открытия. Момент открытия регулируется с помощью потенциометра или переменного резистора. Чем больше его сопротивление – тем медленнее заряжается конденсатор. Резистор R2 ограничивает ток через управляющий электрод.

Эта схема регулирует оба полупериода, то есть вы получаете полную регулировку мощности почти от 0% и почти до 100%. Это удалось достичь, установив регулятор в диодном мосте, таким образом регулируется одна из полуволн.

Упрощенная схема изображена ниже, здесь регулируется лишь половина периода, вторая полуволна проходит без изменения через диод VD1. Принцип работы аналогичен.

Симисторный регулятор без диодного моста позволяет управлять двумя полуволнами.

По принципу действия почти аналогична предыдущим, но построена на симисторе с её помощью регулируются уже обе полуволны. Отличия заключаются в том, что здесь импульс управления подаётся с помощью двунаправленного динистора DB3, после того как конденсатор зарядится до нужного напряжения, обычно это 28-36 Вольт. Скорость зарядки также регулируется переменным резистором или потенциометром. Такая схема реализована в большинстве бытовых диммеров.

Такие схемы регулировки напряжения называется СИФУ – система импульсного фазового управления.

На рисунке выше изображен вариант управления симистором с помощью микроконтроллера, на примере популярной платформы Arduino. Симисторный драйвер состоит из оптосимистора и светодиода. Так как в выходной цепи драйвера установлен оптосимистор на управляющий электрод всегда подаётся напряжение нужной полярности, но здесь есть некоторые нюансы.

Дело в том, что для регулировки напряжения с помощью симистора или тиристора нужно подавать управляющий сигнал в определенный момент времени, так чтобы срез фазы происходил до нужной величины. Если наугад стрелять управляющими импульсами – схема работать конечно будет, но регулировок добиться не выйдет, поэтому нужно определять момент перехода полуволны через ноль.

Так как для нас не имеет значения полярность полуволны в настоящий момент времени – достаточно просто отслеживать момент перехода через ноль. Такой узел в схеме называют детектор нуля или нуль-детектор, а в англоязычных источниках “zero crossing detector circuit” или ZCD. Вариант такой схемы с детектором перехода через ноль на транзисторной оптопаре выглядит следующим образом:

Оптодрайверов для управления симисторами есть множество, типовые – это линейка MOC304x, MOC305x, MOC306X, произведенные компанией Motorola и другими. Более того – эти драйверы обеспечивают гальваническую развязку, что убережет ваш микроконтроллер в случае пробоя полупроводникового ключа, что вполне возможно и вероятно. Также это повысит безопасность работы с цепями управления, полностью разделив цепь на «силовую» и «оперативную».

Заключение

Мы рассказали базовые сведения о тиристорах и симисторах, а также управлении ими в цепях с «переменкой». Стоит отметить, что мы не затрагивали тему запираемых тиристоров, если вас интересует этот вопрос – пишите комментарии и мы рассмотрим их подробнее. Также не были рассмотрены нюансы использования и управления тиристорами в силовых индуктивных цепях. Для управления «постоянкой» лучше использовать транзисторы, поскольку в этом случае вы решаете, когда ключ откроется, а когда он закроется, повинуясь управляющему сигналу…

Тиристоры нашли широкое применение в полупроводниковых устройствах и преобразователях. Различные источники питания, частотные преобразователи, регуляторы, возбудительные устройства для синхронных двигателей и много других устройств строились на тиристорах, а в последнее время их вытесняют преобразователи на транзисторах.

Основной задачей для тиристора является включение нагрузки в момент подачи управляющего сигнала. В этой статье мы рассмотрим, как управлять тиристорами и симисторами.

Определение

Тиристор (тринистор) – это полупроводниковый полууправляемый ключ. Полууправляемый – значит, что вы можете только включать тиристор, отключается он только при прерывании тока в цепи или если приложить к нему обратное напряжение.

Он, подобно диоду, проводит ток только в одном направлении. То есть для включения в цепь переменного тока для управления двумя полуволнами нужно два тиристора, для каждой по одному, хотя не всегда. Тиристор состоит из 4 областей полупроводника (p-n-p-n).

Другой подобный прибор называется симистор – двунаправленный тиристор. Его основным отличием является то, что ток он может проводить в обе стороны. Фактически он представляет собой два тиристора соединённых параллельно навстречу друг другу.

Основные характеристики

Как и любых других электронных компонентов у тиристоров есть ряд характеристик:

Падение напряжения при максимальном токе анода (VT или Uос).

Прямое напряжение в закрытом состоянии (VD(RM) или Uзс).

Обратное напряжение (VR(PM) или Uобр).

Прямой ток (IT или Iпр) – это максимальный ток в открытом состоянии.

Максимально допустимый прямой ток (ITSM) — это максимальный пиковый ток в открытом состоянии.

Обратный ток (IR) — ток при определенном обратном напряжении.

Постоянный ток в закрытом состоянии при определенном прямом напряжении (ID или Iзс).

Постоянное отпирающее напряжение управления (VGT или UУ).

Ток управления (IGT).

Максимальный ток управления электрода IGM.

Максимально допустимая рассеиваемая мощность на управляющем электроде (PG или Pу)

Принцип работы

Когда на тиристор подают напряжение он не проводит ток. Есть два способа включит его – подать напряжение между анодом и катодом достаточное для открытия, тогда его работа ничем не будет отличаться от динистора.

Другой способ – это подать кратковременный импульс на управляющий электрод. Ток открытия тиристора лежит в пределах 70-160 мА, хотя на практике эта величина, как и напряжение которое нужно приложить к тиристору зависит от конкретной модели и экземпляра полупроводникового прибора и даже от условий, в которых он работает, таких, например, как температура окружающей среды.

Кроме управляющего тока, есть такой параметр как ток удержания – это минимальный ток анода для удержания тиристора в открытом состоянии.

После открытия тиристора управляющий сигнал можно отключать, тиристор будет открыт до тех пор, пока через него протекает прямой ток и подано напряжение. То есть в цепи переменного тиристор будет открыт в течении той полуволны напряжение которой смещает тиристор в прямом направлении. Когда напряжение устремится к нулю, снизится и ток. Когда ток в цепи упадет ниже величины тока удержания тиристора – он закроется (выключится).

Полярность управляющего напряжения должна совпадать с полярностью напряжения между анодом и катодом, что вы наблюдаете на осциллограммах выше.

Управление симистором аналогично хоть и имеет некоторые особенности. Для управления симистором в цепи переменного тока нужно два импульса управляющего напряжения – на каждую полуволну синусоиды соответственно.

После подачи управляющего импульса в первой полуволне (условно положительной) синусоидального напряжения ток через симистор будет протекать до начала второй полуволны, после чего он закроется, как и обычный тиристор. После этого нужно подать еще один управляющий импульс для открытия симистора на отрицательной полуволне. Это наглядно проиллюстрировано на следующих осциллограммах.

Полярность управляющего напряжения должна соответствовать полярности приложенного напряжения между анодом и катодом. Из-за этого возникают проблемы при управлении симисторами с помощью цифровых логических схем или от выходов микроконтроллера. Но это легко решается путем установки симисторного драйвера, о чем мы поговорим позже.

Распространенные схемы управления тиристорами или симисторами

Самой распространенной схемой является симисторный или тиристорный регулятор.

Здесь тиристор открывается после того как на конденсаторе будет достаточная величина для его открытия. Момент открытия регулируется с помощью потенциометра или переменного резистора. Чем больше его сопротивление – тем медленнее заряжается конденсатор. Резистор R2 ограничивает ток через управляющий электрод.

Эта схема регулирует оба полупериода, то есть вы получаете полную регулировку мощности почти от 0% и почти до 100%. Это удалось достичь, установив регулятор в диодном мосте, таким образом регулируется одна из полуволн.

Упрощенная схема изображена ниже, здесь регулируется лишь половина периода, вторая полуволна проходит без изменения через диод VD1. Принцип работы аналогичен.

Симисторный регулятор без диодного моста позволяет управлять двумя полуволнами.

По принципу действия почти аналогична предыдущим, но построена на симисторе с её помощью регулируются уже обе полуволны. Отличия заключаются в том, что здесь импульс управления подаётся с помощью двунаправленного динистора DB3, после того как конденсатор зарядится до нужного напряжения, обычно это 28-36 Вольт. Скорость зарядки также регулируется переменным резистором или потенциометром. Такая схема реализована в большинстве бытовых диммеров.

Такие схемы регулировки напряжения называется СИФУ – система импульсного фазового управления.

На рисунке выше изображен вариант управления симистором с помощью микроконтроллера, на примере популярной платформы Arduino. Симисторный драйвер состоит из оптосимистора и светодиода. Так как в выходной цепи драйвера установлен оптосимистор на управляющий электрод всегда подаётся напряжение нужной полярности, но здесь есть некоторые нюансы.

Дело в том, что для регулировки напряжения с помощью симистора или тиристора нужно подавать управляющий сигнал в определенный момент времени, так чтобы срез фазы происходил до нужной величины. Если наугад стрелять управляющими импульсами – схема работать конечно будет, но регулировок добиться не выйдет, поэтому нужно определять момент перехода полуволны через ноль.

Так как для нас не имеет значения полярность полуволны в настоящий момент времени – достаточно просто отслеживать момент перехода через ноль. Такой узел в схеме называют детектор нуля или нуль-детектор, а в англоязычных источниках “zero crossing detector circuit” или ZCD. Вариант такой схемы с детектором перехода через ноль на транзисторной оптопаре выглядит следующим образом:

Оптодрайверов для управления симисторами есть множество, типовые – это линейка MOC304x, MOC305x, MOC306X, произведенные компанией Motorola и другими. Более того – эти драйверы обеспечивают гальваническую развязку, что убережет ваш микроконтроллер в случае пробоя полупроводникового ключа, что вполне возможно и вероятно. Также это повысит безопасность работы с цепями управления, полностью разделив цепь на «силовую» и «оперативную».

Заключение

Мы рассказали базовые сведения о тиристорах и симисторах, а также управлении ими в цепях с «переменкой». Стоит отметить, что мы не затрагивали тему запираемых тиристоров, если вас интересует этот вопрос – пишите комментарии и мы рассмотрим их подробнее. Также не были рассмотрены нюансы использования и управления тиристорами в силовых индуктивных цепях. Для управления «постоянкой» лучше использовать транзисторы, поскольку в этом случае вы решаете, когда ключ откроется, а когда он закроется, повинуясь управляющему сигналу…

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,

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.

Симисторный регулятор мощности с оптопарой — Меандр — занимательная электроника

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

Управление приборами 220В

Самый простой вариант — Реле

Электромагнитное реле — самый простой вариант управления микроконтроллером нагрузкой 220В. По сути это обычный электромагнит. При подаче постоянного тока на катушку возникает магнитное поле, сердечник втягивается и замыкает выводы. Для управления самим реле применимы те же методы, описанные в статье «Как управлять мотором постоянного тока». Важно обращать внимание на ток удержания реле и максимальный ток и коммутируемое напряжение. Как правило, ток удержания довольно высокий, около 100 мА, а напряжение 5 или 12В. Поэтому управлять напрямую от микроконтроллера не получится. Нужен будет транзистор.

Примерная схема подключения реле с использованием MOSFET транзистора. Как видно на схеме, обязательно наличие диода. Дополнительно можно ограничить потребляемый ток самим реле, включив его последовательно через резистор. Обычно ток удержания сильно меньше стартового тока при включении реле. Также можно добавить конденсатор, чтобы он давал стартовый ток. Примерно так можно будет выглядеть полная схема:

Основным минусом схемы с реле является наличие механической части в реле. Именно эта часть ограничивает частоту переключений реле и позволяет использовать реле с частотой 0.5 Гц или меньше. Таким образом управлять реле нагрузкой можно только в режиме включил-выключил, без возможности регулирования мощности подаваемой на нагрузку.

Управляем нагрузкой 220В с регулировкой мощности

Хотелось бы иметь возможность регулировать мощность, подаваемую на управляемый прибор в диапазоне от 0 до 100%. Вот эту задачу и будем решать.

Как известно бытовая электросеть имеет переменное напряжение 220В с частотой 50 Гц. На осциллограмме это выглядит так:

Напряжение меняется по синусоиде, меняя полярность каждые 10 мс. Ограничить полную мощность синусоиды можно двумя методами:

В фазовом методе нагрузка отключается от сети на часть времени каждого полупериода, отключение производится обычно после перехода через 0. Напряжение подаваемое на нагрузку в этом случае выглядит так:

Во втором методе, полных периодов или полупериодов, нагрузка отключается на целое количество периодов:

Например это может выглядеть так, в случае с полупериодами. При таком управлении важно следить за тем, чтобы средний ток был равен нулю.

Рассмотрим подробнее как управлять нагрузкой методом полных периодов. Он обеспечивает меньшие помехи на сеть 220В, так как ток и напряжение в нагрузке нарастают синхронно и дают меньшие выбросы в сеть.

Симистор — мощный ключ для сети 220 В

Самый простой способ управления нагрузкой 220В — использовать реле. Оно позволяет с помощью постоянного напряжения управлять мощной нагрузкой. В этой статье не будет рассматривать этот метод, он достаточно простой. Достаточно подать напряжение на магнит реле и он замкнёт контакты. К сожалению, реле не позволяет управлять нагрузкой достаточно быстро. При большом количестве включений\выключений оно быстро выходит из строя. Также, в момент переключения возникают большие импульсные помехи. Использовать реле лучше при частоте управления не больше одного раза в 2-3 секунды.

Как мы уже знаем по статье «Как управлять мотором постоянного тока» в цепях постоянного тока транзистор является электронным ключом, устройством, которое позволяет малым напряжением или током управлять более мощной нагрузкой.

Для переменного тока тоже существуют такие электронные ключи — Симисторы.

Симистор проводит ток в обоих направлениях, поэтому используется в сетях переменного тока. Для управления нагрузкой основные электроды симистора включаются в цепь последовательно с нагрузкой. В закрытом состоянии проводимость симистора отсутствует, нагрузка выключена. При подаче на управляющий электрод отпирающего сигнала между основными электродами симистора возникает проводимость, нагрузка оказывается включённой.

Для удержания симистора в открытом состоянии нет необходимости постоянно подавать сигнал на управляющий электрод (в отличие от транзистора). Он остаётся открытым, пока протекающий через основные выводы ток превышает некоторую величину, называемую током удержания. Отсюда следует, что выключение нагрузки в цепи переменного тока происходит вблизи моментов времени, когда ток через основные электроды симистора меняет направление (обычно это совпадает по времени со сменой полярности напряжения в сети переменного тока). Эта точка на синусоиде называется переходом через ноль.

Симистором можно управлять напрямую от микроконтроллера, но для этого нужен довольно большой ток — 10-20 мА. Существуют также логические симисторы. У них ток управления составляет около 5 мА. В схемах лучше использовать обычные симисторы, они более защищены от самопроизвольного открытия. Что это такое и как можно управлять обычными симисторами? Читаем дальше.

Для начала посмотрим насколько мощной нагрузкой может управлять типичный симистор. Возьмём для примера симистор BT139-800. В datasheet обычно приводят графики выделяемой мощности на симисторе при управлении нагрузкой. Вот пример такого графика.

Зная выделяемую мощность, используем параметры рассеивания тепла корпусом, чтобы получить температуру нагрева симистора и оценить его работоспособность.

Из всех этих параметров следует, что без радиатора данный симистор может рассеять около 2Вт тепла. При управлении полными полупериодами нужно брать график тока для a=180 градусам. График в этой области практически линейный, поэтому можно сказать, что средний ток будет около 2А.

То есть без радиатора этот симистор сможет управлять нагрузкой в 2А * 220В = 440 Вт. В остальных случаях нужен будет радиатор.

Теперь разберёмся как микроконтроллер может управлять мощным симистором?

Оптосимистор — удобный метод управления мощным симистором микроконтроллером

Так как симистор проводит ток в обоих направлениях, то по отношению к его основным терминалам, управляющий ток может находится в четырёх квадратах.

Можно это также представить в виде таблицы:

В datasheet приводят, в каких квадрантах управляется конкретный симистор и какой для этого нужен ток. Например, выбранный симистор управляется во всех 4-х квадрантах. Но при этом различается управляющий ток и защитные свойства от ложных срабатываний.

Видно, что 4-ый квадрант самый невыгодный. Управляющий ток резко возрастает. Также и защитные свойства при таком управлении падают.

Отсюда следует вывод, что при управлении микроконтроллером лучше управлять в 1-3 квадранте.

Если управление прямое, то МК необходимо уметь менять полярность вывода, что сложно, или иметь общее с терминалом A1 плюсовое питание (управление будет во втором и третьем квадранте). Второй вариант не сложно реализовать при конденсаторном источнике питания. В этом appnote AN2986 подробно рассматривается этот случай.

Второй вариант — управлять через оптосимистор. Таких устройств довольно много и они стоят недорого. Например — MOC3041. Есть оптосимисторы со встроенной схемой контроля перехода через ноль, они могут выключаться только около нуля. Такой нам и нужен для схемы управления полными периодами. А есть без этой схемы. С их помощью можно управлять фазовым методом.

Схема управления с использование оптосимистора получается такая:

само устройство внутри выглядит так:

Управление в этом случае получается одной полярности с терминалом A2, то есть в первом и третьем квадранте.

Дополнительно оптосимистор изолирует схему работы микроконтроллера от сети, что уменьшает помехи, и повышает надёжность прибора. Если нет требований к компактности прибора, то рекомендуем использовать оптосимисторы для управления другими более мощными симисторами.

Цепь защиты симистора от помех в сети

В случае слишком быстрого изменения напряжения на основных выводах симистора или тока он может самопроизвольно открыться и начать проводить ток. Это очень неприятно. В основном это может произойти при управлении индуктивной нагрузкой (индуктивность сопротивляется изменению тока). Но также это может происходить и при работе прибора с индуктивностью рядом в сети (например, когда через одну розетку работает мотор и управляемый микроконтроллером паяльный фен). В этом случае независимо от микроконтроллера управляемая нагрузка не будет отключаться от сети и ток будет продолжать идти. Например, при управлении паяльным феном эта ситуация может привести даже к пожару.

Простой защитой от этого случая является снабберная цепь (резистор плюс конденсатор):

Но она не гарантирует работу во всех случаях. Параметры рассчитываются под конкретную индуктивность. Appnote AN-3004 подробно рассматривает расчет снаббера.

Второй вариант — использование симисторов работающих в 1-3 квадранте. Например, T405. Производитель указывает, что они могут использоваться для управления даже индуктивной нагрузкой без снаббера.

Фазовый метод

Для решения задачи фазового управления нагрузкой микроконтроллеру необходимо знать когда был совершён переход через ноль. Тогда можно будет рассчитать время задержки включения нагрузки.

Самый простой метод получения события перехода через ноль в сети переменного тока подробно описан в appnote AN521 от компании Microchip. Практически каждый микроконтроллер имеет высоковольтные защитные диоды на каждом цифровом входе. Это можно использовать, чтобы получить информацию о переходе через ноль. Достаточно на входе поставить высокоомный резистор, ограничивающий ток на выводе МК, до значений указанных в datasheet на МК. В этом случае вывод в обычном цифровом режиме будет принимать значение 0 в момент перехода через ноль. Временная задержка от реального состояния до реального будет минимальна и составляет около 50 мкс.

Минусом такой схемы является отсутствие гальванической развязки схемы управления от сети 220В. Если это необходимо, то можно использовать оптопару.

Ну а далее, уже можно управлять мощным симистором как было описано ранее, только если делать это через оптосимистр, то без схемы перехода через ноль.

В этой статье разобраны основные методы управления мощной нагрузкой сети переменного тока 220В с помощью симисторов. После прочтения теоретической части перейдём к практике. Паяльная станция — прибор, в котором микроконтроллер управляет мощным паяльным феном работающим от сети 220В.

Оптосимистор и его применение. | Catcatcat electronics

---

Эрве Кадино “Цветомузыкальные установки”

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

Статья в pdf

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

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

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

---

 

 

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

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

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

Для поставленной задачи подойдет любой.

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

или  

 

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

---

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

Но я считаю этими приемами надо владеть.

Расчет сопротивления RD.

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

Например, для схемы транзисторного управления (которое используется в схемах регуляторов температуры), с напряжением питания + 12 В и напряжением на отрытом транзисторе (Uкэ нас) равном 0,3 В +VDD = 11. 7 B и If должен быть находится в диапазоне 15 и 50 мА для MOC3041. Следует принять If = 20 мА с учетом снижения эффективности светодиода в течении срока службы (запас 5 мА), целиком обеспечения работу оптопары с постепенным ослаблением силы тока.

Таким образом имеем:

RD=(11.7-1.5)/0.02= 510 Ом.

Полученное значение даже вписывается в стандартный ряд сопротивлений.

Расчет сопротивления R.

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

Для выше указанных оптопар максимальной допустимый ток 1 А.

Минимальное сопротивление резистора R:

Rmin=220 В * 1,44 / 1 А = 311 Ом.

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

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

Расчет сопротивления Rg.

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

---

---

Это может быть интересно

---

• ESP32-первое знакомство14/12/2018

  Музыкальная тема к статье, слушаем: Настало время познакомиться c ESP32 и для меня, для этого я приобрел в ГАММЕ отладочную плату с модулем ESP-WROOM-32 (ESP32-DevKitC). Первая задача, как он подключается, …

• APA102 – светодиоды со встроенным драйвером и SPI интерфейсом23/02/2015

  APA102 В 2014 году фирма Shenzhen Led Color Optoelectronic Co. , Ltd http://www.szledcolor.com/ начала производство светодиодов на драйвере APA102. Это серия так называемых светодиодов со встроенным драйвером. Основной особенностью этих светодиодов, что …

• Сенсорный выключатель света20/03/2013

  Хотя в настоящий момент актуальны системы управления освещением с передачей данных по электросети, но я думаю, что проекты такого рода тоже имеют право на жизнь. Анонс Три вида сенсора – …

• Altium Designer – создание рисунков на печатной плате05/08/2017

    Для создание рисунков на печатной платы в Altium Designer можно использовать возможность использовать в Altium Designer сторонних скриптов. Мне возможность эта очень понравилась и я решил её расшарить для электронщиков. …

• CAN – Controller Area Network28/05/2014

  Controller Area Network (CAN) первоначально был создан немецким поставщиком автомобильных систем Робертом Бош в середины 1980-х для автомобильной промышленности как метод для обеспечения возможности надежной последовательной связи. Целью было сделать автомобили более надежными, безопасными и …

• Ссылки на интересные источники20/10/2018

  Сбор 3D моделей от André L’Hérault конденсаторы, резисторы, индуктивности dropbox IPC-SM-782 Surface Mount Design and Land Pattern Standard Видео уроки по Altium designer Alexey Sabunin https://www.youtube.com/channel/UCG7N5CqXpyK8nQjr1EmMgng Сергей Булавинов https://www.youtube.com/channel/UCISAMXRnN_Qw9UTjUwZI1Jw Robert Feranec https://www.youtube.com/user/matarofe Самый быстрый, …

• VU Meter Tower ART23/11/2014

  Стерео индикатор уровня аудио сигнала. Компактность и удобство проектирования устройств на светодиодах WS2812B, а также легкость реализации алгоритма родило идею созданию своей конструкции. В этом проекте я предоставлю все материалы …

• Проект с использованием MCC часть 0106/01/2017

  Для изучения MCC я выбрал простой контроллер PIC16F1509. Выбор его был обусловлен богатой новой периферией которую можно изучить. Для начала была собрана схема на макетной плате Внешний вид собранной схемы …

• BMP280 – температура и атмосферное давление – учебный проект26/03/2019

  Учебный проект на PIC32 и светодиодной панели P5 (2121)-168-6432-80 (32*64). Проект позволяет ознакомиться с простой графикой и с чтением давления и температуры с датчика BMP280. Для тестирования необходимо собрать следующую …

• DS18B20 – удаленный контроль температуры28/03/2013

  Плата в корпусе Датчики температуры DS18B20 Схема подключения Вывод данных на ПК Установка дополнительных резисторов Назначение выводов This jQuery slider was created with the free EasyRotator for WordPress plugin from …

---

---

 

Опто-симисторы и твердотельные реле

• Изучив этот раздел, вы сможете:
• Опишите типичное использование оптических симисторов:
• • Гальваническая развязка.
• • Коммутационная способность.
• • Типовая конструкция.
• Опишите типичные особенности твердотельных реле:
• • Гальваническая развязка.
• • Переключение нагрузок постоянного и переменного тока.
• • Типовые параметры.
• Опишите типичные функции безопасности, используемые в твердотельных реле (SSR):
• • Защита от обратной полярности.
• • Защита от перенапряжения.
• • Подавление переходных напряжений.
• • Демпферные цепи.
• • Переход через нулевое напряжение.
• Опишите основные меры для тестирования оптопар на основе ИС.
• • Базовые тесты.
• • Меры безопасности для устройств среднего и высокого напряжения.

Опто-симисторы

Устройства, которые используются для управления высоковольтным / высокомощным оборудованием, должны иметь хорошую электрическую изоляцию между высоковольтным выходом и низковольтным входом. Использование слоя оксида кремния, толщиной в несколько атомов для обеспечения необходимой изоляции, на самом деле не вариант в таких условиях.Когда возникают неисправности (а они более вероятны в цепях большой мощности), результаты могут быть катастрофическими не только для компонентов схемы, но и для пользователей такого оборудования. Физическая изоляция (это означает, что между входом и выходом нет никакого электрического соединения ) – вот что необходимо. К счастью, есть легко доступные решения этой проблемы. Многие цепи высокой мощности сегодня управляются низковольтными, слаботочными цепями, такими как микропроцессоры, с использованием оптоэлектронных устройств, таких как опто-симисторы, опто-тиристоры и твердотельные реле, чтобы изолировать цепи низкой и высокой мощности.

Устройство управления должно быть способно выдерживать высокие напряжения, в том числе очень высокие скачки напряжения, которые могут возникать в выходных цепях переменного или постоянного тока из-за обратной ЭДС от индуктивных нагрузок, и скачки напряжения, которые могут случайным образом присутствовать в сети (линии). поставлять. Также высокие значения импульсного тока (намного превышающего нормальный рабочий ток), которые возникают, например, при включении таких нагрузок, как двигатели или лампы накаливания, могут потребовать, чтобы устройство управления было рассчитано на работу с импульсными токами до 40 или В 50 раз превышающий нормальный «рабочий» ток.Выбранное устройство управления должно также обеспечивать гальваническую развязку между входными и выходными цепями. В дополнение к этим критериям цепь вокруг устройства управления должна также обеспечивать защиту от опасных ситуаций. Например, подходящие радиаторы для используемых твердотельных устройств. Также необходимы специальные быстродействующие предохранители или автоматические выключатели, чтобы предотвратить повреждение полупроводников из-за токовых перегрузок.

Рис. 6.6.1 Opto Triac и Opto SCR

В этой группе оптопар, фототиристоры, фото-тиристоры или комбинации фотодиод / МОП-транзистор заменяют фотодиоды и фототранзисторы, описанные в модуле 5 опто-сопряженных устройств, а также доступны в интегральных схемах (I.C.) форма для переключения относительно маломощных нагрузок переменного или постоянного тока. В полупроводниковых реле высокой мощности (SSR), показанных на рис. 6.6.2, используются микросхемы, подобные тем, которые показаны на рис. 6.6.1, с дополнительной «встроенной» схемой для безопасного и надежного управления высоковольтными и сильноточными нагрузками.

Рис. 6.6.2 Типичный SSR высокой мощности

Твердотельные реле

Опто-симисторы и опто-тиристоры используются для переключения нагрузок переменного тока, но также доступны твердотельные реле, использующие силовые полевые МОП-транзисторы, которые могут переключать переменный или постоянный ток.Твердотельные реле малой мощности, состоящие в основном из опто-симисторной схемы, такой как тип, показанный на рис. 6.6.1, могут использоваться как обычные интегральные схемы, установленные на печатной плате. В качестве альтернативы эти маломощные оптопары могут быть заключены в изолированный корпус вместе с мощными симисторами или тиристорами и дополнительными компонентами безопасности, такими как радиаторы и компоненты подавления импульсов, в более крупных твердотельных реле (SSR), монтируемых в стойку, всего с четырьмя или пятью винтами. клеммы для тяжелых условий эксплуатации, которые могут рассматриваться как выключатели сетевого (линейного) питания и могут заменить многие типы электромеханических реле.

Рис. 6.6.3 Твердотельное реле MOSFET

Одной из наиболее важных особенностей SSR является то, что оптопара обеспечивает полную гальваническую развязку между входной цепью малой мощности и выходной цепью высокой мощности. Когда выходной переключатель находится в «разомкнутом» состоянии (т. Е. Полевые МОП-транзисторы выключены), SSR имеет почти бесконечное сопротивление на своих выходных клеммах и почти нулевое сопротивление в «замкнутом» состоянии (т. Даже в этом случае некоторая мощность будет рассеиваться полупроводниковым переключателем, когда он находится в состоянии «включено» или «выключено» с переменным или постоянным током.По этой причине необходимы соответствующие радиаторы для предотвращения перегрева.

Типовая схема базового MOSFET SSR показана на рисунке 6.6.3. Ток около 20 мА через светодиод достаточен для активации полевых МОП-транзисторов, которые заменяют контакты механического реле. (Инфракрасный) свет от светодиода попадает на фотоэлектрический блок, состоящий из нескольких фотодиодов. Поскольку один фотодиод будет производить только очень низкое напряжение, диоды в фотоэлектрическом блоке расположены последовательно / параллельно, чтобы обеспечить достаточное напряжение для включения полевых МОП-транзисторов.

Рис. 6.6.4 Использование микросхемы MOSFET Relay для

переключения переменного или постоянного тока

На рисунке 6.6.4 представлен базовый пример MOSFET SSR, показывающий, как могут быть организованы выходы, позволяющие SSR переключать нагрузки переменного или постоянного тока. Для удовлетворения различных требований к выходному напряжению и току переменного и постоянного тока доступен ряд аналогичных SSR, типичным примером является PVT412 SSR от International Rectifier (теперь часть Infineon Technologies), выпускаемый в нескольких версиях в виде 6-контактного DIL-корпуса и способный заменить однополюсное механическое реле для переключения переменного или постоянного напряжения до 400 В (пиковое) с токами до 140 мА переменного тока или 210 мА постоянного тока.Доступны и другие микросхемы, которые действуют как двухполюсные, нормально замкнутые (NC), нормально разомкнутые (NO) и переключающие реле с широким спектром дополнительных возможностей. SSR также производятся в диапазоне выходных напряжений и номинальных значений тока, с диапазоном типов корпусов, начиная от небольших компонентов для поверхностного монтажа и заканчивая сложными многополюсными микросхемами и примерами больших сильноточных напряжений для монтажа в стойку в электрических шкафах управления. Более подробную информацию о SSR можно найти, выполнив поиск по твердотельным реле на веб-сайтах производителей, таких как Infineon Technologies, или у поставщиков полупроводников, таких как RS Components

.

Фиг.6.6.5 Функции безопасности твердотельного реле

Функции безопасности SSR

SSR

состоят в основном из оптопары, управляющей некоторыми мощными переключающими устройствами, такими как силовой симистор, полевые МОП-транзисторы или тиристоры, но поскольку их цель – переключать электрические нагрузки большой мощности, часто в критических для безопасности ситуациях SSR производятся с широким спектром функций. , разработан для обеспечения безопасной и надежной работы. Некоторые из них показаны на схеме, показанной на рис. 6.6.5:

.

Защита от обратной полярности.Если входные клеммы подключены с неправильной полярностью, диод D1 проводит и снижает напряжение в нижней части R1 примерно до 0,7 В, тем самым спасая светодиод оптопары от повреждения. Обратите внимание, что номинальная мощность диода и токоограничивающего резистора R1 должна быть способна выдерживать ток обратной полярности при максимальном входном напряжении без повреждений, в противном случае входной предохранитель подходящего номинала может быть вставлен между входной положительной клеммой и токоограничивающим резистором.

Защита от перегрузки по току.Обычно SSR могут работать в диапазоне входных напряжений постоянного тока, например от 5 до 24 В. Эти более высокие напряжения могут привести к тому, что ток через светодиод оптопары превысит требуемый максимум, в этом случае срабатывает схема защиты от перегрузки по току, чтобы поддерживать подходящий уровень тока через светодиод. R2 – резистор малой мощности для измерения тока; это значение выбрано таким образом, чтобы в нормальных условиях работы Tr1 смещался чуть ниже порога отсечки, но если ток через светодиод входа оптопары увеличивается из-за чрезмерного входного напряжения, дополнительный ток через R2 заставит Tr1 проводить, отклоняя часть тока светодиода через Tr1 снижает напряжение в нижней части R1 и ток через светодиод до безопасного уровня.

Рис. 6.6.6 Подавление переходных напряжений

Диод подавления переходных напряжений (TVS). SSR, используемые в ситуациях управления, могут быть подвержены повреждению, вызванному внезапными и кратковременными (т. Е. Переходными) скачками напряжения, которые могут быть вызваны внешними событиями, такими как импульсы обратной ЭДС при переключении индуктивных нагрузок; также удаленные грозовые разряды и другие электромагнитные или электростатические разряды представляют высокий риск для полупроводниковых устройств. Такие всплески напряжения могут быть очень короткими по продолжительности, но могут достигать сотен или тысяч вольт по амплитуде, и хотя создаваемый ими ток может быть очень небольшим, напряжение, вызванное такими напряжениями, может вызвать полный отказ полупроводниковых устройств, используемых в SSR.Одним из способов уменьшения этих опасных событий является использование диода-ограничителя переходного напряжения (TVS), подключенного параллельно с чувствительными устройствами, такими как оптопара, как показано на рис. 6.6.5.

Рис. 6.6.6 иллюстрирует действие TVS-диода и показывает выходную синусоидальную волну, наложенную на характеристики TVS-диода. Двунаправленный TVS-диод работает скорее как два встречных стабилитрона, где выше определенного обратного напряжения происходит пробой тока, и диод проводит большую проводку.Поскольку TVS-диод в этом случае является двунаправленным, пробой происходит как в прямом, так и в обратном направлении.

При использовании TVS-диод должен иметь напряжение пробоя выше, чем пиковое напряжение волны переменного тока, которое составляет 1,414 x V _RMS , поэтому TVS-диод с напряжением пробоя примерно в 1,5 раза больше, чем RMS-напряжение синусоидальной волны. обычно используется. Скачок напряжения, превышающий этот предел, вызывает сильную проводимость диода, ограничивая его напряжение до напряжения пробоя диода.Заметное различие между стабилитроном и TVS-диодом заключается в том, что TVS-диод имеет более прочную область перехода, чтобы справиться с внезапным сильным выбросом тока во время всплесков. Однако после того, как всплеск закончился, диод перестает проводить (за исключением небольшого обратного тока утечки) и не оказывает дальнейшего влияния на выходную волну до тех пор, пока не появятся новые всплески. TVS-диоды также доступны в однонаправленных типах, которые также могут использоваться на входной стороне оптопары в SSR с использованием входа постоянного тока, если существует высокий риск возникновения всплесков.Однако, поскольку на вход постоянного тока обычно подается сглаженный источник питания постоянного тока, обычно ожидается, что это минимизирует риск, поэтому использование TVS-диодов на входных компонентах редко считается необходимым.

Рис. 6.6.7 RC демпферные цепи

RC демпферные цепи. Эти схемы обеспечивают способ уменьшения разрушающего воздействия скачков напряжения, возникающих в сети переменного тока, или очень больших и быстрых изменений напряжения, которые могут происходить при включении или выключении индуктивной нагрузки (коммутации).В более старых типах симисторов или тиристоров эта RC-цепь (R5 и C1) подключается через выходной симистор или тиристор, как показано на рисунках 6.6.5 и 6.6.7. Его эффект заключается в замедлении быстрого увеличения или уменьшения напряжения во время всплеска. Использование демпфирующей схемы также может уменьшить радиопомехи, вызванные переключением симистора или тиристора. Если выбрать подходящую постоянную времени для R5 / C1, конденсатор не успеет зарядиться при повышении пикового напряжения, прежде чем напряжение снова снизится и разрядится конденсатор.Таким образом уменьшается амплитуда любых быстрых скачков напряжения. Типичные значения R составляют от 39 до 100 Ом для R5 и от 22 до 47 нФ для C1. Конденсатор также должен быть импульсного типа с очень высоким максимальным рабочим напряжением, намного превышающим пиковое значение выходной волны, чтобы учесть дополнительное напряжение, вызванное любыми скачками напряжения. Однако конструкция демпферных цепей более сложна, чем простой выбор типичных значений R и C, и должна учитывать ряд факторов, которые будут уникальными для цепи или компонента, который защищает демпфер, и для нагрузок, которые цепь может управлять. .

Полезное примечание по конструкции демпфера и калькулятору компонентов предоставлено HIQUEL (High Quality Electronics) в режиме онлайн.

Генераторы переменного тока

В качестве альтернативы доступны современные симисторы, которые также можно назвать «альтернисторами» или «альтернисторными симисторами», которые гораздо менее подвержены повреждению или случайному ложному срабатыванию, вызванному быстрыми переходными напряжениями. Некоторые производители полупроводников имеют свой собственный ассортимент устройств, например, линейку «Snubberless _TM » от ST Microelectronics или «Hi-Com _TM » от WeEn Semiconductors, которые способны справляться как с скачками напряжения, так и с быстрыми скачками напряжения. События dV / dt, возникающие при коммутации (выключении) с индуктивными нагрузками.Внутренняя конструкция этих симисторов отличается от оригинальных типов, что позволяет им лучше справляться с быстрыми изменениями высокого напряжения, которые могут произойти при отключении индуктивных нагрузок из-за разности фаз между током и напряжением в индукторах. В этом случае возможно, что когда симистор отключается, когда сетевой (линейный) ток проходит через ноль вольт, сетевое напряжение на симисторе может достигать максимального значения. Хотя такие события в оригинальных схемах симисторов могли вызвать проблемы с неконтролируемым повторным запуском, в современных конструкциях это значительно уменьшено.

Рис. 6.6.8 SSR Zero Crossing Action

Переход через нулевое напряжение. Некоторые SSR включают схемы «пересечения нуля» или «синхронного переключения», которые уменьшают возможность введения быстро изменяющихся «всплесков» в сетевом (линейном) питании, гарантируя, что их выход будет включаться только тогда, когда цикл сетевого напряжения проходит через нулевое напряжение. . Как показано на рис. 6.6.8, если управляющее напряжение требует включения в то время в течение цикла напряжения, когда напряжение переменного тока не проходит через 0 В, действие переключения задерживается до тех пор, пока напряжение не перейдет через 0 В в конце текущей половины. цикл.Однако схема пересечения нулевого напряжения не играет никакой роли в выключении выхода; это управляется действием симистора или тиристора, который после включения выключится только тогда, когда выходной ток нагрузки упадет ниже заданного удерживающего тока симистора или тиристора, что будет происходить, когда форма волны тока проходит через ноль.

Приведенные выше описания функций безопасности предназначены для ознакомления пользователей SSR с некоторыми необходимыми ограничениями безопасности при выборе правильного SSR для любой конкретной операции.Однако этот список не предлагается в качестве исчерпывающего руководства, важность или неважность любого из этих факторов будет во многом зависеть от предполагаемого использования SSR. Поэтому рекомендуется, особенно при рассмотрении вопроса о безопасной эксплуатации цепей, получить консультацию, относящуюся к предполагаемому проекту, многие производители или национальные и международные агентства по безопасности могут легко дать квалифицированный совет относительно пригодности SSR для конкретных целей. Вам также предлагается продолжить изучение, пройдя по некоторым из рекомендуемых ссылок внизу этой страницы.

Твердотельное и механическое переключение в сравнении с

Твердотельные реле

(SSR) имеют ряд преимуществ перед электромеханическими реле, некоторые из которых являются очевидными преимуществами, а некоторые будут оспариваться приверженцами (и производителями) электромеханических реле. Однако, какой тип реле лучше для конкретного приложения, зависит больше от приложения, а не от типа реле. Поэтому это следует внимательно учитывать при чтении следующих списков.

Преимущества ТТР перед электромеханическими реле.

1. Поскольку твердотельные реле не имеют индуктивных катушек или подвижных контактов, они не создают электромагнитных помех.
2. SSR не вызывают потенциально опасного искрения.
3. SSR работают бесшумно.
ТТР
4. не подвержены механическому износу, поэтому потенциально могут выполнять гораздо больше операций переключения, чем электромеханические реле (однако любой тип может быть спроектирован так, чтобы выполнять больше операций, чем требуется в течение срока службы оборудования, в котором они используются).
SSR
5. не страдают от дребезга контактов.
ТТР
6. имеют более быстрое время переключения, чем электромеханические реле.
7. Для коммутации переменного тока доступны SSR с переходом через ноль, которые включаются только в тот момент или близко к тому времени, когда форма волны переменного тока проходит через нулевое напряжение, таким образом уменьшая возникновение скачков напряжения, которые возникают, если цепь включается при напряжении переменного тока. максимум.
8. SSR могут быть физически меньше, чем электромеханические реле сопоставимых типов.

Недостатки ТТР перед электромеханическими реле.

1. Когда SSR включены, между выходными клеммами имеется измеримое сопротивление, поэтому SSR выделяют некоторое количество тепла, а также вызывают падение напряжения во включенном состоянии.
2. Когда SSR находятся в выключенном состоянии, на выходе все еще протекает небольшой обратный ток утечки. В отличие от электромеханических реле, SSR не являются ни полностью включенными, ни выключенными. Поэтому их использование может быть запрещено в соответствии с некоторыми правилами техники безопасности.
3. Поскольку SSR могут очень быстро (за миллисекунды) включать случайные всплески помех в их входных цепях или внезапные быстрые изменения напряжения на их выходах, могут вызвать нежелательное переключение некоторых SCR или симисторов.
4. Отказ SSR обычно вызывает короткое замыкание (включение), тогда как отказ электромеханического реле обычно вызывает разрыв цепи (выключение). Из-за этого использование SSR может вызвать некоторые опасения в критических для безопасности системах.

Дополнительная информация

Твердотельные реле и электромеханические реле – Примечания по применению Твердотельное реле США

Как правильно выбрать реле – National Instruments

Технические советы по реле – Crydom Inc.

MOC3021 Драйвер симистора: распиновка, техническое описание, эквивалент [Видео]

MOC3021 – это оптрон с нулевым переходом, управляемый триаком, или оптоизолятор .

Как мы знаем, термин «оптопара / оптоизолятор» означает то же самое, что мы используем свет для косвенного соединения схем. Особенностью MOC3021 является то, что он обладает способностью преодолевать ноль и управляется симистором.

В этом видео рассказывается, как создать систему управления затемнением лампы 110/220 В переменного тока на базе Arduino с использованием MOC3021

.

---

Каталог

---

MOC3021 Описание

MOC3021 принадлежит к сериям MOC301XM и MOC302XM от ON Semiconductor, они представляют собой оптически изолированные драйверы симистора.Эти устройства содержат инфракрасный излучающий диод на основе GaAs и кремниевый двусторонний переключатель, активируемый светом, который работает как симистор. Они предназначены для взаимодействия между электронным управлением и силовыми симисторами для управления резистивными и индуктивными нагрузками при работе 115 В переменного тока.

MOC3021 поставляется с внутренним светодиодом и транзистором на основе TRIAC, активирующим свет. Эта оптопара обеспечивает защиту от ВЫСОКИХ резистивных и индуктивных нагрузок. Он имеет возможность пропускать ток до 1А.

MOC3021 Оптопара работает на основе IR и поддерживает любой ток, протекающий в цепи. Оптрон поставляется только в одном корпусе, но один корпус может использоваться с любой схемой. При ВЫСОКОЙ нагрузке рабочая температура всегда влияет на характеристики схемы, но MOC3021 может работать при ВЫСОКОЙ температуре, а также увеличивает срок службы оптопары.

---

MOC3021 Распиновка

MOC3021	MOC3021 Распиновка

Имя контакта	Описание
Анод (A)	Анодный вывод ИК-светодиода.Подключен к логическому входу
Катод (C)	Катодный вывод ИК-светодиода
NC	Нет соединения – невозможно использовать
Главный вывод симистора 1	Один конец симистора, который присутствует внутри IC
NC	Нет соединения – невозможно использовать
Главный вывод симистора 2	Другой конец симистора, который присутствует внутри IC

---

MOC3021 Характеристики

• Оптоизолятор с драйвером симистора с нулевым переходом

• Входное напряжение светодиодного диода в прямом направлении: 1.15 В

• Светодиодный ток фиксации вперед: 15 мА

• Напряжение на выходе TRIAC: 400 В (макс.)

• Пиковый выходной ток TRIAC: 1A

• Доступен как 6-контактный PDIP с суффиксом M и без него

---

MOC3021 Эквивалент

MOC3043

Альтернативные оптопары: MCT2E (ненулевой транзистор), MOC3041 (ненулевой кросс-триак), FOD3180 (высокоскоростной полевой МОП-транзистор),

---

Где использовать оптопару на фототранзисторе MOC3021

Поскольку выход управляется симистором, мы можем управлять нагрузкой до 400 В, а симистор может работать в обоих направлениях, поэтому управление нагрузками переменного тока не будет проблемой.Кроме того, поскольку он имеет возможность перехода через нуль, при первом включении нагрузки переменного тока симистор начнет проводить проводимость только после того, как волна переменного тока достигнет 0 В, поэтому мы можем избежать прямого пикового напряжения на нагрузке и, таким образом, предотвратить его. от повреждений. Он также имеет приличное время нарастания и спада и поэтому может использоваться для управления выходным напряжением.

Эта особенность MOC3021 делает его идеальным выбором для управления высоковольтными нагрузками переменного тока с помощью цифровых контроллеров, таких как MPU / MCU.Поскольку мощность регулируется, можно контролировать интенсивность света или скорость двигателя переменного тока. Итак, если вы ищете оптоизолятор для управления приложением переменного тока через постоянный ток, эта ИС может быть правильным выбором для вас.

---

Как использовать оптопару на фототранзисторе MOC3021

MOC3021 обычно используется для управления электроприбором переменного тока, например, яркостью лампы, скоростью двигателя и т. Д. В любом случае, из-за его ограниченного номинального тока, опто- муфте не разрешено приводить грузы напрямую.В нашем случае они обычно подключаются к другому переключателю питания, например к симистору, этот симистор будет обеспечивать ток, достаточный для управления нагрузкой, и будет управляться с помощью оптрона. Простая принципиальная схема, на которой лампочка переменного тока управляется микроконтроллером, показана ниже.

Схема интерфейса микроконтроллера MOC3021

MOC3021 может использоваться для переключения нагрузок путем простого включения или выключения светодиода, или мы также можем использовать сигналы ШИМ для переключения светодиода и, следовательно, TRIAC.Когда TRIAC переключается с помощью сигналов ШИМ, выходное напряжение на нагрузке можно контролировать, регулируя скорость / яркость нагрузки.

Важно понимать скорость переключения оптрона при переключении нагрузок переменного тока. Эта скорость переключения зависит от амплитуды напряжения, регулируемого симистором TRIAC, и рабочей температуры окружающей среды. График ниже даст вам хорошее представление о том, сколько времени это займет.

MOC3021 График скорости переключения

Например, при температуре окружающей среды 30 градусов Цельсия скорость изменения напряжения во времени будет 9 В за единицу времени, где единица времени равна нам.Таким образом, мы можем изменить 9 В за одну микросекунду.

---

MOC3021 Приложения

---

MOC3021 Пакет

---

Техническое описание компонентов

---

Часто задаваемые вопросы

MOC3021 – оптоизолятор на основе перехода через нуль, состоящий из излучающих инфракрасное излучение диодов на основе арсенида галлия, оптически связанных с кремниевым симистором. … У него установлен внутренний TRIAC, который дает ему возможность управлять любыми внешними коммутационными устройствами, такими как HIGH POWER TRIAC, MOSFETS и Solid State Relay.

Для чего используется оптопара? Когда правильно использует , оптрон может эффективно: Устранять электрические шумы из сигналов. Изолируйте низковольтные устройства от высоковольтных цепей. Позволяют использовать небольшие цифровые сигналы для управления более высокими напряжениями переменного тока.

Как измеряются оптопары? Используя схему справа, определите штифты; сначала анод и катод светодиода (в данном случае контакты 1 и 2), а затем с помощью омметра, установленного в области «X1 Ом», измерьте между контактами 1 и 2, и вы должны получить одно показание , измеряющее в одну сторону и нет чтения в обратном (точно так же, как вы, , проверьте диод).

Драйвер симистора

– Everlight Americas Inc.

Описание:
Серии ELM302X и ELM305X являются оптически изолированными драйверами симистора. Эти устройства содержат инфракрасный излучающий диод из
GaAs и кремниевый двусторонний переключатель, активируемый светом, который работает как симистор.
Они предназначены для взаимодействия между электронным управлением и силовыми симисторами для управления резистивными и индуктивными нагрузками
для работы от 115 до 240 В переменного тока.

Характеристики:
Пиковое напряжение пробоя
400 В: ELM302X
600 В: ELM305X
Высокое напряжение изоляции между входом и выходом (Viso = 3750 В действующее значение)
Компактный двухканальный корпус
Не содержит свинца и соответствует требованиям RoHS.
Одобрено UL (№ E214129)
Одобрено VDE (№ 132249)
Одобрено SEMKO
Одобрено NEMKO
Одобрено DEMKO
Одобрено FIMKO

Применения:
Электромагнитные / клапанные элементы управления
Балласты ламп
Статический выключатель питания переменного тока
Интерфейсные микропроцессоры до 115-240 В перем. тока для периферийных устройств
Диммеры ламп накаливания
Регуляторы температуры
Органы управления двигателем

Корпус	4-контактный SOP
Монтаж	SMD
Случайный тип			Случайный тип	штифтов	Quad
Длина	4.4 мм
Ширина	4,1 мм
Высота	2 мм
Количество каналов	Один
Макс. Прямое напряжение	60 В
dV / dt	10 В / мкс
Мин. Напряжение изоляции	3750 В
Макс. Пиковое напряжение блокировки VDRM	400 В
Макс. Пиковый ток в открытом состоянии IFT	3 мА
Макс.Рассеиваемая мощность	300 мВт
Мин. Рабочая температура.	-40C
Макс. Рабочая температура.	110C
Упаковка	Лента и катушка
Мин. Температура хранения.	-55C
Макс. Температура хранения.	150C

^* обязательные поля

Руководство по выбору оптопар: типы, характеристики, применение

Оптопары – это электронные компоненты, которые используют световые волны для обеспечения гальванической развязки при передаче электрического сигнала.Иногда их называют оптоизоляторами, оптопарами или оптическими изоляторами.

Основы оптопары

Строительство

Все оптопары состоят из двух элементов: источника света – почти всегда светодиода (LED) – и фотодатчика – обычно фоторезистора, фотодиода, фототранзистора, кремниевого выпрямителя (SCR) или симистора. Оба эти элемента разделены диэлектрическим (непроводящим) барьером. Когда на светодиод подается входной ток, он включается и излучает инфракрасный свет; Затем фотодатчик обнаруживает этот свет и пропускает ток через выходную сторону схемы.И наоборот, когда светодиод не горит, через фотодатчик не будет протекать ток. С помощью этого метода два протекающих тока электрически изолированы.

На изображении ниже описаны основные операции оптопары. На сером изображении слева ток не подается через контакт 1, светодиод не горит, а в цепи, подключенной к контактам 4 и 5, ток не протекает. Когда питание подается на входную цепь, светодиод включается, датчик определяет свет, замыкает переключатель и инициирует прохождение тока в выходной цепи, как показано на изображении справа.

Работа оптопары. Изображение предоставлено: REUK

В качестве полупроводниковых устройств оптопары могут быть изготовлены в одном из нескольких различных форм-факторов.

• Поверхностный монтаж (SMT) Устройства монтируются на верхнюю часть печатной платы с помощью коротких проводов или плоских клемм. Эти изделия, как правило, небольшие, легкие и позволяют производить быструю и недорогую автоматизированную сборку.
• Устройства со сквозным отверстием (THT) оснащены длинными выводами, которые продеваются через отверстия на печатной плате и припаяны к другой стороне.В то время как THT постепенно вытесняется производством SMT из-за необходимости в больших компонентах и ​​трудоемкой сборке, устройства со сквозным отверстием по-прежнему способны к прочному механическому соединению.
• Компоненты с выводами присоединяются к печатным платам с помощью длинных выводов.

(слева направо) Корпус THT (DIP), корпус SMT и корпус с выводами (TO-78).

Изображение предоставлено: Solarbotics | RoboticLab | Digikey

Приложения

Оптопары

могут использоваться для различных целей и приложений, в том числе:

• Переключение входа и выхода, особенно в среде с электронным шумом
• Импульсные источники питания
• Изоляция сигнала
• Регулятор мощности
• Связь с ПК / модемом
• Управляющие транзисторы и симисторы

Хотя подавляющее большинство оптопар выполняет относительно простое управление цепями включения-выключения, недавние разработки позволили более «интеллектуальным» устройствам передавать кодированные сигналы путем изменения яркости источника света.

Оптопары

похожи на реле и изолирующие трансформаторы и часто выполняют связанные функции, но они имеют несколько отличий и преимуществ. Оптопары обычно:

• меньше и легче реле
• имеет гораздо более быстрое переключение
• требует гораздо меньшего тока переключения для активации
• обладают минимальной усталостью благодаря своей твердотельной конструкции, особенно по сравнению с электромеханическими реле

По причинам, перечисленным выше, оптопары очень распространены в цифровых или микроэлектронных устройствах, которые требуют быстрого переключения и используют передачи низкого напряжения.

Следующее видео объясняет основную конструкцию оптопар, их основное применение и их сходство с реле.

Видео предоставлено: myvideoisonutube / CC BY-SA 4.0

Типы

Типы оптопар определяются типом используемого детектора, как описано ниже. Некоторые типы имеют разные характеристики и поэтому лучше подходят для конкретных приложений. Оптопары часто называют их «типом выхода»; например, устройство на фототранзисторе можно назвать оптопарой с выходом на фототранзистор.«

Фотоэлемент

Оптопары с фотоэлементами

, также известные как резистивные оптоизоляторы, представляют собой самую раннюю конструкцию оптопар. В качестве источника света они используют лампу накаливания, неоновую лампу или светодиод, а в качестве детектора – фоторезистор из сульфида кадмия (CS) или селенида кадмия (CSe). Фотоэлементы в значительной степени устарели из-за их очень медленного переключения (от 5 до 200 миллисекунд) и в период своего расцвета использовались в телефонных сетях, копировальных аппаратах и ​​приложениях для промышленной автоматизации.Однако они уникальны среди оптопар в том, что они неполяризованы и поэтому подходят как для работы на переменном, так и на постоянном токе. Оптопары с фотоэлементами по-прежнему производятся в небольших количествах для использования в качестве дешевых регуляторов усиления или компрессоров в нишевых продуктах, таких как гитарные усилители и электронные музыкальные инструменты. Резистивные светодиодные оптоизоляторы иногда называют Vactrols .

Фотодиод

В фотодиодных оптопарах в качестве источников света используются светодиоды, а в качестве детекторов – фотодиоды.Они способны к чрезвычайно быстрому переключению, но их коэффициент передачи тока – соотношение между выходным током и входным током, вызвавшим его, – обычно очень низкое, часто менее 1%. Фотодиодные оптопары могут быть оснащены встроенными драйверами светодиодов и буферными усилителями для достижения чрезвычайно быстрого переключения, которое компенсирует задержки на выходе светодиода; эти устройства известны как оптопары с полной логикой.

Фотодиодный оптрон в простой схеме. Изображение предоставлено: DAENotes

Фототранзистор

Как и фотодиодные устройства, оптопары на фототранзисторах оснащены светодиодными источниками света.Их выходные цепи управляются биполярным фототранзистором или фототранзистором Дарлингтона. Оба типа фототранзисторов способны проводить ток только в одном направлении, что делает их пригодными только для использования постоянного тока, а также для использования в контроллерах и приложениях для передачи сигналов. Транзисторные оптопары медленнее фотодиодных, но намного быстрее фотоэлементов. В зависимости от смещения отдельного устройства транзисторные устройства могут обеспечивать широкий диапазон коэффициентов передачи тока, и оба типа хорошо подходят для «повышения» входного тока.С этой целью биполярные транзисторные оптопары обычно могут выдавать до 120% своего входного тока, в то время как устройства Дарлингтона могут выдавать до 600%.

Две схемы ниже представляют оптопару на фототранзисторе (слева) и транзисторе Дарлингтона (справа). Обратите внимание, что устройство Дарлингтона состоит из двух установленных друг на друга биполярных транзисторов в конфигурации Дарлингтона.

Изображение предоставлено: Power Topics | Ebay

SCR и симистор

Два других распространенных выхода оптопары – тиристор и симистор.Оба типа имеют высокие коэффициенты передачи тока и обычно используются для управления цепями переменного тока с более высоким напряжением.

Оптоизолированные устройства SCR используют кремниевый выпрямитель (SCR) в качестве детектора. Эти оптопары обычно используются в качестве повышающих устройств и имеют скорость переключения от низкой до средней.

Схема оптопары SCR. Изображение предоставлено: teacher.en

Оптоизолированный симистор Устройства имеют симисторный выход (триод для переменного тока).Симисторы похожи по конструкции на тиристоры, но в то время как тиристоры позволяют току течь только в одном направлении, симисторы допускают прохождение тока в обоих направлениях. Как и оптоизолированные тиристоры, симисторные оптопары обычно имеют очень высокие коэффициенты передачи тока.

Симисторный оптрон, используемый в базовой цепи. Изображение предоставлено: roysoala

Технические характеристики и параметры выбора

Характеристики ввода / вывода

Оптопары

часто определяются конфигурациями входных и выходных цепей.Например, входные характеристики состоят из информации об источнике света, такой как прямой ток светодиода, рассеиваемая мощность или длина волны. Спецификации вывода часто включают аналогичную информацию о детекторе устройства. Одна спецификация, общая для обеих цепей, – это напряжение изоляции.

Изоляционное напряжение иногда называют входным и выходным изолирующим напряжением , и это одна из наиболее важных спецификаций оптопары. Напряжение развязки представляет собой максимальное напряжение, которое может быть приложено как к входным, так и к выходным цепям при сохранении гальванической развязки.

Коэффициент передачи тока

Коэффициент передачи тока, или CTR, описывает соотношение между выходным током и входным током, который его вызвал. Это минимальное значение, выраженное в процентах от входного тока. Типичные характеристики CTR составляют около 10-50%; эти устройства работают аналогично понижающим изолирующим трансформаторам. Оптопары, предназначенные для повышения тока в выходной цепи, часто с выходами фотодарлингтона, могут достигать 600% и более. Коэффициент передачи тока достигает максимального значения, когда входной источник света самый яркий.Знание CTR устройства необходимо для его настройки, чтобы эффективно контролировать выходной ток.

Стандарты

Оптопары могут быть спроектированы и изготовлены в соответствии с одним или несколькими стандартами. В частности, семейство стандартов SMD 5962 включает в себя различные конструкции оптопар, которые соответствуют MIL PRF 38534 (Общие спецификации для микросхем).

Список литературы

Учебники по электронике – Оптрон

Tronix Stuff – Знакомство с оптопарой

Изображение предоставлено:

Avago | REUK

Введение в оптопары – типы, работа и применение

Оптоизоляторы или оптопары состоят из светоизлучающего устройства и светочувствительного устройства, заключенных в один корпус, но без электрического соединения между ними. два, просто луч света.Излучателем света почти всегда является светодиод. Светочувствительное устройство может быть фотодиодом, фототранзистором или более эзотерическими устройствами, такими как тиристоры, симисторы и т. Д.

В настоящее время во многих электронном оборудовании используется оптопара. Оптопара, или иногда называемый оптопарами, позволяет двум цепям обмениваться сигналами, оставаясь при этом электрически изолированными. Обычно это достигается с помощью света для передачи сигнала. В стандартной схеме оптопары используется светодиод, светящий на фототранзистор – обычно это транзистор npn, а не pnp.Сигнал подается на светодиод, который затем светит на транзистор в ИС.

Свет пропорционален сигналу, поэтому сигнал передается на фототранзистор. Оптические соединители также могут поставляться в нескольких модулях, таких как SCR, фотодиоды, TRIAC других полупроводниковых переключателей в качестве выхода, а также лампы накаливания, неоновые лампы или другие источники света.

Чаще всего используется оптопара MOC3021 и комбинация диакритических светодиодов. Эта ИС сопрягается с микроконтроллером, а светодиод последовательно соединен с ИС, который светится, указывая на высокий логический импульс от микроконтроллера, чтобы мы могли знать, что ток течет во внутреннем светодиоде опто-ИС.Когда задан высокий логический уровень, ток течет через светодиод от контакта 1 к 2. Таким образом, в этом процессе светодиодный индикатор попадает на DIAC, вызывая замыкание 6 и 4. В течение каждого полупериода ток протекает через затвор, последовательный резистор и через оптическую схему, чтобы главный тиристор / симистор запускал работу нагрузки.

Оптрон, обычно используемый в схемах импульсного источника питания во многих электронных устройствах. Он подключается между первичной и вторичной секциями источников питания. Применение или функция оптопары в схеме:

1. Монитор высокого напряжения
2. Выборка выходного напряжения для регулирования
3. Микроуправление системой для включения / выключения питания
4. Изоляция заземления

Это принцип, используемый в Opto -Diacs, Opto-Diacs доступны в виде микросхем и могут быть реализованы с использованием простой схемы.

Просто подайте небольшой импульс в нужный момент на светоизлучающий диод в упаковке. Свет, излучаемый светодиодом, активирует светочувствительные свойства диака, и включается питание. Изоляция между цепями малой и высокой мощности в этих оптически связанных устройствах обычно составляет несколько тысяч вольт.

Описание выводов Opto-Diacs:

Доступно 4 различных оптических соединителя

1. MOC3020

Он поставляется в 6-контактном DIP, показанном на рисунке:

Принцип работы MOC3020:

MOC3020 предназначен для взаимодействия между электронное управление и силовой симистор для управления резистивной и индуктивной нагрузкой при работе с переменным током.Принцип, используемый в оптроне, заключается в том, что МОС быстро доступны в форме интегральной схемы и не требуют очень сложной схемы для их работы. Просто подайте небольшой импульс в нужный момент светодиоду в упаковке. Свет, излучаемый светодиодом, активирует светочувствительные свойства диака, и включается питание. Изоляция между цепями малой и высокой мощности в этих оптически связанных устройствах обычно составляет несколько тысяч вольт.

Характеристики MOC3020:

• Выход драйвера фото-триака 400 В
• Источник инфракрасного излучения на арсенид-галлиевом диоде и кремниевый симистор с оптической связью
• Высокая изоляция – пиковое напряжение 500 В
• Выходной драйвер разработан для 220 В переменного тока
• Стандарт 6-контактный пластиковый DIP
• Непосредственная взаимозаменяемость с Motorola MOC3020, MOC3021 и MOC3022

Типичные области применения MOC3020:

• Электромагнитные / клапанные элементы управления
• Балласты ламп
• Подключение микропроцессоров к 115/240 9000 устройствам управления 9000 Vac
• Диммеры ламп накаливания

Применение MOC3020:

Схема, показанная ниже, представляет собой типичную схему, используемую для управления нагрузкой переменного тока с микроконтроллера, один светодиод может быть подключен последовательно к MOC3021, светодиод для индикации, когда высокий уровень выдается с микроконтроллера, например что мы можем знать, что ток течет по внутреннему светодиоду оптопары.Идея состоит в том, чтобы использовать лампу питания, для активации которой требуется переменный ток сети, а не постоянное напряжение. Таким образом, мы пытаемся переключить лампу от сети переменного тока, и никакого внешнего источника питания не требуется. Чтобы переключить переменный ток на лампу, мы должны использовать оптоволоконный симистор, лампа и диак показаны на схеме ниже. Триак называется переключателем, управляемым переменным током. Он имеет три вывода M1, M2 и затвор. Триак, ламповая нагрузка и напряжение питания подключены последовательно. Когда питание включено в положительном цикле, ток протекает через лампу, резисторы, диакритический элемент и затвор и достигает источника питания, и тогда только лампа светится в течение этого полупериода непосредственно через клеммы M2 и M1 симистора.В отрицательном полупериоде повторяется то же самое. Таким образом, лампа горит в обоих циклах управляемым образом в зависимости от запускающих импульсов на оптоизоляторе, как показано на графике ниже. Если это подается на двигатель вместо лампы, мощность регулируется, что приводит к регулированию скорости.

2. MOC3021

MOC3021 – это оптрон, предназначенный для запуска TRIACS. Используя это, мы можем запускать в любом месте цикла, поэтому можем называть их ненулевыми оптопарами. MOC3021 очень широко используются и могут быть довольно легко получены из многих источников.Он поставляется в 6-контактном DIP-корпусе, показанном на рисунке.

MOC3021 (оптопара)

Описание контакта:

Контакт 1: Анод

Контакт 2: Катод

Контакт 3: Нет соединения (NC)

Контакт 4: Главный вывод

Контакт 5: Нет соединения (NC)

Контакт 6: Главный терминал

Характеристики:

• Выход драйвера фотомистора 400 В
• Источник инфракрасного излучения на арсенид-галлиевом диоде и оптически связанный кремниевый симистор
• Высокая изоляция, пиковое напряжение 7500 В
• Выходной драйвер предназначен для 220 В пер.

  Применение MOC3021:

  Из приведенной ниже схемы наиболее часто используется оптопара MOC3021 с комбинацией диакритических светодиодов. Кроме того, при использовании этого с микроконтроллером, и один светодиод может быть подключен последовательно с MOC3021, светодиод, чтобы указать, когда микроконтроллер выдает высокий уровень, чтобы мы могли знать, что ток течет во внутреннем светодиоде оптопары. Когда установлен высокий логический уровень, ток течет через светодиод от контакта 1 к 2. Таким образом, в этом процессе светодиодный свет падает на DIAC, вызывая замыкание 6 и 4.В течение каждого полупериода ток протекает через затвор, последовательный резистор и через оптическую схему, чтобы главный тиристор / симистор запускал работу нагрузки.

  3. MCT2E

  Вот видео об оптроне MCT2E

  Оптопары серии MCT2E состоят из инфракрасного светодиода на арсениде галлия и кремниевого фототранзистора NPN. Они упакованы в 6-контактный DIP-корпус и доступны с широким шагом выводов.

  Контакт 1: анод.

  Контакт 2: Катод.

  Контакт 3: Нет соединения.

  Контакт 4: эмиттер.

  Контакт 5: коллектор.

  Контакт 6: основание.

  Характеристики:

  • Испытательное напряжение изоляции 5000 VRMS
  • Интерфейсы с общими логическими семействами
  • Емкость связи между входами и выходами <0,5 пФ
  • Промышленный стандартный двухпроводной 6-контактный корпус
  • Соответствует директиве RoHS 2002/95 / EC

  Оптрон, обычно используемый в схеме импульсного источника питания, считывающем релейном приводе, промышленных элементах управления, цифровых логических входах и во многих электронных устройствах

  Применение MCT2E:

  Это комбинация 1 светодиода и транзистор.Вывод 6 транзистора обычно не используется, и когда свет падает на переход база-эмиттер, он переключается, и вывод 5 переходит в ноль.

  • Когда логический ноль подается на вход, свет не падает на транзистор, поэтому он не проводит, что дает логическую единицу на выходе.
  • Когда логическая 1 задана как вход, свет падает на транзистор, так что он проводит, что включает транзистор и образует короткое замыкание, что делает выход логическим нулем, поскольку коллектор транзистора соединен с землей.

  4. MOC363

  Устройства MOC3063 состоят из излучающих инфракрасных диодов на основе арсенида галлия, оптически связанных с монолитными кремниевыми детекторами, выполняющими функции двухсторонних симисторных драйверов, пересекающих нулевое напряжение. Это также 6-контактный DIP, показанный на рисунке:

  Описание контакта:

  Контакт 1: Анод

  Контакт 2: Катод

  Контакт 3: Нет соединения (NC)

  Контакт 4 : Главный терминал

  Контакт 5: Нет соединения (NC)

  Контакт 6: Главный терминал

  Характеристики:

  • Упрощает логическое управление питанием 115/240 В перем. Тока
  • Напряжение перехода через ноль
  • dv / dt 1500 В / мкс типично, 600 В / мкс гарантировано
  • Одобрено VDE
  • Признано Underwriters Laboratories (UL)

  Применения:

  • Электромагнитные / клапанные элементы управления
  • Статические выключатели питания
  • Контроль температуры
  • Двигатель переменного тока стартеры и драйверы
  • Органы управления освещением
  • E.M. контакторы
  • Полупроводниковое реле

  Работа MOC3063:

  Из схемы у нас есть оптопара MOC3063 с комбинацией типов светодиодов SCR. Кроме того, при использовании этого оптрона с микроконтроллером один светодиод можно подключить последовательно со светодиодом MOC3063, чтобы указать, когда микроконтроллер подает высокий уровень, чтобы мы могли знать, что ток течет во внутреннем светодиоде оптрона. Когда задан высокий логический уровень, ток течет через светодиод от контактов 1 до 2.Светодиодный индикатор падает на SCR, заставляя 6 и 4 замыкаться только при переходе через ноль напряжения питания. Во время каждого полупериода ток протекает через затвор SCR, внешний последовательный резистор и через SCR для основного тиристора / симистора, чтобы сработать нагрузка в начале цикла питания, чтобы всегда работать.

  Вот видео подключения оптопары к TRIAC

  Как работает симистор? – Полное иллюстрированное руководство – Умные решения для дома

  Симистор – это полупроводниковый компонент, который можно рассматривать как переключатель.Используя слабый сигнал микроконтроллера, вы можете контролировать сетевое напряжение. Однако напрямую это сделать нельзя. Вам нужно промежуточное устройство, чтобы иметь возможность управлять симистором и отделить его от микроконтроллера.

  Симистор – основной элемент SSR. Там уже встроены все компоненты для управления и разделения. Если вы хотите использовать его самостоятельно, вам нужно его добавить. Но благодаря этому вы получаете наиболее универсальный способ управления сетью переменного тока и, во многих случаях, лучшее решение, чем EMR или SSR.

  Конструкция симистора

  Есть мнения, что симисторы – очень сложные устройства. Нет, это не так Я постараюсь разрушить этот миф раз и навсегда. В этой главе мы заглянем внутрь и посмотрим, из чего сделан симистор.

  Я не хочу углубляться в физику. Я предполагаю, что вас больше интересует, как использовать это в реальном проекте. Не то, как устроены полупроводниковые структуры. Тем не менее, позвольте мне хотя бы немного обрисовать тему, чтобы этот пост был законченным.

  Чтобы лучше это объяснить, ответим на вопросы: «что такое…»

  Диод

  Диод – одно из самых простых полупроводниковых устройств. Он пропускает ток только в одном направлении.

  Тиристор (SCR)

  Тиристор – это более и менее диод с управляемым затвором. В зависимости от состояния затвора диод ведет себя как классический диод или полностью блокирует ток.

  Симистор

  Симистор – это в основном два тиристора, соединенных спина к спине с общим затвором.Это позволяет управлять током в обоих направлениях.

  Симисторы

  выпускаются в самых разных упаковках. У всех есть три терминала: MT1, MT2, GATE и встроенный радиатор.

  Прежде чем куда-либо прикручивать, прочтите документацию! Радиатор можно внутренне подключить к одной из клемм. В этом случае вы должны относиться к нему так, как если бы он находился под высоким напряжением.

  Как работает симистор?

  Чтобы лучше объяснить, как работает симистор, я подготовил эту простую схему.Это базовая схема, которая позволяет управлять высоким током нагрузки с помощью небольшого тока «затвора» с помощью переключателя. Он может быть небольшим, потому что через него будет протекать очень низкий ток (мА).

  Однако! Низкий ток не означает низкое напряжение! Этот переключатель находится под высоким напряжением! Когда он закрыт, через него проходит 230 (или 120) В переменного тока!

  Хотя ток может течь в обоих направлениях через клеммы MT1 и MT2, они не взаимозаменяемы .
  Чтобы правильно запустить симистор, вы должны подать напряжение на затвор с клеммы MT2.Это тот, на противоположной стороне, к которой нарисованы Врата на символе.

  Симистор

  , как и тиристор, имеет интересную особенность. Его можно выключить только тогда, когда ток, протекающий через клеммы, упадет до значения, близкого к нулю.

  Из этого следуют две вещи:

  1. Симистор не подходит для управления постоянным током. В постоянном токе напряжение и, конечно же, ток никогда не опускаются до нуля. Вы можете включить нагрузку, но нет возможности выключить ее.
  2. Для срабатывания симистора (в том числе классического SSR) все, что вам нужно, – это короткий импульс. В случае переменного тока вы должны периодически запускать его, потому что напряжение падает до нуля каждые 10 мс (или 8 мс).

  Применение симистора

  Я представлю вам две версии схемы в зависимости от ваших потребностей. Вы можете использовать простую или более сложную версию.

  Простая версия схемы

  Если вы просто хотите включить / выключить цепь нагрузки и не собираетесь регулировать мощность, то этой версии вам достаточно.

  Как вы, наверное, сразу заметите, эта схема не сильно отличается от внутренней конструкции SSR (статья о SSR). Вы можете рассматривать его как самодельную версию твердотельного реле 🙂

  На две вещи, на которые хотелось бы обратить ваше внимание:

  1. Если вы используете опто-симистор со встроенным детектором пересечения нуля (например, MOC3041), имейте в виду, что, как и в случае SSR со встроенным ZCD, задержка включения может составлять до 10 мс. (при 50 Гц).
  2. Если вы хотите контролировать индуктивную нагрузку (например,г., мотор) добавить «Демпфер». Эта схема подавляет внезапное повышение напряжения при выключении симистора. В определенных условиях это может привести к самостоятельному включению симистора. Если у вас есть время и вы хотите узнать больше по этой теме, я рекомендую Примечание по применению от ST.

  Более сложная версия

  Теперь мы откроем для себя только самые важные преимущества симистора. Используя эту версию схемы, вы имеете полную свободу выбора типа управления (подробнее об этих типах я напишу в своей статье Как управлять переменным напряжением с помощью микроконтроллера? ).

  • Управление ВКЛ / ВЫКЛ – как в простой версии, электромагнитные реле и твердотельные реле.
  • Phase Control
  • Cycle Control

  Чтобы в полной мере использовать возможности симистора, мы должны добавить еще один элемент в нашу схему: наш собственный детектор пересечения нуля. В отличие от схемы, встроенной в опто-симистор, эта версия является ручной. Он только дает нам информацию о моменте, когда сеть переменного тока достигает нулевого напряжения. Что мы будем с ним делать, это наше дело, у нас полная свобода.

  Детектор нулевого пересечения

  ZCD необходим для синхронизации момента включения симистора. В случае ON / OFF Control и Cycle Control он всегда будет как можно ближе к нулю. В случае Phase Control нам нужно будет добавить некоторую задержку.

  Практические советы

  1. Вместо оптрона с двумя светодиодами для выпрямления напряжения можно использовать мост Гретца. Подробнее об этих двух методах я писал в статье «Как определить напряжение сети переменного тока с помощью микроконтроллера».
  2. В идеальном мире момент включения всегда был бы идеально нулевым. К сожалению, мы не живем в этом, поэтому всегда будет некоторая задержка. Минимизировать это хорошо, но не стоит сходить с ума 🙂

  Как это сделать?

  • Увеличение тока на входе оптопары приведет к более быстрому включению светодиода. На схеме это 200 кОм, он ограничивает ток примерно до 1 мА (при 230 В переменного тока). Этого значения достаточно для работы оптрона, но вызывает некоторую задержку.Максимальный ток светодиода вы найдете в документации к конкретной модели. Например, давайте посчитаем, какие значения имели бы резисторы, если бы мы хотели увеличить ток до 10 мА.

  Конечно, вы нигде не найдете резистор 23 кОм. В этом случае выберите ближайший, например, 24 кОм. Или вы можете выбрать два резистора и сложить их сопротивление. Использование двух резисторов имеет еще одно преимущество: напряжение и мощность распределяются пропорционально. В моем примере я выберу два резистора по 12 кОм.

  Рассчитаем новые значения силы тока и мощности.

  Не пропускайте этот шаг. Если вы выберете неправильные резисторы, они сгорят!

  Малые резисторы THT или SMD обычно имеют мощность 0,25 Вт. Таким образом, даже при использовании двух средств они должны выдерживать не менее 1,1 Вт каждый. Не забывайте всегда иметь буфер. Я рекомендую вам использовать два резистора по 2Вт.

  • Уменьшение подтягивающего резистора на выходе оптопары также приведет к более быстрому отклику. За счет уменьшения тока, протекающего в коллектор, он откроется раньше.Повышение устойчивости, например, к 50 кОм.
  • Третий совет коснется программной части. Я не знаю, какой микроконтроллер вы используете для этого проекта, но это не имеет значения. Каждый Arduino (ATMega), ESP, STM, PIC, Raspberry Pi выполнит свою работу. Каждый из них может генерировать внешнее прерывание с нарастающим или спадающим фронтом.

  До и после изменений график выглядит следующим образом:

  Окончательная схема

  В этой версии я использовал другой тип Optotriac.Вместо MOC3041 я использовал MOC3021. Он не имеет встроенного блока ZCD. Я позаботился об этом самостоятельно, поэтому мне это не нужно 🙂 Кроме того, если бы я хотел использовать управление фазой, это было бы невозможно. Остальная часть схемы должна быть ясной. Помните, что MT1 и MT2 не взаимозаменяемы!

  Преимущества

  • Нет движущихся частей (т.е. срок службы почти бесконечен).
  • Намного быстрее, чем электромагнитное реле.
  • Очень универсальный (можно выбрать любой метод управления).
  • При переключении не возникают помехи (если вы все делаете правильно).
  • Искры отсутствуют.
  • Низкое энергопотребление в цепи управления.
  • Не издает звуков.

  Недостатки

  • Он никогда не открывается полностью (как EMR). Таким образом, он имеет некоторый ток утечки (мкА).
  • Более высокое сопротивление, когда симистор закрыт, вызывает его нагрев.
  • Работает только с AC.
  • Невозможно подключиться напрямую к GPIO.
  • Сложнее в использовании, чем SSR и EMR.

  Симистор – сводка

  Из этой статьи вы узнали, насколько универсальным устройством является симистор.Добавив в свой проект несколько дополнительных компонентов, вы можете настроить его в точном соответствии со своими потребностями. Вы можете использовать его вместо классического реле или выбрать более сложный метод управления, такой как контроль фазы или цикла.

  Статьи по теме

  Как Умный дом экономит электроэнергию? – Примеры из реальной жизни

  Хотите уменьшить свои счета на 30 -…

  Как работает реле? – Полное иллюстрированное руководство

  Реле (ЭМИ или электромагнитное реле) представляет собой электромеханический компонент…

  Как определить сетевое напряжение с помощью микроконтроллера?

  Самый простой способ обнаружить сетевое электричество с помощью микроконтроллера – это…

  Как подключить оптопару к симистору

  В этом посте мы изучим правильный метод интеграции оптопары с симистором, чтобы симистор эффективно управлялся с оптимальным током, а также оставался полностью изолированным от входа запуска.

  Обзор

  Почти каждый электронный компонент является жертвой несовершенной работы из-за изменения температуры.

  Симисторы не так уязвимы, но даже они перестают работать при более низких температурах.

  Это можно проследить до необходимости более высокого тока затвора в симисторах при более низких температурах.

  Оптопары, которые являются наиболее распространенным способом срабатывания симисторов, не могут обеспечивать ток такой величины.

  Схема здесь решает эту проблему, как подключить оптрон через каскад транзисторного усилителя, чтобы поддерживать требуемый ток затвора при всех температурах.

  Как работает схема

  Транзистор T1, который поднимает сигнал оптопары выше необходимого уровня, образует усилитель.

  Конденсатор C2 выполняет двойную функцию. С одной стороны, он используется как «падающее» реактивное сопротивление, чтобы почти полностью предотвратить рассеяние в цепи возбуждения.

  С другой стороны, он устраняет цепь, подключающую нагрузку постоянного тока к источнику питания.