Управление симисторами в схемах на микроконтроллере. Симистор: принцип работы, применение, устройство и управление ими

Автор : elremont от 17-03-2014

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

06 Jan 2017

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

Виды управления

Условно можно выделить 3 группы методов:

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

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

Ключ на биполярном транзисторе

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

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

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

Таким образом, мы нашли значения сопротивлений R1 и R2.

Транзистор Дарлингтона

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

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

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

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

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

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

В остальном работа ключа остаётся такой же.

Ключ на полевом транзисторе

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

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

Простейшая схема ключа на MOSFET приведена ниже.

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

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

где $V$ - напряжение, которым управляется транзистор.

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

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

Ниже приведена таблица с примерами характеристик МОП-транзисторов.

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

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

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

Схема ускоренного включения

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

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

Драйвер полевого транзистора

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

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

Рассмотрим схему драйвера верхнего плеча на примере IR2117.

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

IGBT

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

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

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

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

Пример IGBT - IRG4BC30F.

Управление нагрузкой переменного тока

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

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

Тиристоры и симисторы

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

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

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

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

Открыть симистор (или тиристор) можно двумя способами:

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

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

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

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

Симисторный ключ

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

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

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

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

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

Таким образом, эта оптопара выступает в роли драйвера симистора.

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

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

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

Управление индуктивной нагрузкой

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

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

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

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

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

Примеры симисторов

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

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

Реле

Электромагнитные реле

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

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

Твердотельные реле

Главное преимущество реле - простота использования - омрачается несколькими недостатками:

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

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

Заключение

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

Ключ на плечо! – особенности применения высоковольтных драйверов производства IR

Редактор схем

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

Использование оптотиристоров

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

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

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

Применение оптосимисторов

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

Посмотрело: 7647

Все знают, насколько ардуинщики гордятся миганием лампочками

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

Выбор управляемой нагрузки

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

Выбор элементной базы

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

Фазовая модуляция

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

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

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

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

Гальваническая развязка

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

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

Наличием детектора нуля

Током, открывающим драйвер

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

Устойчивость к помехам/возможность коммутации индуктивной нагрузки

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

Нагрузка, управляемая симистором (обмотка мотора)

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

Внешняя помеха (грозовой разряд)

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

Выбор симистора

Максимальный ток коммутации

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

Минимальный ток коммутации

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

Изоляция

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

Защита от перегрузки

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

Защита от короткого замыкания

При перегорании лампы накаливания может образовываться искровой разряд, имеющий очень низкое сопротивление. В результате цепь фактически замыкается накоротко, что приводит к выгоранию симистора.
Симистор может выгорать из-за двух причин:

Превышение dI/dt. Симистор не успевает открыться полностью, ток идет не через весь кристалл, образуются локальные горячие области, выжигающие кристалл.

Превышение интеграла Джоуля I^2t. Задает количество теплоты, накопление которой в кристалле приведет к разрушению кристалла.

dI/dt ограничивается индуктивностью проводки и внутренней ёмкостью симистора. Так как dI/dt достаточно велика (50 А/с для BTA16), может хватить индуктивности подводящей проводки, если она достаточно длинная. Можно подстраховаться и добавить небольшую индуктивность в виде нескольких витков провода вокруг сердечника.
С превышением интеграла Джоуля можно бороться либо уменьшая время прохождения тока через симистор, либо ограничивая ток. Так как симистор не закроется, пока ток не перейдет через ноль, не вводя дополнительных размыкателей нельзя сделать время прохождения тока менее одного полупериода. В качестве такого размыкателя можно использовать:

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

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

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

Заключение

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

Сегодня я поделюсь результатами своих экспериментов в области управления нагрузками, подключенными к бытовой сети 220 вольт. А именно займемся диммированием - будем плавно зажигать и гасить лампочку накаливания с помощью микроконтроллера.

На первый взгляд тут ничего сложного нет - и регулируем в свое удовольствие. Но не стоит забывать что напряжение в розетке переменное, а значит что сделать это будет немного сложнее. Дальше будет немного теории, схема и метод управления.

При работе с высоким сетевым напряжением следует быть осторожным и внимательным! Ни в коем случае не дотрагиваться до оголенных участков схемы.

Так почему же нельзя в данном случае использовать простой шим сигнал?

Как известно в розетке у нас переменное напряжение синусоидальной формы, как на рисунке ниже.

Если использовать управление с помощью ШИМ, ключ через который регулируем сигнал (например симистор) будет открываться и пропускать в нагрузку куски синусоиды, имеющие разную мощность. Как итог, никакого плавного регулирования не получится, а будет безупорядоченный сигнал на выходе:

Для того чтобы этого избежать, мы должны знать когда включать и выключать симистор, то есть привязать управляющий сигнал к управляемому. Как? Все просто, достаточно знать когда сигнал проходит через 0. Зная где начинается каждая следующая полуволна мы сможем открывать ключ в нужные моменты, тем самым отдавая нагрузке одинаковую мощность. А изменяя время, которое управляющий ключ находится в открытом состоянии мы можем плавно изменять отдаваемую мощность.

Момент прохождения сетевого напряжения через 0, можно определять с помощью оптопары. Для того чтобы детектировать начало каждой полуволны (и отрицательной и положительной) оптопару подключаем через диодный мост. Таким образом на выходе детектора нуля получаем короткие положительные импульсы в момент когда напряжение в сети проходит через 0.

Для наглядности приведу картинку с виртуального осциллографа смоделлированной схемы в proteus. Синим цветом изображен исходный сигнал (~220V), красным - сигнал после выпрямления диодным мостом. Зеленым цветом изображены импульсы на выходе оптопары U3.

Сигнал с детектора нуля можно завести на вход внешнего прерывания, чтобы ловить начало новой полуволны, а дальше открывать симистор U4 (я использовал BT16-600) на необходимое время. Для опторазвязки я использовал оптосимистор MOC3022 (U2).

Остается только подсчитать время на которое нужно открывать симистор. При частоте сетевого напряжения равной 50 Гц время полупериода (длительность одной полуволны) составит 0,01 сек. То есть если мы откроем симистор на 0,005 сек, мы пропустим половину полуволны, мощность составит 50%, если откроем симистор на 0,01 сек (или больше), пропустим всю полуволну и отдаваемая мощность составит 100%. Тут думаю все понятно.

код в Bascom-AVR

$regfile = "attiny2313.dat"
$crystal = 8000000

Dim N As Bit "1-плавно зажигаем лампочку, 0-гасим

Config Int0 = Falling
On Int0 Imp

Config Timer0 = Timer , Prescale = 1024 "переполнение за 0,032 сек
Dim Wt As Byte
On Timer0 Perepolnenie

Config Portd . 0 = Output
Opto Alias Portd . 0
Opto = 0

Enable Interrupts
Enable Timer0
Start Timer0
Enable Int0

Wt = 195 "минимальный накал
N = 1

Wait 2

Do "бесконечный цикл

Loop

End

Imp : "прерывание от детектора нуля
Timer0 = Wt "чем большее значение сюда положим, тем быстрее переполнится таймер
Start Timer0

If N = 1 Then "плавно зажигаем лампу
Incr Wt "увеличиваем до максимального значения
If Wt = 255 Then
N = 0
End If
Else "плавно гасим
Decr Wt "уменьшаем до минимального значения
If Wt = 195 Then
N = 1
End If
End If
Return

Perepolnenie : "переполнение таймера
Stop Timer0 "останавливаем таймер
Opto = 1 "включение симистора
Waitus 100
Opto = 0 "выключение оптосимистора
Return