Управление мощной нагрузкой. Информационный портал по безопасности

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

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

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

Симистор BT139
Схема включения из даташита на MOC3041

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

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

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

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

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

Из статьи вы узнаете о том, что такое симистор, принцип работы этого прибора, а также особенности его применения. Но для начала стоит упомянуть о том, что симистор - это то же, что и тиристор (только симметричный). Следовательно, не обойтись в статье без описания принципа функционирования тиристоров и их особенностей. Без знания основ не получится спроектировать и построить даже простейшую схему управления.

Тиристоры

Тиристор является переключающим который способен пропускать ток только в одном направлении. Его нередко называют вентилем и проводят аналогии между ним и управляемым диодом. У тиристоров имеется три вывода, причем один - это электрод управления. Это, если выразиться грубо, кнопка, при помощи которой происходит переключение элемента в проводящий режим. В статье будет рассмотрен частный случай тиристора - симистор - устройство и работа его в различных цепях.

Тиристор - это еще выпрямитель, выключатель и даже усилитель сигнала. Нередко его используют в качестве регулятора (но только в том случае, когда вся электросхема запитывается от источника переменного напряжения). У всех тиристоров имеются некоторые особенности, о которых нужно поговорить более подробно.

Свойства тиристоров

Среди огромного множества характеристик этого полупроводникового элемента можно выделить самые существенные:

1. Тиристоры, подобно диодам, способны проводить только в одном направлении. В этом случае они работают в схеме, как
2. Из отключенного во включенное состояние тиристор можно перевести, подав на управляющий электрод сигнал с определенной формой. Отсюда вывод - у тиристора как у выключателя имеется два состояния (причем оба устойчивые). Таким же образом может функционировать и симистор. Принцип работы ключа электронного типа на его основе достаточно прост. Но для того чтобы произвести возврат в исходное разомкнутое состояние, необходимо, чтобы выполнялись определенные условия.
3. Ток сигнала управления, который необходим для перехода кристалла тиристора из запертого режима в открытый, намного меньше, нежели рабочий (буквально измеряется в миллиамперах). Это значит, что у тиристора есть свойства усилителя тока.
4. Существует возможность точной регулировки среднего тока, протекающего через подключенную нагрузку, при условии, что нагрузка включена с тиристором последовательно. Точность регулировки напрямую зависит от того, какая длительность сигнала на электроде управления. В этом случае тиристор выступает в качестве регулятора мощности.

Тиристор и его структура

Тиристор - это полупроводниковый элемент, который имеет функции управления. Кристалл состоит из четырех слоев р и п типа, которые чередуются. Так же точно построен и симистор. Принцип работы, применение, структура этого элемента и ограничения в использовании рассмотрены детально в статье.

Описанную структуру еще называют четырехслойной. Крайнюю область р-структуры с подключенным к ней положительной полярности выводом источника питания, называют анодом. Следовательно, вторая область п (тоже крайняя) - это катод. К ней приложено отрицательное напряжение источника питания.

Какими свойствами обладает тиристор

Если провести полный анализ структуры тиристора, то можно найти в ней три перехода (электронно-дырочных). Следовательно, можно составить эквивалентную схему на полупроводниковых транзисторах (полярных, биполярных, полевых) и диодах, которая позволит понять, как ведет себя тиристор при отключении питания электрода управления.

В том случае, когда относительно катода анод положительный, диод закрывается, и, следовательно, тиристор тоже ведет себя аналогично. В случае смены полярности оба диода смещаются, тиристор также запирается. Аналогичным образом функционирует и симистор.

Принцип работы на пальцах, конечно, объяснить не очень просто, но мы попробуем сделать это далее.

Как работает отпирание тиристора

Для понимания нужно обратить внимание на эквивалентную схему. Она может быть составлена из двух полупроводниковых триодов (транзисторов). Вот на ней и удобно рассмотреть процесс отпирания тиристоров. Задается некоторый ток, который протекает через электрод управления тиристора. При этом ток имеет смещение прямой направленности. Этот ток считается базовым для транзистора со структурой п-р-п.

Поэтому в коллекторе ток у него будет больше в несколько раз (необходимо значение тока управления умножить на коэффициент усиления транзистора). Далее можно видеть, что это значение тока базовое для второго транзистора со структурой проводимости р-п-р, и он отпирается. При этом коллекторный ток второго транзистора будет равен произведению коэффициентов усиления обоих транзисторов и первоначально заданного тока управления. Симисторы (принцип работы и управление ими рассмотрены в статье) обладают аналогичными свойствами.

Далее этот ток необходимо суммировать с ранее заданным током цепи управления. И получится именно то значение, которое необходимо, чтобы поддерживать первый транзистор в отпертом состоянии. В том случае, когда ток управления очень большой, два транзистора одновременно насыщаются. Внутренняя ОС продолжает сохранять свою проводимость даже тогда, когда исчезает первоначальный ток на управляющем электроде. Одновременно с этим на аноде тиристора обнаруживается довольно высокое значение тока.

Как отключить тиристор

Переход в запертое состояние тиристора возможен в том случае, если к электроду управления открытого элемента не прикладывается сигнал. При этом ток спадает до определенной величины, которая называется гипостатическим током (или током удержания).

Тиристор отключится и в том случае, если произойдет размыкание в цепи нагрузки. Либо когда напряжение, которое прикладывается к цепи (внешней), меняет свою полярность. Это происходит под конец каждого полупериода в случае, когда питается схема от источника переменного тока.

Когда тиристор работает в цепи запирание можно осуществить при помощи простого выключателя или кнопки механического типа. Он соединяется с нагрузкой последовательно и применяется для обесточивания цепи. Аналогичен и принцип работы правда, имеются в схеме некоторые особенности.

Поэтому желательно располагать выключатель так, чтобы он находился между катодом и электродом управления. Это позволит гарантировать, что тиристор отключится нормально, а удерживающий ток отсечется. Иногда для удобства и повышения быстродействия и надежности применяют вместо механического ключа вспомогательный тиристор. Стоит отметить, что работа симистора во многом схожа с функционированием тиристоров.

Симисторы

А теперь ближе к теме статьи - нужно рассмотреть частный случай тиристора - симистор. Принцип работы его схож с тем, что был рассмотрен ранее. Но имеются некоторые отличия и характерные особенности. Поэтому нужно поговорить о нем более подробно. Симистор представляет собой прибор, в основе которого находится кристалл полупроводника. Очень часто используется в системах, которые работают на переменном токе.

Самое простое определение этого прибора - выключатель, но управляемый. В запертом состоянии он работает точно так же, как и выключатель с разомкнутыми контактами. При подаче сигнала на электрод управления симистора происходит переход прибора в открытое состояние (режим проводимости). При работе в таком режиме можно провести параллель с выключателем, у которого контакты замкнуты.

Когда сигнал в цепи управления отсутствует, в любой из полупериодов (при работе в цепях переменного тока) происходит переход симистора из режима открытого в закрытый. Симисторы широко используются в режиме релейном (например, в конструкциях светочувствительных выключателей или термостатов). Но они же нередко применяются и в системах регулирования, которые функционируют по принципам фазового управления напряжения на нагрузке (являются плавными регуляторами).

Структура и принцип работы симистора

Симистор - это не что иное, как симметричный тиристор. Следовательно, исходя из названия, можно сделать вывод - его легко заменить двумя тиристорами, которые включаются встречно-параллельно. В любом направлении он способен пропустить ток. У симистора имеется три основных вывода - управляющий, для подачи сигналов, и основные (анод, катод), чтобы он мог пропускать рабочие токи.

Симистор (принцип работы для "чайников" этого полупроводникового элемента предоставлен вашему вниманию) открывается, когда на управляющий вывод подается минимальное необходимое значение тока. Или в том случае, когда между двумя другими электродами разность потенциалов выше предельно допустимого значения.

В большинстве случаев превышение напряжения приводит к тому, что симистор самопроизвольно срабатывает при максимальной амплитуде питающего напряжения. Переход в запертое состояние происходит в случае смены полярности или при уменьшении рабочего тока до уровня ниже, чем ток удержания.

Как отпирается симистор

При питании от сети происходит смена режимов работы за счет изменения полярности у напряжения на рабочих электродах. По этой причине в зависимости от того, какая полярность у тока управления, можно выделить 4 типа проведения этой процедуры.

Допустим, между рабочими электродами приложено напряжение. А на электроде управления напряжение по знаку противоположно тому, которое приложено к цепи анода. В этом случае сместится по квадранту симистор - принцип работы, как можно увидеть, довольно простой.

Существует 4 квадранта, и для каждого из них определен ток отпирания, удерживающий, включения. Отпирающий ток необходимо сохранять до той поры, покуда не превысит в несколько раз (в 2-3) он значение удерживающего тока. Именно это и есть ток включения симистора - минимально необходимый ток отпирания. Если же избавиться от тока в цепи управления, симистор будет находиться в проводящем состоянии. Причем он в таком режиме будет работать до той поры, покуда ток в цепи анода будет больше тока удержания.

Какие накладываются ограничения при использовании симисторов

Его сложно использовать, когда нагрузка индуктивного типа. Скорость изменения напряжения и тока ограничивается. Когда симистор переходит из запертого режима в открытый, во внешней цепи возникает значительный ток. Напряжение не падает мгновенно на силовых выводах симистора. А мощность будет мгновенно развиваться и достигает довольно больших величин. Та энергия, которая рассеивается, за счет малого пространства резко повышает температуру полупроводника.

• Tutorial

Все знают, насколько ардуинщики гордятся миганием лампочками

Выбор управляемой нагрузки

Выбор элементной базы

Фазовая модуляция

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

Гальваническая развязка

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

Устойчивость к помехам/возможность коммутации индуктивной нагрузки

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

Выбор симистора

Максимальный ток коммутации

Минимальный ток коммутации

Изоляция

Защита от перегрузки

Защита от короткого замыкания

1. Превышение dI/dt. Симистор не успевает открыться полностью, ток идет не через весь кристалл, образуются локальные горячие области, выжигающие кристалл.
2. Превышение интеграла Джоуля I^2t. Задает количество теплоты, накопление которой в кристалле приведет к разрушению кристалла.

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

Заключение

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

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

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

Рис. 2.105. Режимы работы симисторов (триаков).

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Рис. 2.107. Схемы гальванической изоляции МК от симисторов.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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