Симисторный ключ переменного тока: Схема управления симистором. Включение тиристора схема включения тиристора

Содержание

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

Автор : elremont от 17-03-2014

Это схема, в которой есть неизолированные металлические части под напряжением! Будьте осторожны и примите все меры предосторожности, чтобы избежать поражения электрическим током. Кроме того, обязательно используйте предохранитель с низким значением отсечки (мА) , поставив его на провод от аккумуляторной батареи до управляющего электрода. Вы имеете дело с 220В! Металлический лепесток на симисторе (T2) всегда ПОД НАПРЯЖЕНИЕМ. Тем из вас, кто имел мало опыта работы с электроникой, не стоит заниматься этим проектом. Как я говорю и в видео, вам необходимо удостоверится, где в розетке «фазовый» и где «нейтральный» контакт с помощью индикатора на 220 В! Маленькие контакты могут быть фазными, а большое лезвие всегда НЕЙТРАЛЬНО. Ничего не берите на веру. Всегда проверяйте отсутствие напряжения до прикосновения к контакту.
Итак, это руководство для переключения симистора постоянным током. Большинство людей не понимают, что вы можете отдельным источником постоянного тока переключать симистор, как на этой схеме. Для простоты я использую BT136/600 и его распиновка такая: Т1, Т2 … Т2 пойдет к нагрузке, T1 пойдет на нейтраль и G это управление. Итак, что мы делаем, по цепи 220 В, провод идет в нагрузку, которой может быть все что угодно: свет, электронное устройство, а затем попадает на контакт T2 симистора. Контакт T2 переходит на T1 подключенный к нейтральному проводу, завершая цепь. Включить и выключить симистор вы можете с помощью отдельной батареи. При желании вы могли бы использовать понижающий трансформатор с электропитанием от той же линии, что у вас есть, чтобы получить постоянное напряжение для тока управления. Или вы можете использовать внешнюю сеть переменного тока, есть много вариантов получения постоянного тока для управления. Скажем, вы придумали схему, которая работает на постоянном токе, и вы хотите что то включить на переменном, так что это прекрасно подходит для этого.

Хорошо, у меня есть 6-вольтовая батарея, я покажу вам ее через минуту. Берем минус и проверяем, что он присоединен к нейтральной шине. Это очень важно. Не надо делать этого в обратном направлении, проверьте, что эта отрицательная клемма на нейтрали. При помощи индикатора или тестера убедитесь, что провода к электрической розетке присоединены правильно. Итак минус на нейтраль, и хорошей идеей будет поставить предохранитель между минусом и нейтралью. В случае, если что либо замкнет в симисторе, и один из контактов замкнет на управляющий электрод, то вы можете получить 220 вольт, проходящие через батарейку. Так что ставьте предохранитель прямо здесь, на очень низкую сила тока. Лучше всего поставить на 50 миллиампер. Так что, если произойдет короткое замыкание, оно будет кратковременно и не катастрофично. Теперь берем наш плюс, он проходит через цепи коммутации и управления и на управляющий электрод симистора плюс поступает через токоограничивающий резистор. Этот симистор — BT136, с током управления максимум 35 мА, а напряжение, я думаю, максимум 12.
Но я использую 6. Таким образом, вычислить сопротивление резистора очень просто, вы берете свое напряжение и делите его на ток который необходим, и вы получите сопротивление в Омвх. Я взял резистор 330 Ом, и эта батарея как я уже сказал, на 6.2 вольта. Я покажу прямо сейчас. У меня есть удлинитель подключенный к ночнику на 7 Вт, мощность этого симистора достаточно высока, вероятно, в 1000 или 1500 Вт. Убедитесь, что он стоит на радиаторе с термопастой, и все будет нормально. Нагрузка… я знаю, что это зеленая жила кабеля, но это не имеет значения. Вы проводите линию, идущую к нагрузке, в данном случае это 7 ваттная лампа. С другой стороны нагрузки подключен красный провод, хорошо. Это контакт T2, корпус это его часть, лепесток корпуса и средний контакт на этом симисторе это T2. T1 это первый контакт, он присоединен к нейтральной шине. Эта нейтральная шина соединена с нейтралью домовой проводки.Теперь берем 6 вольтовую батарею. Вы берете общий провод от нейтрали, и присоединяете его к минусу.
У меня есть небольшой предохранитель он на 100 миллиампер, но лучше было бы поставить на 50, если ты собираешься это сделать. Поэтому убедитесь, что ставите на 50 с нейтральной стороны. Положительный полюс батарейки присоединяем к резистору, ведущему к управляющему электроду. Я поморгаю светом, просто прикасаясь к нейтральной шине, подключив ее к отрицательному полюсу на батарейке. Все готово к включению. Я все покажу. Мы замкнем цепь от батареи к управляющему электроду, и вы можете увидеть, что свет включается. И я проверил это… Все работает прекрасно, и я проверю разъем на лампе, и я получаю полное напряжение, что означает, что управление полностью открыло симистор. Так что это действительно хорошая схема для понимания работы симистора. Теперь вы можете включать устройства переменного тока. Как я уже говорил… Я оставлю это подключенным. Хорошо, что в итоге. В том случае, если в симисторе будет короткое замыкание, у нас фазовое напряжение будет пытаться идти в эту батарею. Поэтому поставьте предохранитель как можно меньше.
Как только высокое напряжение попытается войти, если случится короткое замыкание, предохранитель перегорит, и батарея будет в порядке. Хорошо, я покажу вам еще работу с дрелью, и вы увидите, что питание это не проблема. Я присоединю штекер на секунду. Я отодвину камеру подальше, чтобы вы рассмотрели. Замечательно. Я прикоснусь… Выключено. Включено. Переключается от батарейки.
_

Использование оптотиристоров

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

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

Что касается элементов с обнаружением нуля напряжения питания, то их выходной каскад срабатывает при превышении напряжением питания некоторого порога, обычно это 5 В (максимум 20 В). Серии МОС301х и МОС302х чаще используются с резистивной нагрузкой или в случаях, когда напряжение питания нагрузки должно отключаться. Когда симистор находится в проводящем состоянии, максимальное падение напряжения на его выводах обычно равно 1,8В (максимум 3В) при токе до 100мА. Ток удержания (IH), поддерживающий проводимость выходного каскада оптосимистора, равен 100мкА, каким бы он ни был (отрицательным или положительным) за полупериод питающего напряжения.

Ток утечки выходного каскада в закрытом состоянии (ID) варьируется в зависимости от модели оптосимистора. Для оптосимисторов с обнаружением нуля ток утечки может достигать 0,5мА, если светодиод находится под напряжением (протекает ток IF).
У инфракрасного светодиода обратный ток утечки равен 0,05 мкА (максимум 100 мкА), и максимальное падение прямого напряжения 1,5В для всех моделей оптосимисторов. Максимально допустимое обратное напряжение светодиода 3 вольта для моделей МОС301х, МОС302х и МОС303х и 6 вольт для моделей МОС304х. МОСЗО6х и МОСЗО8х.
Предельно допустимые характеристики
Максимально допустимый ток через светодиод в непрерывном режиме — не более 60ма.

Максимальный импульсный ток в проводящем состоянии переключателя выходного каскада — не более 1 А.
Полная рассеиваемая мощность оптосимистора не должна превышать 250 мВт (максимум 120 мВт для светодиода и 150 мВт для выходного каскада при Т — 25˚С).

Применение оптосимисторов

На рис.2 а-д представлены различные схемы типичных применений оптосимисторов, отличающиеся друг от друга характером нагрузки и способами подключения нагрузки и питания.
Сопротивление Rd
Расчет сопротивления этого резистора зависит от минимального прямого тока инфракрасного светодиода, гарантирующего отпирание симистора. Следовательно, Rd = (+V — 1,5) / IF.
Например, для схемы транзисторного управления оптосимистором c напряжением питания +5 В (рис.3) и напряжением на открытом транзисторе (Uкэ нас), равном 0.3 В, +V будет 4,7 В, и IF должен находиться в диапазоне между 15 и 50 ма для МОС3041. Следует принять IF — 20 мА с учетом снижения эффективности светодиода в тече¬ние срока службы (запас 5 мА), целиком обеспечивая работу оптопары с постепенным ослаблением силы тока.

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

06 Jan 2017

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.

Условно можно выделить 3 группы методов:

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

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

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.

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.

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

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

Тиристоры и симисторы

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

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

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

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

Открыть симистор (или тиристор) можно двумя способами:

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

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

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

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

Симисторный ключ

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

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

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

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

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

Таким образом, эта оптопара выступает в роли драйвера симистора.

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

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

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

Управление индуктивной нагрузкой

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

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

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

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

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

Примеры симисторов

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

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

Электромагнитные реле

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

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

Твердотельные реле

Главное преимущество реле — простота использования — омрачается несколькими недостатками:

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

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

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

  • Ключ на плечо! – особенности применения высоковольтных драйверов производства IR
  • Все схемы нарисованы в KiCAD . В последнее время для своих проектов использую именно его, очень удобно, рекомендую. С его помощью можно не только чертить схемы, но и проектировать печатные платы.

    Все знают, насколько ардуинщики гордятся миганием лампочками
    Так как мигать светодиодами не интересно, речь пойдет про управление лампой накаливания на 220 вольт, включая управление её яркостью. Впрочем, материал относится и к некоторым другим типам нагрузки. Эта тема достаточно избита, но информация об особенностях, которые необходимо учесть, разрозненна по статьям и темам на форумах. Я постарался собрать её воедино и описать различия между схемами и обосновать выбор нужных компонентов.
    Выбор управляемой нагрузки
    Существует много различных типов ламп. Не все из них поддаются регулировке яркости. И, в зависимости от типа лампы, требуются разные способы управления. Про типы ламп есть хорошая . Я же буду рассматриваться только лампы, работающие от переменного тока. Для таких ламп существует три основных способа управления яркостью (диммирование по переднему фронту, по заднему фронту и синус-диммирование).
    Иллюстрация в формате SVG, может не отображжаться в старых браузерах и, особенно, в IE
    Отличаются они тем, какая часть периода переменного тока пропускается через лампу. О применимости этих методов можно прочитать . В этой статье речь пойдет только о диммировании по преднему фронту, так как это самая простой и распространенный способ. Он подходит для управления яркостью ламп накаливания (включая галогенные), в том числе подключенных через ферромагнитный (не электронный) трансформатор. Эта же схема может применяться для управления мощностью нагревательных элементов и, в некоторой степени, электромоторов, а также для включения/выключения других электроприборов (без управления мощностью).
    Выбор элементной базы
    Различных вариантов схем управления нагрузкой в интернете много. Отличаются они по следующим параметрам:Первые два пункта определяются элементной базой. Очень часто для управления нагрузкой используют реле, как проверенный многолетним опытом элемент. Но, если вы хотите управлять яркостью лампы, её необходимо включать и выключать 100 раз в секунду. Реле не рассчитаны на такую нагрузку и быстро выйдут из строя, даже если смогут переключаться так часто. Если в схеме используется MOSFET, то его можно открывать и закрывать в любой момент. Нам нем можно построить и RL, и RC, и синус димер. Но так как он проводит ток только в одну сторону, понадобится два транзистора на канал. Кроме того, высоковольтные MOSFET относительно дороги. Самым простым и дешевым способом является использование симистора. Он проводит ток в обоих направлениях и сам закрывается, когда через него прекращает течь ток. Про то, как он работает можно прочитать в статье DiHalt»а . Далее я буду полагаться на то, что вы это знаете.
    Фазовая модуляция
    Чтобы управлять яркостью лампы нам нужно подавать импульсы тока на затвор симистора в моменты, когда ток через симистор достигает определенной величины. В схемах без микроконтроллера для этого применяется настраиваемый делитель напряжения и динистор. Когда напряжение на симисторе превышает порог, при котором открывается динистор, ток проходит на затвор симистора и открывает его.
    Если же управление ведется с микроконтроллера, то возможны два варианта:
    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
    Первый способ хорош тем, что позволяет легко организовать гальваническую развязку высоковольтной части и микроконтроллера. О её важности будет сказано позже. Но любители arduino будут огорчены: чтобы лапа горела ровно, не вспыхивая и не погасая, импульсы нужно подавать вовремя. Для этого управлять выводом нужно из прерывания таймера, а моменты перехода напряжения через ноль фиксировать с помощью «input capture». Это «недокументированные» функции. Проблема решается отказом от библиотек arduino и внимательным чтением datasheet»а на процессоры avr. Это не так сложно, как кажется.
    Второй способ управления симистором крайне прост в программном плане, но из-за отсутствия гальванической развязки я бы не стал его применять.
    Гальваническая развязка
    Самый простой способ управлять симистором — это подключить к затвору ножку микроконтроллера. Есть даже специальная серия симисторов BTA-600SW управляемых малыми токами.Но тогда контроллер и вся низковольтная часть не будет защищена от помех, гуляющих по бытовой сети. Некоторое из них могут быть достаточно мощными, чтобы сжечь микроконтроллер, другие будут вызывать сбои. Кроме того, сразу возникают проблемы со связью микроконтроллера с компьютером или другими микроконтроллерами: нужно будет делать развязку в линии связи или использовать дифференциальные линии, ведь, чтобы управлять симистором прямо с ноги микроконтроллера, нулевой потенциал для него должен совпадать с потенциалом нуля в бытовой сети. У компьютера или другого такого же микроконтроллера, подключенного в другой точке сети, нулевой потенциал почти наверняка будет другим. Результат будет плачевным.
    Простой способ обеспечить гальваническую развязку: использовать драйвер симистора MOC30XX. Эти микросхемы отличаются:
    1. Расчетным напряжением. Если для сетей 110 вольт, есть для 220
    2. Наличием детектора нуля
    3. Током, открывающим драйвер
    Драйвер с детектором нуля (MOC306X) переключается только в начале периода. Это обеспечивает отсутствие помех в электросети от симистора. Поэтому, если нет необходимости управлять выделяемой мощностью или управляемый прибор обладает большой инерционностью (например это нагревательный элемент в электроплитке), драйвер с детектором нуля будет оптимальным выбором. Но, если вы хотите управлять яркостью лампы освещения, необходимо использовать драйвер без детектора нуля (MOC305X) и самостоятельно открывать его в нужные моменты.
    Ток, необходимый для открытия важен, если вы хотите управлять несколькими нагрузками одновременно. У MOC3051 он 15 мА, у MOC3052 10мА. При этом микроконтроллеры stm могут пропускать через себя до 80-120 мА, а avr до 200 мА. Точные цифры нужно смотреть в соответствующих datasheet»ах.
    Устойчивость к помехам/возможность коммутации индуктивной нагрузки
    В электросети могут быть помехи, вызывающие самопроизвольное открытие симистора или его повреждение. Источником помех может служить:
    1. Нагрузка, управляемая симистором (обмотка мотора)
    2. Фильтр (snubber), расположенный рядом с симистором и призванный его защищать
    3. Внешняя помеха (грозовой разряд)
    Помеха может быть как по напряжению, так и по току, причем более критичны скорости изменения соответствующих значений, чем их амплитуды. В datasheet»ах соответствующие значения указаны как:
    V — максимальное напряжение, при котором может работать симистор. Максимальное пиковое напряжение не намного больше.
    I — Максимальный ток, который может пропускать через себя симистор. Максимальный пиковый ток как правило значительно больше.
    dV/dt — Максимальная скорость изменения напряжения на закрытом симисторе. При превышении этого значения он самопроизвольно откроется.
    dI/dt — Максимальная скорость изменения тока при открытии симистора. При превышении этого значения он сгорит из-за того, что не успеет полностью открыться.
    (dV/dt)c — Максимальная скорость изменения напряжения в момент закрытия симистора. Значительно меньше dV/dt. При превышении симистор продолжит проводить ток.
    (dI/dt)c — Максимальная скорость изменения тока в момент закрытия симистора. Значительно меньше dI/dt. При превышении симистор продолжит проводить ток.
    Подробно о природе этих ограничений и о том, как сделать фильтр, защищающий от превышения этих величин описано в Application Note AN-3008 . К немо можно только добавить, что существуют 3Q симисторы, у которых значения dV/dt и dI/dt выше, чем у обычных за счет невозможности работать в 4ом квадранте (что обычно не требуется).
    Выбор симистора
    Максимальный ток коммутации
    Максимальный ток коммутации ограничивается двумя параметрами: максимальным током, который может пропустить симистор и количеством тепла, которое вы можете от него отвести. С первым параметром все просто, он указан в datasheet»е. Но если посмотреть внимательно, то при токе в 16 ампер на BTA16-600BW выделяется около 20 ватт. Такую грелку уже не получится засунуть в коробку выключателя без вентиляции.
    Минимальный ток коммутации
    Симистор сохраняет проводимость до тех пор, пока через него идёт ток. Минимально необходимый ток указан в datasheet»е под именем latching current. Соответственно, слишком мощный симистор не сможет включать маломощную лампочку так как будет выключаться, как только с затвора пропадёт управляющий сигнал. Но так, как этот сигнал мы самостоятельно формируем микроконтроллером, то можно удерживать управляющий сигнал почти до самого конца полупериода, тем самым убрав ограничение на минимальную нагрузку. Однако, если не успеть снять сигнал, симистор не закроется и лампа не погаснет. При плохо подобранных константах лампы, работающие на не полной яркости периодически вспыхивают.
    Изоляция
    Симисторы в корпусе TO-220 могут быть изолированными или не изолированными. Я сначала сделал ошибку и купил BT137, в результате радиаторы охлаждения оказались под напряжением, что в моем случае нежелательно. Симисторы с маркировкой BTA изолированы, с маркировкой BTB нет.
    Защита от перегрузки
    Не стоит полагаться на автоматические выключатели. Посмотрите на спецификацию , при перегрузке в 1.4 раза автомат обязан выключиться не ранее , чем через час. А быстрое размыкание происходит только при перегрузке в 5 раз (для автоматов типа C). Это сделано для того, чтобы автомат не отключался при включении приборов, требующих при старте значительно больше энергии, чем при постоянной работе. Примером такого прибора является холодильник.
    Симистор нужно защитить отдельным предохранителем, либо контролировать ток через него и отключать его при перегрузке, давая остыть.
    Защита от короткого замыкания
    При перегорании лампы накаливания может образовываться искровой разряд, имеющий очень низкое сопротивление. В результате цепь фактически замыкается накоротко, что приводит к выгоранию симистора. 2t. Задает количество теплоты, накопление которой в кристалле приведет к разрушению кристалла. dI/dt ограничивается индуктивностью проводки и внутренней ёмкостью симистора. Так как dI/dt достаточно велика (50 А/с для BTA16), может хватить индуктивности подводящей проводки, если она достаточно длинная. Можно подстраховаться и добавить небольшую индуктивность в виде нескольких витков провода вокруг сердечника.
    С превышением интеграла Джоуля можно бороться либо уменьшая время прохождения тока через симистор, либо ограничивая ток. Так как симистор не закроется, пока ток не перейдет через ноль, не вводя дополнительных размыкателей нельзя сделать время прохождения тока менее одного полупериода. В качестве такого размыкателя можно использовать:
    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.
    Можно пойти по другому пути. BTA16-600 может выдержать ток в 160 амер в течении одного периода. Если сопротивление замыкаемой цепи будет порядка 1.5 Ом, то полупериод он выдержит. Сопротивление проводки даст 0.5 Ом. Остается добавить в цепь сопротивление в 1 Ом. Схема станет менее эффективной и появится еще одна грелка, выделяющая при штатной работе до 16 Вт тепла (0.45 Вт при работе 100 ваттной лампы), зато симистор не сгорит, если успеть его вовремя выключить и позаботиться о хорошем охлаждении, чтобы оставался запас на нагрев во время КЗ.
    Из этого сопротивления можно извлечь дополнительную выгоду: измеряя падение напряжения на нем, можно узнавать ток, протекающий через симистор. Полученное значение можно использовать для того, чтобы определять короткое замыкание или перегрузку и отключать симистор.
    Заключение
    Я не претендую на абсолютную верность всего написанного. Статья писалась для того, чтобы упорядочить знания, прочитанные на просторах интернета и проверить, не забыл ли я чего. В частности раздел, касающийся защиты от перегрузок я еще не опробовал на практике. Если я где-то не прав, мне было бы интересно узнать об ошибках.
    В статье нет ни одной схемы: знакомые с темой и так знают их наизусть, а новичку придётся заглянуть в datasheet к MOC3052 или в AN-3008 и, возможно, он заодно узнает что-то еще и не будет бездумно реализовывать готовую схему.

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

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

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

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

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

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

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

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

    Управление мощной нагрузкой · Вадим Великодный

    06 Jan 2017

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

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

    Условно можно выделить 3 группы методов:

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

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

    Простейший ключ

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

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

    Таким образом, при подаче «1» на вход нашей схемы ток от источника питания потечёт через резистор R1, базу и эмиттер на землю. При этом транзистор откроется (если, конечно, ток достаточно большой), и ток сможет идти через переход коллектор — эмиттер, а значит и через нагрузку.

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

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

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

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

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

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

    \[I_к = \beta I_б.\]

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

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

    \[I_б = \frac1{\beta} \frac{P}{V}. \]

    По закону Ома получаем:

    \[R_1 = \frac{V}{I_б}.\]

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

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

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

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

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

    Доработка схемы

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

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

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

    Если нагрузка резистивная, то диод не нужен.

    В итоге усовершенствованная схема принимает следующий вид.

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

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

    Для этого можно применить схему, приведённую ниже.

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

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

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

    Пример расчёта простой схемы

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

    Пусть напряжение питания равно 5 В.

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

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

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

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

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

    Значение сопротивление было округлено, чтобы попасть в ряд E12.

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

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

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

    Отсюда

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

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

    Таким образом, мы нашли значения сопротивлений R1 и R2.

    Транзистор Дарлингтона

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

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

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

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

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

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

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

    В остальном работа ключа остаётся такой же.

    Простейший ключ

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

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

    Простейшая схема ключа на MOSFET приведена ниже.

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

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

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

    \[I_{разр} = \frac{V}{R_1},\]

    где \(V\) — напряжение, которым управляется транзистор.

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

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

    Ниже приведена таблица с примерами характеристик МОП-транзисторов.

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

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

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

    Схема ускоренного включения

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

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

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

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

    Драйвер полевого транзистора

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

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

    Рассмотрим схему драйвера верхнего плеча на примере IR2117.

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

    IGBT

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

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

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

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

    Пример IGBT — IRG4BC30F.

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

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

    Тиристоры и симисторы

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

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

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

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

    Открыть симистор (или тиристор) можно двумя способами:

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

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

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

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

    Симисторный ключ

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

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

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

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

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

    Таким образом, эта оптопара выступает в роли драйвера симистора.

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

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

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

    Управление индуктивной нагрузкой

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

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

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

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

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

    Примеры симисторов

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

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

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

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

    Главное преимущество реле — простота использования — омрачается несколькими недостатками:

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

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

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

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

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

    Симистор и его применения — основы радиотехники

    Тиристор идеально подходит для регулирования мощности переменного напряжения во всем, кроме одного: он является однополупериодным устройством, а это означает, что даже при полной проводимости используется только половина мощности. Можно включить параллельно два тиристора навстречу друг другу, как это показано на рис.1, чтобы обеспечить двух-полупериодный режим работы, однако для этого требуется подавать импульсы запуска на управляющие электроды от двух изолированных, но синхронных источников, как это видно из рисунка.

    Рис.1 Двухполупериодный регулятор можно построить на двух тиристорах. Для изоляции источников импульсов от напряжения сети используются оптопары.

    Самым полезным устройством для практического регулирования мощности переменного напряжения является двунаправленный тиристор или симистор. Как можно видеть на рис2. симистор можно рассматривать как два инверсно-параллельных тиристора с управлением от единственного источника сигнала. Симисторы являются настолько гибкими устройствами, что их можно переключать в проводящее состояние как положительным, так и отрицательным импульсом запуска независимо от мгновенной полярности источника переменного напряжения. Названия катод и анод теряют смысл для симистора; ближайший к управляющему электроду вывод назвали, не мудрствуя лукаво, основным выводом 1 (МТ1), а другой — основным выводом 2 (МТ2). Запускающий импульс всегда подается относительно вывода МТ1 так же, как в случае тиристора он подается относительно катода.

    Рис2. Симистор: (а) структура, (b) условное обозначение.

    Обычно для переключения симистора, рассчитанного на ток до 25 А, достаточен пусковой ток 20 мА, и одним из простейших примеров его применения является «твердотельное реле», в котором небольшой пусковой ток используется для управления большим током нагрузки (рис.3). В качестве ключа SW1 могут быть геркон, чувствительное термореле или любая контактная пара, рассчитанная на 50 мА; ток в цепи нагрузки ограничивается только параметрами симистора. Полезно отметить, что резистор R1 в цепи запуска находится под напряжением сети только в моменты включения симистора; как только симистор включается, разность потенциалов на резисторе R1 падает до величины около одного вольта, так что достаточен полуваттный резистор.

    Рис.3 Простое «твердотельное реле» на симисторе.

    Весьма распространенными применениями симистора являются регулятор яркости для лампы или управление скоростью вращения мотора. На рис.4 показана такая схема. Временное положение запускающих импульсов устанавливается RC-фазовращателем; потенциометром R2 регулируют яркость лампы, тогда как резистор R1 просто ограничивает ток, когда потенциометр установлен в положение с минимальным сопротивлением. Сами импульсы запуска формируются динистором, то есть двунаправленным триггерным диодом. Динистор можно представить себе как маломощный тиристор без управляющего электрода с низким напряжением лавинного пробоя (около 30 В). Когда разность потенциалов на конденсаторе С1 достигает уровня пробоя в динисторе, мгновенный импульс разряда конденсатора включает симистор.

    Рис.4 Простейшая схема регулировки яркости лампы на симисторе с фазовым управлением.

    Легко сделать автоматический фотоэлектрический выключатель лампы, присоединив параллельно конденсатору С1 фотоэлемент ORP12 (светозависимый резистор). Сопротивление фотоэлемента в темноте велико, порядка 1 МОм, но при дневном свете оно падает до нескольких килоом так, что симистор не может поджечься и лампа выключена. Если в автоматическом выключателе ручная регулировка не требуется, то резистор R2 можно заменить на короткое замыкание.

    На рис.5 показано, как симистор управляет мощностью в нагрузке, отрезая начальную часть каждого полупериода. Длительность пропущенной части зависит от запаздывания пускового импульса по фазе, которое определяется сопротивлением R1+R2 и емкостью С1. В простейшей схеме управления на рис.4 фазовый сдвиг не может быть больше 90°, так как используется только одна RС-цепочка. Поэтому такая схема является плохим регулятором при малой мощности, поскольку в нем могут происходить неожиданные скачки от выключенного состояния к полной мощности.

    Более совершенная схема приведена на рис.6; включение дополнительной RC-цепочки (R3С3) дает больший фазовый сдвиг для лучшего управления при малой мощности. Дальнейшие усовершенствования состоят во введении следующих элементов: (а) демпфера с постоянной времени R4С4 для предотвращения ошибочных переключений от противо-э.д.с. индуктивной нагрузки и (b) радиочастотного фильтра L1C1 для подавления помех. Последний элемент всегда следует вводить в симисторную или тиристорную схему, работающую по принципу «отсекания части колебания», поскольку быстрые включения и выключения могут создавать серьезные радиопомехи в питающей сети.

    Рис.5 Форма напряжения на нагрузке в симисторном регуляторе при постепенном увеличении фазового сдвига.

    Имеется большое число различных симисторов и тиристоров которые нашли широкое применение в бытовой технике. Как и в случае выпрямительных диодов, для того, чтобы выбрать прибор с нужными номинальными напряжением и током, можно обратиться к каталогам и справочным данным.

    Рис.6 Симисторный регулятор мощности с широким диапазоном регулировки и встроенным подавлением помех.

    Большинство производителей выпускают подходящие динисторы, но имеются также приборы, называемые quadrac, в которых объединены симистор и динистор.

    На рис.7 показаны корпуса и цоколевка распространенных симисторов. Если симистор должен использоваться на полную допустимую мощность, то его необходимо закрепить на теплоотводе.

    Подавление радиочастотных помех, создаваемых симисторными или тиристорными регуляторами с фазовым управлением, становится более трудным и дорогим при больших значениях тока нагрузки. В электрических нагревателях и в других нагрузках с большой инерционностью можно уменьшить помехи, пропуская каждый раз целое число полупериодов. Это позволяет избежать скачкообразных изменений тока, которые и вызывают радиочастотные помехи. Такой способ называется прерывистым запуском или управлением с целым числом периодов. Этот способ, как правило, не подходит для управления яркостью лампы из-за мерцания. Для осуществления управления с целым числом периодов подходят такие микросхемы, как SL441, включающиеся при нулевом напряжении. Они определяют пересечение напряжением сети нулевого уровня и обеспечивают запуск симистора от датчика, сопротивление которого меняется, например, от термистора.

     

    Рис.7 Корпуса распространенных симисторов: (а) корпус Т066, (b) болтовой крепеж, (с) пластмассовый корпус Т0220.

     

    Симистор — Как работают диммерные переключатели

    В последнем разделе мы видели, что диммерный переключатель быстро включает и выключает световую цепь, чтобы уменьшить энергию, поступающую к переключателю света. Центральным элементом в этой схеме переключения является переключатель переменного тока на триоде или симистор .

    Симистор — это небольшой полупроводниковый прибор, похожий на диод или транзистор. Подобно транзистору, симистор состоит из различных слоев полупроводникового материала .Это включает материал N-типа , который имеет много свободных электронов, и материал P-типа , который имеет много «дырок», куда могут уходить свободные электроны. Чтобы узнать об этих материалах, ознакомьтесь с разделом «Как работают полупроводники». И для демонстрации того, как эти материалы работают в простом транзисторе , см. Как работают усилители.

    Вот как материал N-типа и P-типа устроен в симисторе.

    Вы можете видеть, что симистор имеет две клеммы, которые подключены к двум концам цепи.Между двумя клеммами всегда есть разница в напряжении, но она меняется в зависимости от колебаний переменного тока. То есть, когда ток движется в одну сторону, верхний вывод заряжается положительно, а нижний вывод заряжается отрицательно, а когда ток движется в другую сторону, верхний вывод заряжается отрицательно, а нижний вывод заряжается положительно.

    Логический элемент также подключен к схеме посредством переменного резистора . Этот переменный резистор работает так же, как и переменный резистор в старой конструкции диммерного переключателя, но он не тратит почти так много энергии, генерируя тепло.Вы можете увидеть, как переменный резистор вписывается в схему на схеме ниже.

    Так что здесь происходит? В двух словах:

    • Симистор действует как переключатель, управляемый напряжением.
    • Напряжение на затворе управляет действием переключения.
    • Переменный резистор регулирует напряжение на затворе.

    В следующем разделе мы рассмотрим этот процесс более подробно.

    Как уменьшить сбой TRIAC в схемах переключения?

    Введение

    Что такое симистор? TRIAC (Триод для переменного тока) — это электронный компонент, который широко используется для управления мощностью переменного тока.Это трехконтактный электронный компонент, который при срабатывании проводит ток в любом направлении. TRIAC может переключать высокие напряжения и высокие уровни тока по обеим частям сигнала переменного тока. Это делает схемы симистора идеальными для использования в различных приложениях, где требуется переключение мощности. Вы можете найти его применение в коммутации, фазовом управлении, конструкциях прерывателей, регулировании яркости в лампах, регулировании скорости в вентиляторах, двигателях и т. Д.

    Характеристики TRIAC, структура TRIAC и работа TRIAC

    Каталог


    Ⅰ TRIAC против выпрямителей с кремниевым управлением (SCR)

    Тиристор, также называемый SCR, обозначает выпрямитель с кремниевым управлением, а TRIAC обозначает триод для переменного тока.TRIAC имеет характеристики включенного и выключенного состояния, аналогичные SCR. Основное различие между SCR и TRIAC заключается в том, что тиристор является однонаправленным устройством, а в TRIAC — двунаправленным устройством. TRIAC определяется как трехконтактный переключатель переменного тока, который отличается от других кремниевых управляемых выпрямителей (SCR) в этом смысле. Они могут легко поворачивать и регулировать обе части сигнала переменного тока. Это делает этот компонент подходящим для множества приложений, где требуется управление питанием переменного тока.Схема диммера будет примером применения, и мы используем ее внутри страны в качестве схемы регулятора потолочного вентилятора. Также его можно использовать для регулирования входной мощности двигателя или электронагревателя. Вот почему TRIAC используется для приложений малой и средней мощности, а SCR остается для приложений высокой мощности. Хотя это очень интересная система, проблема, известная как «ток утечки», присутствует. И мы поговорим больше об этом токе утечки, его побочных эффектах и ​​некоторых хорошо известных способах решения этих проблем в этой статье.Но давайте перед этим разберемся с основами TRIAC.

    Ⅱ Структура симистора и символ

    Что касается символа симистора , как и любой другой электронный компонент, он состоит из двух тиристоров, соединенных в антипараллельной конфигурации, и если мы очень внимательно посмотрим на его символ, он явно отражает двунаправленность симистора. характеристики. Что вы видите на картинке ниже.

    Модернизированный вариант тиристора — ТРИАК. Как вы уже знаете, тиристор может управлять током только в одном направлении, а тиристор может управлять током как в отрицательном, так и в положительном направлении.TRIAC поворачивается в каждом цикле синусоидальной волны из-за наличия синусоидальной волны, что означает, что мы можем использовать весь цикл, в отличие от SCR. Как и тиристор, TRIAC имеет три вывода, но становится немного сложно присвоить имена этим выводам, поскольку они связаны просто с катодом и анодом двух тринисторов. К клемме затвора также подключены два SCR, поэтому он был назван Анодом 1 и Анодом 2 или Основным Терминалом 1 и Основным Терминалом 2 (MT1 и MT2).
    Мультиметр можно использовать для проверки исправности симистора.Сначала переведите селекторный переключатель мультиметра в режим высокого сопротивления (100 кОм), затем подключите положительный провод мультиметра к клемме MT1 симистора, а отрицательный провод к клемме MT2 симистора (нет проблем, если вы перевернете соединение).

    Ⅲ Как использовать TRIAC

    Симисторы — это полупроводниковые устройства, которые широко используются для коммутации переменного тока средней мощности. Прежде чем двигаться дальше, давайте немного познакомимся с функциями TRIAC . Как показано на следующем рисунке.

    Двухтиристорная аналогия

    Ранее мы говорили, что TRIAC может быть реализован как конфигурация из двух SCR. Приведенное выше изображение дает немного больше ясности по предмету, но гораздо сложнее работать на уровне полупроводников. TRIAC можно активировать разными способами, в отличие от SCR, независимо от полярности клемм. Независимо от полярности инициирующего импульса, он также может быть активирован. При работе с TRIAC следует помнить одну вещь: когда MT2 и ток затвора имеют одинаковую полярность, чувствительность тока триггера намного выше.Теперь мы можем перейти к устранению нашей ключевой проблемы, связанной с током утечки, с помощью простой очистки.

    Пример схемы переключения симистора

    Ⅳ Как работает симистор?

    4.1 Ток утечки TRIAC

    Существует структурный ток утечки в выключенном состоянии тиристора, TRIAC или любых других твердотельных переключателей переменного тока, поэтому через нагрузку протекает небольшое количество тока, этой цепи достаточно для некоторых чехлы заряжают цепь нагрузки (индуктивную) и вызывают ее самопроизвольное мигание.Чтобы избежать этого, нам нужно внимательно изучить особенности и разработать схему, и мы поговорим об этом подробнее в этом разделе этой статьи.
    Если напряжение MT2 достигает определенного номинального порогового напряжения (что может произойти из-за переходного состояния высокого напряжения), ток утечки между двумя выводами может достигнуть точки, в которой TRIAC перейдет в режим проводимости. В этом состоянии при резком увеличении тока, протекающего через симистор, возникает внезапное локализованное тепло, так что симистор может быть разрушен.Лампы накаливания, скорее всего, являются источником сильных пусковых токов при емкостной нагрузке.

    4.2 Растворы

    Этого состояния можно избежать, применив один или несколько из следующих методов:
    1) Максимальные номинальные температуры Tj max. следите за тем, чтобы температура не превышалась. При повышении температуры ток утечки через систему увеличивается, мы можем устранить / уменьшить эту проблему, интегрируя отдельные марки TRIAC для конкретных требований.
    2) Поместив резистор широкого номинала от затвора к катоду, мы можем снизить чувствительность симистора.Это уменьшает ток затвора, тем самым уменьшая ток утечки. Это, с другой стороны, увеличивает время включения TRIAC.
    3) Если невозможно реализовать описанные выше методы, мы можем использовать TRIAC с менее чувствительным затвором во время выключенного времени и применить к затвору небольшую степень обратного смещения. В этом процессе мы должны минимизировать рассеивание мощности через затвор.
    4) В зависимости от формы нагрузки другой стратегией уменьшения тока утечки является полное устранение демпфирующей цепи.Утечка конденсатора также становится основным источником тока утечки, поэтому мы можем уменьшить ток, протекающий через демпфер, и уменьшить ток утечки, удалив демпферную цепь.
    Если вы хотите узнать больше информации о TRIAC, вы можете проверить его кривые ВАХ симистора с другими примерами. Прежде чем использовать эти методы для уменьшения утечки тока, помните, прежде всего, о безопасности!

    Часто задаваемые вопросы о TRIAC Basic и его приложениях

    1.Для чего нужен симистор?
    Симистор — это наиболее часто используемое полупроводниковое устройство для переключения и управления мощностью систем переменного тока, поскольку симистор может быть включен либо положительным, либо отрицательным импульсом затвора, независимо от полярности источника переменного тока в это время.

    2. Какой пример симистора? Применение
    TRIAC
    TRIAC очень часто используется в местах, где необходимо контролировать мощность переменного тока, например, он используется в регуляторах скорости потолочных вентиляторов, схемах диммера ламп переменного тока и т. Д.Давайте посмотрим на простую схему переключения TRIAC, чтобы понять, как она работает на практике.

    3. Что такое симистор и его характеристики?
    Симистор определяется как трехконтактный переключатель переменного тока, который отличается от других кремниевых выпрямителей в том смысле, что он может проводить в обоих направлениях, то есть независимо от того, является ли подаваемый сигнал затвора положительным или отрицательным, он будет проводить. Таким образом, это устройство можно использовать для систем переменного тока в качестве выключателя.

    4.Что такое переключатель симистора?
    Симистор — это высокоскоростное твердотельное устройство, которое может переключать и управлять мощностью переменного тока в обоих направлениях синусоидальной формы волны. Будучи твердотельным устройством, тиристоры могут использоваться для управления лампами, двигателями, нагревателями и т. Д.

    5. Каков принцип работы симистора?
    Симистор — это еще один трехконтактный переключатель переменного тока, который переключается на проводимость, когда на его вывод затвора подается сигнал низкой энергии. В отличие от SCR, симистор при включении ведет себя в любом направлении.

    Альтернативные модели

    Деталь Сравнить Производителей Категория Описание
    Производитель.Часть #: AD549KHZ Сравнить: OPA128SM VS AD549KHZ Изготовители: ADI Категория: Операционные усилители (общего назначения) Описание: АНАЛОГОВЫЕ УСТРОЙСТВА Операционный усилитель AD549KHZ, одиночный, 1 усилитель, 1 МГц, 3 В / мкс, от ± 5 В до ± 18 В, TO-99, 8 контактов
    Производитель.Номер детали: OPA2227UA / 2K5 Сравнить: Текущая часть Изготовители: TI Категория: Операционные усилители (общего назначения) Описание: Операционный усилитель TEXAS INSTRUMENTS OPA2227UA / 2K5, высокоточный, 2 усилителя, 8 МГц, 2.3 В / мкс, от ± 2,5 В до ± 18 В, SOIC, 8 контактов
    Производитель Номер детали: OPA2227UA Сравнить: OPA2227UA / 2K5 VS OPA2227UA Изготовители: TI Категория: Операционные усилители (общего назначения) Описание: Операционный усилитель TEXAS INSTRUMENTS OPA2227UA, двойной, 2 усилителя, 8 МГц, 2.3 В / мкс, от ± 2,5 В до ± 18 В, SOIC, 8 контактов
    Номер изделия производителя: OPA2227U Сравнить: OPA2227UA / 2K5 VS OPA2227U Изготовители: TI Категория: Операционные усилители (общего назначения) Описание: Операционный усилитель, двойной, 2 усилителя, 8 МГц, 2.3 В / мкс, от ± 2,5 В до ± 18 В, SOIC, 8 контактов

    Коммутация нагрузок переменного тока с помощью TRIAC

    Часто в электронике нужно переключать нагрузки (двигатели, фары, соленоиды…) ВКЛ и ВЫКЛ с вывода микроконтроллера или выхода низковольтной электронной схемы. Когда вы работаете с источниками постоянного тока, транзистор выполняет свою работу: вы подаете напряжение на вывод базы / затвора, и ток будет течь от источника более высокого напряжения на выводе коллектора / стока к выводу эмиттера / истока (для NPN / N-канал в зависимости от того, является ли транзистор биполярным / MOSFET). Проблема с решением транзистора заключается в том, что его ток не может быть изменен. В большинстве случаев это нормально, но это не позволит вам работать с нагрузками переменного тока.

    Два наиболее распространенных способа переключения нагрузки переменного тока — использование механического реле или TRIAC. Реле простое в использовании, но его недостатки заключаются в том, что он медленный и потребляет большой ток (чтобы катушка оставалась под напряжением). Поскольку контакты реле являются механическими, они также со временем изнашиваются и создают шум переключения. С другой стороны, TRIAC — это небольшое твердотельное устройство, которое может переключаться очень быстро, поэтому вы можете использовать его для приглушенного света, управления скоростью двигателей и нагревательных элементов.Фактически, TRIAC используется в современных термостатах цифровой электроники для регулирования мощности нагревателя.

    Обзор TRIAC

    TRIAC — это 3-контактное полупроводниковое устройство, которое может пропускать ток от его основных клемм в любом направлении. Некоторые люди описывают его поведение как 2 тиристора в антипараллельной конфигурации.

    Выбирая TRIAC для вашего приложения, обратите внимание на его абсолютные максимальные электрические характеристики. Пиковое напряжение (не среднеквадратичное значение) вашего источника переменного тока должно быть ниже допустимого пикового максимального напряжения в закрытом состоянии, указанного в таблице данных TRIAC.Для источника 120 В переменного тока это значение в таблице данных должно быть выше 170 вольт (Vrms * sqrt (2)). Также есть среднеквадратичный ток в открытом состоянии и неповторяющийся пиковый ток в открытом состоянии. Обычно просто убедитесь, что средний ток вашей нагрузки ниже среднеквадратичного значения тока в рабочем состоянии, указанного в таблице данных.


    Запуск TRIAC

    Чтобы запустить TRIAC (позволить току течь между T1 и T2), вам необходимо отправить импульс на затвор относительно терминала T1. Когда вы читаете о теории TRIAC, вы можете видеть, что существует 4 различных режима запуска (четыре квадранта).Все это означает, что вы можете посылать положительный / отрицательный импульс на затвор, в то время как T2 является положительным / отрицательным с T1 в качестве эталона. В любом случае, вам не нужно об этом беспокоиться, чтобы попробовать следующие схемы.

    Имейте в виду, что после запуска TRIAC будет продолжать проводить до тех пор, пока ток между его выводами не упадет ниже его удерживающего тока, который можно найти в его таблице данных (пара миллиампер для небольших TRIAC). Это означает, что он перестанет проводить в конце цикла переменного тока, когда больше не будет разницы напряжений между горячим и нейтральным током (переход через ноль).Однако, если вы подадите напряжение постоянного тока на клеммы TRIAC, оно будет проводиться бесконечно; или пока не перережете провод / не отключите питание 🙂

    # 1 — С одним источником переменного тока

    Если вы хотите проверить, работает ли TRIAC, и возиться с ним, это простой способ подключить его, поскольку для него требуется только один источник переменного тока. Я действительно не думаю, что эта схема полезна, если вы не хотите включать нагрузку переменного тока нажатием или щелчком переключателя.

    # 2 — С сигналом постоянного тока

    Вот более интересный способ активировать TRIAC.В этой конфигурации вы можете использовать внешний низковольтный сигнал постоянного тока для управления нагрузкой переменного тока. Вы должны быть осторожны с этой схемой, потому что вы должны связать нейтраль вашего источника переменного тока с землей вашей подсистемы постоянного тока. Я бы не рекомендовал эту конфигурацию с дорогостоящей отладочной платой для управления TRIAC. Также возможно, что шум может быть введен в аналоговую часть ваших схем, что приведет к снижению производительности (например, АЦП, операционные усилители …).


    # 3 — С фототриаком (оптоизолятором)

    По моему скромному мнению, лучший и безопасный способ активировать TRIAC — это использовать фототриак.Он состоит из использования микросхемы, которая изолирует часть постоянного тока вашей цепи от части переменного тока. Если вы внимательно посмотрите на правую часть схемы, она почти такая же, как и в первой конфигурации, которую мы видели, вместо этого переключатель был заменен другим TRIAC. Другой TRIAC (фототриак) запускается фотодиодом, который соединен с ним в корпусе микросхемы. Короче говоря, вам нужно только включить фотодиод, и основной TRIAC будет проводить, тем самым обеспечивая ток для вашей нагрузки переменного тока.

    Есть два типа фототриаков: те, у которых есть схема перехода через нуль, и те, у которых нет.Фототриаки, такие как MOC3041 и MOC3062, имеют внутреннюю схему защиты, которая не позволит вам включить главный симистор, пока напряжение переменного тока не будет в начале его цикла. Это предотвратит подачу высокого напряжения (середина цикла) непосредственно на нагрузку, так как это может создать высокий пусковой ток или чрезмерный электрический шум. Фототриаки, подобные MOC3023, не имеют такой защиты. Во многих приложениях это вас не волнует.

    Вывод

    Если вы хотите попробовать различные конфигурации, указанные выше, убедитесь, что ток вашей нагрузки соответствует максимальному току через TRIAC.В качестве триггерного резистора выберите его так, чтобы ток через затвор был выше триггерного тока затвора в таблице данных, просто используйте закон Ома. Пожалуйста, экспериментируйте с осторожностью, если вы используете сетевое электричество. Когда я тестировал схемы, указанные выше, я использовал небольшой трансформатор с открытой рамой 1,5 Вт с 120 В переменного тока на 12 В переменного тока, подобный приведенному ниже, чтобы я мог вставить палец в схему, не опасаясь поражения электрическим током или сгорания дома.

    TRIAC и DIAC — рабочие и приложения

    Симистор — это компонент силовой электроники, используемый в цепи переменного тока для переключения.Он может выдерживать высокое напряжение и ток. Это триод для переменного тока. В отличие от SCR, он может работать в обоих циклах переменного тока. Они могут контролировать фазовый угол переменного тока. Эта функция заставляет симистор использовать схему диммера переменного тока, управление двигателем и т. Д.

    Введение симистора

    Имеет три терминала: mT 1 , mT 2 и ворота. На клеммы mT 1 и mT 2 подключаем питание переменного тока. Применяя стробирующий импульс, мы можем включить его.

    Это улучшенная версия SCR, где SCR не может переключаться с обратным смещением, но может.Это можно рассматривать как два SCR, соединенных параллельно, но в обратном порядке.

    Символ симистора

    Как видно из символа, симистор кажется, что два тиристора подключены параллельно, но в обратном порядке. Анод первого SCR соединен с катодом второго SCR, а анод второго SCR соединен с катодом первого SCR. Итак, мы не можем маркировать анод и катод для двух выводов симистора. Вместо этого мы обозначаем его mT 1 и mT 2 . Это можно рассматривать как основные клеммы 1 и 2, потому что они подключены к электросети.

    Симистор рабочий

    Важно знать, как работает тиристор (тиристор), прежде чем знать работу симистора. Потому что он работает так же, как и пара SCR, подключенных, как показано.

    Мы знаем, что mT 1 и mT 2 подключаются к электросети. Когда mT 1 положительный, а mT 2 отрицательный, тогда левый SCR будет находиться в прямом смещении, и когда мы запускаем вывод затвора, он начинает проводить. В отрицательном цикле будет проводить другой SCR.

    Характеристики симистора VI

    Это то же самое, что и SCR, поскольку он работает также при отрицательных напряжениях, поэтому отрицательные характеристики такие же, как и положительные характеристики SCR.

    Структура симистора

    На приведенном выше рисунке показана конструкция симистора. Полупроводниковые слои вместе образуют две эквивалентные конструкции SCR.

    Режимы работы симистора

    Имеется четыре режима работы симистора.

    1. Когда mT

    2 и вентиль положительный, чем mT 1

    В этом режиме ток протекает через P 1 , N 1 , P 2 и N 3 , потому что здесь P 1 -N 1 и P 2 — N 3 переходов являются при прямом смещении и N 2 -P 2 переход находится в обратном смещении.

    2. Когда mT

    1 и mT 2 положительны, чем вентиль

    В этом режиме ток протекает через P 1 , N 1 , N 2 и P 2 (mT 2 до затвора).

    3. Когда mT

    1 и mT 2 отрицательны, чем вентиль

    В этом режиме ток протекает через P 2 , N 1 и N 4 .

    4. Когда mT

    2 и гейт отрицательный, чем mT 1

    В этой конфигурации ток течет так же, как в третьем условии.

    Применение симистора

    • Регулировка яркости лампы
    • Регулировка скорости вентилятора
    • Регулировка фазового угла сигнала переменного тока

    Пример схемы переключателя AN

    На приведенном ниже рисунке представлена ​​принципиальная электрическая схема цепи переключения симистора и ее график.

    Так как напряжение в линии переменного тока становится как отрицательным, так и положительным. Когда мы замыкаем переключатель, клемма затвора подключается либо к положительному, либо к отрицательному напряжению. На основе напряжения запуска затвора и полярности mT 1 , mT 2 он проводит блокировку или проводимость согласно аналогии с двумя SCR.

    Применение симистора (симисторный диммер)

    Существует множество схем диммера переменного тока для диммирования переменного тока. Но мы увидим и поймем простую схему, в которой используются резистор, конденсатор, диак и симистор. Это наиболее часто используемое применение симистора и диака в домашних условиях для управления скоростью потолочных вентиляторов. Это также называется симисторным диммером.

    Концепция диммирования переменного тока

    Для слабой мощности переменного тока используется фазовый угол. Управляя фазовым углом, мы можем управлять мощностью некоторых электроприборов.

    Контроль фазового угла: введение

    Для управления мощностью электроприбора переменного тока мы контролируем фазовый угол источника переменного тока. Для этого мы используем низкочастотный переключатель мощности. Мы запускаем переключатель при разных углах сигнала переменного тока в обоих циклах. Для коммутации мы используем симистор.

    На рисунке выше показано графическое представление управления фазовым углом. Теперь мы увидим, как мы можем разработать схему для управления фазовым углом.

    Цепь диммера переменного тока

    Мы можем разработать такую ​​схему, которая может управлять фазовым углом, используя несколько электронных компонентов.Для этой схемы нам понадобится следующий компонент.

    1. BT136 (симистор)
    2. DB3 (diac)
    3. Резистор 4 кОм
    4. Переменный резистор (0-500 кОм)
    5. Конденсатор 100 нФ

    Подключите все компоненты, как показано ниже.

    Изменяя значение переменного резистора, мы можем изменить фазовый угол и, следовательно, мощность.

    Прежде чем понять, как работает эта схема, давайте разберемся с функциями всех компонентов в схеме. Уже есть сообщения о резисторе, конденсаторе и симисторе.Теперь давайте разберемся с функцией diac.

    Diac: введение

    Diac похож на диод для переменного тока. У него нет терминала затвора, как у симистора. Мы включаем его, используя высокое прямое напряжение. Он в основном используется для запуска терминала затвора симистора. Имеет два терминала: mT 1 и mT 2 .

    Диак символ

    Здесь видно, что у него всего два терминала. Он включается с высоким прямым напряжением. которые мы увидим на графике характеристик diac.

    VI характеристики диак

    Как видите, по характеристикам он почти такой же, как у симистора. Но, поскольку у него нет клеммы затвора, его прямое блокирующее напряжение фиксировано. Из графика вы можете видеть, что если мы подадим напряжение больше или равное его прямой блокировке, то он включится. После включения он может работать и при более низком напряжении.

    Структура диак

    Его структура почти такая же, как у симистора, и разница такая же, как всегда, его затвор.

    Работа цепи диммера переменного тока

    Теперь разберемся, как работает схема диммера переменного тока.

    При подаче питания на схему во время положительного цикла конденсатор начинает заряжаться через резистор R и переменный резистор VR. Итак, время зарядки конденсатора зависит от номинала переменного резистора VR. Если значение VR больше, время зарядки будет больше, а если его значение меньше, время зарядки будет меньше. Напряжение на конденсаторе будет положительным.Когда напряжение на конденсаторе достигает прямого напряжения блокировки диака, он включается и запускает затвор симистора, и симистор будет проводить.

    Т.к. диак работает так же и с отрицательными напряжениями. Таким образом, в отрицательном цикле переменного напряжения конденсатор заряжается отрицательно и по мере приближения к прямому напряжению блокировки диакритического контура включается. Это вызовет срабатывание симистора, и он начнет проводить. Таким образом, мы можем контролировать фазовый угол сигнала переменного тока.

    Примечание: — осторожно относитесь к сети переменного тока.Неправильное обращение с ним может привести к смертельным травмам. Всегда надевайте перчатки, прежде чем прикасаться к любому проводу.

    Коммутатор на базе ТРИАК

    | Hackaday.io

    Изображение проекта — это схема специй. Файл spice также загружается в раздел файлов вместе с требуемой моделью TRIAC.

    Концепция: Цепь переключается между основным (V1, электросеть) и альтернативным (V2) источниками питания. Нагрузка L + получает питание от альтернативного источника всякий раз, когда на нее подается питание.Оба источника переменного тока должны быть подключены к общей (заземляющей) обратной линии.

    Работа: идентичных отрицательных емкостных источников питания используются как для первичной, так и для альтернативной цепей управления. Питание первичной обмотки состоит из D5, C2, D3, C1 и R10. Полуволновое выпрямление и фильтрация выполняется D3 и C2. D5 — стабилитрон для регулирования напряжения питания. C1 — делитель напряжения, а R10 обеспечивает ограничение тока.

    Как первичный, так и альтернативный триак запускаются во втором и третьем квадрантах.

    Первичный источник: , когда альтернативный выключен, первичный источник питания смещает Q1, чтобы потреблять ток от затвора U1, а нагрузка питается от первичного.

    Альтернативный источник: При подаче питания на альтернативный оптопара U2 немедленно активируется и заряжает затвор M4, который выключает Q1. TRIAC U1 отключится при следующем переходе через ноль тока. Постоянная времени C16 и R16 вставляет задержку включения / выключения. Примечание: U2 требуется, поскольку p +/- и a +/- работают с разными потенциалами.

    Одновременно C15 начинает заряжаться, а Q3 включается, когда его база смещена вперед. U4 подключается. Постоянная времени R7 / R1 / C15 должна быть значительно больше, чем R16 / C16, чтобы предотвратить одновременное включение обоих TRIAC.

    При отключении альтернативного питания R16 / C16 определяют задержку перед тем, как основной источник возобновит питание нагрузки.

    Вывод: первоначальная конструкция предназначена для переключения нагрузок менее 100 Вт, поэтому радиаторы не требуются.Демпферы не включены в модель Spice, но будут использоваться в построенном прототипе, хотя их целью является переключение емкостных (SMPS) или легких индуктивных нагрузок.

    При моделировании, в зависимости от фазы / амплитуды / времени альтернативного источника, вы увидите большой всплеск тока, когда первичный TRIAC проводит в первом полупериоде. Я немного поигрался с этим и пробовал демпферы, регулировку фазы двух источников и т. Д., Но я считаю, что это аномалия. Я узнаю достаточно скоро; прототип следующий!

    Что такое ТРИАК? Определение, конструкция, работа и применение TRIAC

    Определение : TRIAC — это в основном трехконтактный переключатель переменного тока , который показывает проводимость в обоих направлениях .Они запускаются в проводимость с помощью низкоэнергетического стробирующего сигнала. TRIAC является сокращением TRI ode для A альтернативного C текущего. Это двунаправленное устройство , которое относится к семейству тиристоров и в основном представляет собой диакис с выводом затвора, используемым для управления условиями включения устройства.

    Более конкретно, мы можем сказать в TRIAC, Tri обозначает 3 клеммы устройства, а ac обозначает устройство, которое используется для управления переменным током .Симистор мощностью 16 кВт легко доступен. Для управления приложениями они широко используются в области силовой электроники.

    Давайте посмотрим на схематический символ TRIAC:

    Строительство TRIAC

    На схеме ниже показана базовая структура симистора:

    Как мы уже обсуждали, это 3-х контактный и 4-х уровневый , он состоит из 2 тиристоров в обратном параллельном соединении, имеющего терминал затвора.Он имеет 6 легированных областей, а омический контакт создается затвором как с N-, так и с P-областями. Благодаря этому любая полярность запускающего импульса может запустить проводимость в устройстве.

    Давайте посмотрим на электрический эквивалент базовой структуры симистора.

    Поскольку это двунаправленное устройство, анод и катод не имеют никакого значения. Таким образом, терминалы представлены как MT 1 и MT 2 вместе с терминалом затвора G .

    Работа TRIAC

    Симистор — это устройство, которое проводит ток независимо от полярности напряжения на клеммах. В результате существует 4 различных возможности операций.

    Давайте теперь обсудим кейсы отдельно:

    1. Когда затвор и MT 2 имеют положительный потенциал по отношению к MT 1 :

    При приложении положительного потенциала на MT 2 относительно MT 1 , два соединения P 1 -N 1 и P 2 -N 2 смещаются вперед.Следовательно, ток протекает через P 1 -N 1 -P 2 -N 2 . Таким образом, симистор в таком состоянии считается смещенным положительно.

    2. Когда MT 2 имеет положительный потенциал, а затвор имеет отрицательный потенциал по отношению к MT 1 :

    Как и в предыдущем случае, здесь также ток протекает через P 1 -N 1 -P 2 -N 2 . Но здесь разветвление P 2 -N 3 смещается вперед, и симистор работает за счет впрыска носителей в P 2 .

    3. Когда затвор и MT 2 имеют отрицательный потенциал по отношению к MT 1 :

    В таком состоянии теперь ток протекает через P 2 -N 1 -P 1 -N 4 . Разветвление P 2 -N 1 и P 1 -N 4 смещено в прямом направлении, и в то же время N 1 -P 2 заблокировано, поэтому считается, что оно смещено отрицательно. Приложенный отрицательный потенциал затвора смещает в прямом направлении переход P 2 -N 3 , таким образом, инициирует проводимость в устройстве.

    4. Когда MT 2 находится под отрицательным потенциалом, но затвор находится под положительным потенциалом по отношению к MT 1 :

    Как и в предыдущем случае, здесь ток протекает через P 2 -N 1 -P 1 -N 4 . Разветвление P 2 -N 1 и P 1 -N 4 смещено в прямом направлении, что приводит к впрыску носителя, что приводит к включению устройства.

    Характеристики TRIAC

    Характеристическая кривая симистора в основном поддерживает следующие 4 режима:

    Режим 1 : это операция первого квадранта, где В, MT21 и В G1 оба являются положительными .

    Режим 2 : это операция второго квадранта, где В MT21 положительный и В G1 отрицательный .

    Режим 3 : Это операция в третьем квадранте, где В MT21 и В G1 оба имеют отрицательное значение .

    Режим 4 : это операция четвертого квадранта, где В MT21 отрицательное значение и В G1 положительное значение .

    Здесь V MT21 представляют собой напряжение на клемме MT 2 относительно клеммы MT 1 , а V G1 представляет напряжение затвора относительно клеммы MT 1 .

    Когда устройство начинает проводить, через него проходит очень большой ток. Однако такой большой ток может повредить устройство. Таким образом, для ограничения избыточного тока используется внешнее сопротивление. Здесь управляющий вывод является затвором, и правильно приложенный потенциал затвора регулирует угол включения устройства.

    Значения напряжения и тока для типичного симистора приведены ниже:

    1. Ток в открытом состоянии: — 25 A
    2. Напряжение в открытом состоянии: — 1,5 В
    3. Средний ток срабатывания: — 5 мА
    4. Удерживающий ток: — 75 мА

    Цепь управления TRIAC

    Давайте посмотрим на схему управления симистором, показанную ниже:

    Во время положительной половины и отрицательной половины входного цикла мощность переменного тока регулируется для нагрузки путем переключения между включением и выключением.Положительная половина прямого смещения D1 и обратного смещения D2, и затвор положительный по отношению к A 1 .

    Однако во время отрицательного полупериода D 2 теперь смещается в прямом направлении, а D 1 смещается в обратном направлении, и затвор является положительным по отношению к клемме A 2 . Используемый в схеме резистор R 2 контролирует точку начала проводимости.

    Преимущества TRIAC

    • Его конструкция проста, так как для защиты требуется один предохранитель.
    • Напряжение как положительной, так и отрицательной полярности может срабатывать симистор.

    Недостатки TRIAC

    • Наличие номинала у симистора ниже по сравнению с тиристором.
    • Они менее надежны.
    • Нет симметрии во время срабатывания на обеих половинах сигналов.
    • Несимметричное переключение делает его более уязвимым.

    Применение TRIAC

    • Используется при управлении переменным током.
    • Используется для управления освещением.
    • Triac находит применение в электродвигателях.

    Эффективные результаты получаются при управлении мощностью переменного тока с помощью симистора. Поскольку симисторы подключаются непосредственно к источникам переменного тока, необходимо обеспечить надлежащую безопасность при тестировании цепи.

    Электродвижущие силы

    Работа симистора

    Январь 2003 г.

    Симистор (более известный как двунаправленный триодный тиристор) представляет собой электронный переключатель и является своего рода электронным эквивалентом реле / ​​контактора.Но вместо катушки, которая находится под напряжением, симистор имеет затвор, который запускается по току, чтобы симистор проводил и включал нагрузку. В отличие от реле или контактора, симистор не имеет движущихся частей. Таким образом, здесь нет контактов, которые могут заедать и гореть, нет дребезга контактов, искрения и абсолютно никакого шума.

    Подобно транзисторам симисторы представляют собой три оконечных устройства. Они даже упакованы аналогично (ТО-92, ТО-220 и т. Д.). Но в отличие от транзистора симистор — это не усилитель, а просто полупроводниковый переключатель.У него всего два состояния: проводящее и непроводящее.

    Симистор может проводить в обоих направлениях. Следовательно, он может переключать переменный ток. Его кузен, кремниевый управляемый выпрямитель (SCR), похож на пол симистора, потому что он проводит только в одном направлении. На SCR две клеммы, к которым подключена нагрузка, называются катодом и анодом. Поскольку симистор работает в двух направлениях, вызывать контакты катода и анода было бы бессмысленно. Поэтому они известны как MT1 (главный терминал 1) и MT2 (главный терминал 2).Терминал, на который подается сигнал, заставляющий МТ1 — МТ2 проводить, известен как вентиль.

    Помимо номинального тока, каждый симистор имеет определенное напряжение переключения. При открытом затворе это минимальное напряжение между MT1 и MT2, при котором симистор начинает проводить ток, действуя как замкнутый переключатель. Обычно мы не подвергаем симистор размыкающему напряжению. Скорее, чтобы включить симистор, мы пропускаем небольшой ток (<100 мА) через затвор к MT1 или от MT1 к затвору. Следовательно, при выборе симистора мы выбираем тот, у которого номинальное напряжение отключения выше пикового (не среднеквадратичного!) Напряжения нашей линии переменного тока.Пиковое напряжение сети 240 В переменного тока составляет 340 В, поэтому подойдет имеющийся в продаже симистор с напряжением переключения 400 В. Выбор устройства с еще более высоким номинальным напряжением переключения, скажем 600 В, будет прекрасным и обеспечит больший запас, хотя такое устройство будет стоить дороже.

    Наиболее важным аспектом работы симистора является запуск затвора. Есть несколько способов включения симистора. Но как только симистор проводит ток затвора, его можно удалить. Симистор будет продолжать работать до конца определенного полупериода.Если мы переключаем переменный ток, симистор естественным образом переходит в непроводящее состояние в течение половины цикла после снятия тока затвора. Если, однако, мы используем симистор для переключения постоянного тока, удаление триггера затвора приведет к выключению симистора , а не . Как и в режиме SCR, необходимы другие способы его отключения. Это означает, что когда мы снимаем триггер затвора с симистора, мы технически не выключаем симистор. Скорее, симистор фактически отключается, когда переменный ток пересекает нулевую точку. Когда ток, проходящий через симистор, падает ниже тока удержания, симистор переходит в непроводящее состояние.Чтобы симистор постоянно проводил ток, мы должны запускать затвор каждые полупериод. Или мы можем подать на ворота непрерывный сигнал постоянного тока. В любом случае симистор будет продолжать работать постоянно.

    При срабатывании симистора необходимо учитывать, в каких квадрантах симистор будет работать (см. Диаграмму ниже). Если симисторы для вас впервые, диаграмма может показаться сложной. К этим квадрантам нужно немного привыкнуть. Просто помните, что они связаны с тригонометрическими квадрантами математики, но не являются ими.Вместо этого квадранты относятся к четырем комбинациям поляритов , тока затвора и MT2 по отношению к MT1. Ось x обозначает полярность затвора, а ось y обозначает полярность MT2. Все полярности относятся к MT1. Поскольку полярности затвора и MT2 не зависят друг от друга и могут быть положительными или отрицательными по отношению к MT1, у нас есть четыре возможных комбинации. Обозначим квадрантом 1 ситуацию, когда и вентиль, и MT2 положительны. Когда вентиль отрицательный, а MT2 положительный, мы называем эту операцию квадранта 2.Когда и вентиль, и MT2 отрицательны по отношению к MT1, это называется операцией квадранта 3. И, наконец, когда затвор положительный, когда MT2 отрицательный, мы работаем с симистором в режиме четвертого квадранта.

    Важно помнить, что симистор не обязательно должен работать во всех четырех квадрантах. Также симистор не проходит через все четыре квадранта за каждый цикл переменного тока. Фактически для данной схемы симистор обычно работает только в двух квадрантах. А работа в 2-х квадрантах — это абсолютный минимум, поскольку мы работаем с переменным током, и поэтому MT2 будет положительным в течение одного полупериода, а затем отрицательным по отношению к MT1 в следующем полупериоде.Например, когда симистор запускается непрерывным сигналом постоянного тока, симистор будет работать либо в квадрантах 1 и 4, либо в квадрантах 2 и 3. Это связано с тем, что ток затвора всегда будет положительным по отношению к MT1 (Q 1 & 4) или всегда отрицательный (Q 2 и 3).

    При использовании симисторных оптопар в качестве пускового устройства симистор запускается переменным положительным и отрицательным токами (см. Схему оптопары в разделе Твердотельные реле). Это называется синфазным запуском, поскольку полярность затвора относительно MT1 всегда соответствует полярности MT2 относительно полярности.MT1. Следовательно, симистор работает в квадрантах 1 и 3.

    При непрерывном запуске по постоянному току напряжение затвора по отношению к MT1 всегда будет положительным или всегда отрицательным. Если положительный, симистор будет работать в квадрантах 1 и 4. Если напряжение затвора на MT1 всегда отрицательное, то симистор будет работать в квадрантах 2 и 3. Другими словами, когда затвор получает ток (ток запуска всегда течет от затвора к MT1), то симистор работает в квадрантах 1 и 4. Когда затвор пропускает ток (ток течет более положительным MT1 к затвору), тогда симистор работает в квадрантах 2 и 3.

    Мы можем разработать схему для запуска симистора с положительным или отрицательным постоянным током затвора. На схемах ниже показано, как транзисторы NPN и PNP могут запускать симистор. Когда переключатель замкнут, транзистор включается и пропускает ток, чтобы запустить симистор. Поскольку затвор в любой конфигурации всегда положительный по отношению к MT1, симистор в обеих цепях будет работать в квадрантах 1 и 4.

    Поскольку симисторы требуют значительно большего тока затвора для работы в квадранте 4, лучше всего использовать симистор только в квадрантах 1, 2 и 3.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *