Управление симистором: управление мощной нагрузкой на переменном токе

С целью коммутации нагрузок в цепях электрического тока хорошо применять симисторы, собой представляет разновидность тиристора, впрочем выделяющиеся от тиристора возможностью в открытом состоянии проводить ток двоих направленностей.

Управление нагрузкой симистором

Первые конструкции симисторов рассматривались уже в первой половине 60-ых годов XX века, тогда к примеру Мордовский научно-исследовательский электротехнический ВУЗ уже подал заявку на патент на симметричный тиристор (Патент SU 349356 A, Думаневич А.Н. и Евсеев Ю.А.), а General Electric занимались коммерческим внедрением того же изделия с названием «Triac» на Западе.

Управление нагрузкой симистором

В то время как у тиристора имеются четко некоторые катод, анод и управляющий электрод, у симистора катод и анод в процессе его работы меняются местами, в зависимости от направления тока в нынешний момент.
Несомненно, сигнал на управляющий электрод (затвор) симистора подается всегда относительно определенного условного катода, но ток через открытый симистор может течь в любом направлении, и в этом смысле симистор в открытом состоянии можно рассматривать как два диода, включенные встречно-параллельно.

Симистор отличается пятислойной структурой полупроводника. Эквивалентно намного точнее его можно представить в виде 2-ух триодных тиристоров, включённых встречно-параллельно, причем управляющий электрод, в отличии от тиристора, тут всего один.

Управление нагрузкой симистором

Чтобы управлять мощной нагрузкой, симистор, сродни выключателю, включают в цепь нагрузки постепенно. И вот тогда: в состоянии "закрыто" симистор закроется, нагрузка окажется обесточена, а при подаче отпирающего напряжения на управляющий электрод симистора, между ключевыми электродами симистора возникнет проводимость — через нагрузку потечет ток. Причем ток может течь через открытый симистор в любом направлении, не то что у тиристора.

Для удержания симистора в открытом состоянии нет надобности удерживать управляющий сигнал на управляющем электроде, нужно только подать сигнал, после этого ток установится и будет продолжать течь — в этом отличие симистора от транзистора. Когда же ток через симистор (через цепь нагрузки) станет ниже тока удержания (для электрического тока — в момент перехода тока через ноль), симистор закроется, и для его отпирания потребуется опять подать отпирающий сигнал на управляющий электрод.

Управление нагрузкой симистором

Полярность управляющего напряжения, подаваемого на управляющий электрод симистора, может либо быть отрицательной, либо совпадать с полярностью напряжения, приложенного к условному аноду. Из-за этой причины востребовано такое управление, когда управляющий сигнал подается прямо с условного анода через ограничительную цепь и выключатель, — просто задается ток достаточный для отпирания симистора.

Управление нагрузкой симистором

Из-за глубокой положительной обратной связи, к примеру при индуктивной нагрузке, большие скорости колебания напряжения или тока симистора приводят к несвоевременному отпиранию симистора, и к большой мгновенной мощности, которая будет быстро рассеяна на кристалле, и окажется способна разрушить его. Для защиты от вредных выбросов, параллельно симистору не во всех схемах ставят варистор, а для защиты от высоких значений dU/dt – используют RC-снабберы.

Использование симистора взамен реле:

Управление нагрузкой симистором

Симисторные регуляторы мощности для управления разными сильными нагрузками в цепях электрического тока очень пользуются большой популярностью сейчас. Такие регуляторы для ламп называются регуляторами освещения, а регуляторы для самых разнообразных инструментов, для коллекторных двигателей — просто симисторными регуляторами.

Схемы их очень компактны и просты, ведь на управляющий электрод симистора будет достаточно иногда подавать 0,7 вольт при токе порядка 10 мА, что легко реализовывается с помощью RC-цепочки, а в намного сложном виде — на базе ШИМ-контроллера, на том же 555 таймере.

Управление мощной нагрузкой

В работе часто появляется необходимость управлять с помощью цифровой схемы (к примеру, микроконтроллера) каким-то мощным электроприбором. Это может быть мощный светоизлучающий диод, потребляющий большой ток, или прибор, питающийся от электросети.

Рассмотрим стандартные решения данной задачи.

Виды управления

Можем считать, что нам необходимо лишь включать или отключать нагрузку с невысокой частотой. Части схем, решающие такую задачу, именуют ключами.

ШИМ-регуляторы, регуляторы света и другое рассматривать не будем (практически).
Условно можно отметить 3 группы методов:

  1. Управление нагрузкой постоянного тока.
    • Транзисторный ключ на биполярном транзисторе.
    • Транзисторный ключ на МОП-транзисторе (MOSFET).
    • Транзисторный ключ на IGBT.
    • Управление нагрузкой электрического тока.
      • Тиристорный ключ.
      • Симисторный ключ.
      • Многоцелевой метод.
        • Реле.

        Выбор способа управления зависит как от типа нагрузки, так и от варианта используемой цифровой логики. Если схема выстроена на ТТЛ-микросхемах, то необходимо не забывать, что они управляются током, в отличии от КМОП, где управление выполняется напряжением.

        Часто это важно.

        Ключ на биполярном транзисторе

        Самый простой ключ

        Самый простой ключ на биполярном транзисторе проводимости n-p-n выглядит так.

        Управление нагрузкой симистором

        Вход слева подсоединяется к цифровой схеме. Если у нас цифровая схема выстроена на основе КМОП-логики с двухтактным («push-pull») выходом, то закономерная «1» практически значит подключение этого входа к питанию, а закономерный «0» — к земля.
        Аналогичным 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, разумеется, ток очень большой), и ток сможет идти через переход коллектор — эмиттер, а это означает и через нагрузку.
        Резистор R1 играет существенную роль — он уменьшает ток через переход база — эмиттер. Если бы его не было, ток не был бы ничем ограниченный и просто испортил бы управляющую микросхему (ведь собственно она связует линию питания с транзистором).

        Самый большой ток через один выход микроконтроллера в большинстве случаев ограниченный значением около 25 мА (для STM32). На просторах интернета можно повстречать утверждения, что микроконтроллеры AVR могут выдержать ток в 200 мА, но это можно отнести ко всем выводам в сумме.

        Максимальное допустимое значение тока на один вывод приблизительно такое же — 20-40 мА.
        Это, кстати, значит, что подсоединять светоизлучающие диоды напрямую к выводам нельзя. Без токоограничивающих резисторов, микросхема просто сгорит, а с ними светоизлучающим диодам не хватит тока, чтобы освещать ярко.

        Стоит обратить внимание, что нагрузка (LOAD) подсоединена к коллектору, другими словами «сверху». Если подключить её «снизу», у нас появится несколько проблем.
        Допустим, мы хотим с помощью 5 В (стереотипное значение для цифровых схем) управлять нагрузкой в 12 В. Это означает, что на базе мы можем получить максимум 5 В. А с учитыванием падения напряжения на переходе база — эмиттер, на эмиттере будет напряжение ещё меньше.

        Если падение напряжения на переходе равно 0,7 В,то приобретаем, что на нагрузку Остаётся лишь 4,3 В, чего откровенно недостаточно. Если это, к примеру, реле, оно просто не сработает.

        Напряжение не может быть выше, иначе тока через базу совсем не будет. Наличие падения напряжения на нагрузке также приведёт к уменьшению тока через базу.
        Для расчёта сопротивления R1 необходимо припомнить соотношение для упрощённой модели транзистора:

        Показатель $\beta$ — это показатель усиления по току. Его ещё обозначают $h_<21э>$ или $h_$.

        У различных транзисторов он различный.
        Зная мощность нагрузки $P$ и напряжение питания $V$, можно найти ток коллектора, а из него и ток базы:

        Показатель $\beta$ не установленная величина, он может изменяться даже для одного транзистора в зависимости от рабочего режима, благодаря этому лучше всего взять значение тока базы при расчёте немножко побольше, чтобы был запас по току коллектора. Основное необходимо не забывать, что ток базы не должен быть больше предельно допустимое для микросхемы.
        Тоже очень важно во время выбора модели транзистора не забывать о предельном токе коллектора и напряжении коллектор — эмиттер.

        Ниже вот например приведены характеристики некоторых распространенных 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 подобраны нечаянно, просто это транзисторы, которые не проблема найти или откуда-то выпаять. Для ключа в рассматриваемой схеме, разумеется, можно применять любой n-p-n-транзистор, подходящий по показателям и цене.

        Доработка схемы

        Если вход схемы подключен к push-pull выходу, то особенной 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 необходимо добавить очередной резистор, выравнивающий напряжение между базой и эмиттером.

        Более того, необходимо помнить, что если нагрузка индуктивная, то обязательно необходим защитный диод. А дело все в том, что энергия, запасённая магнитным полем, не даёт быстро сделать меньше ток до нуля при отключении ключа. А это означает, на контактах нагрузки появится напряжение обратной полярности, которое запросто может нарушить работу схемы либо даже повредить её.

        Совет относительно защитного диода многоцелевой и одинаково относится и к прочим видам ключей.
        Если нагрузка резистивная, то диод не требуется.

        В конце концов улучшенная схема принимает следующий вид.

        Управление нагрузкой симистором

        Резистор R2 в большинстве случаев берут с сопротивлением, на порядок большим, чем сопротивление R1, чтобы интеллектуальный этими резисторами делитель не понижал очень сильно напряжение между базой и эмиттером.
        Для нагрузки в виде реле можно дополнить ещё несколько усовершенствований. Оно в большинстве случаев краткосрочно потребляет большой ток только в момент переключения, когда тратится энергия на замыкание контакта.

        В другое время ток через него можно (и необходимо) уменьшить резистором, так как удержание контакта требует меньше энергии.
        Для этого необходимо применить схему, приведённую ниже.

        Управление нагрузкой симистором

        В момент включения реле, пока конденсатор C1 не заряжен, через него идёт ключевой 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 выключения реле.
        Ёмкость C1 зависит от времени переключения реле.

        Можно взять, к примеру, 10 мкФ.
        С другой стороны, ёмкость будет лимитировать частоту переключения реле, хотя и на несущественную для практичных целей величину.

        Пример расчёта простой схемы

        Пускай, к примеру, требуется включать и отключать светоизлучающий диод при помощи микроконтроллера. Тогда схема управления станет смотреться так.

        Управление нагрузкой симистором

        Пускай напряжение питания равно 5 В.
        Характеристики (рабочий ток и падение напряжения) обычных светоизлучающих диодов диаметром 5 мм можно примерно оценить по таблице.

        Цвет $I_$ $V_$
        Красный 20 мА 1,9 В
        Зеленый 20 мА 2,3 В
        Жёлтый 20 мА 2,1 В
        Синий (яркий) 75 мА 3,6 В
        Белый (яркий) 75 мА 3,6 В

        Пускай применяется белый светоизлучающий диод. В качестве транзисторного ключа применяем КТ315Г — он подходит по самому большому току (100 мА) и напряжению (35 В). Можем считать, что его показатель передачи тока равён $\beta = 50$ (минимальное значение).

        Итак, если падение напряжения на диоде равно $V_ = 3<,>6\,В$, а напряжение насыщения транзистора $V_ = 0<,>4\,В$ то напряжение на резисторе R2 будет равно $V_ = 5<,>0 — 3<,>6 — 0<,>4 = 1\,В$. Для рабочего тока светоизлучающего диода $I_ = 0<,>075\,А$ приобретаем

        Значение сопротивление было округлено, чтобы попасть в ряд E12.
        Для тока $I_ = 0<,>075\,А$ управляющий ток должен быть в $\beta = 50$ раз меньше:

        Падение напряжения на переходе эмиттер — база примем равным $V_ = 0<,>7\,В$.
        Сопротивление округлялось в меньшую сторону, чтобы обеспечить запас по току.

        Аналогичным образом, мы нашли значения сопротивлений R1 и R2.

        Транзистор Дарлингтона

        Если нагрузка достаточно мощная, то ток через неё достигает нескольких ампер. Для мощных транзисторов показатель $\beta$ может быть недостаточным. (Тем более, как видно из таблицы, для мощных транзисторов он и так невысокий.)
        В данном варианте можно использовать каскад из 2-ух транзисторов.

        Первый транзистор управляет током, который открывает второй транзистор. Такая схема включения именуется схемой Дарлингтона.

        Управление нагрузкой симистором

        В данной схеме коэффициенты $\beta$ 2-ух транзисторов умножаются, что дает возможность получить слишком высокий коэффициент передачи тока.
        Для увеличения скорости выключения транзисторов можно у каждого объединить эмиттер и базу резистором.

        Управление нагрузкой симистором

        Сопротивления обязаны быть довольно большими, чтобы не оказывать влияние на ток база — эмиттер. Обычные значения — 5…10 кОм для стрессов 5…12 В.
        Выпускаются транзисторы Дарлингтона в виде отдельного прибора.

        Варианты подобных 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 аналогичный.

        Ключ на полевом транзисторе

        Самый простой ключ

        В последующем полевым транзистором мы будет именовать непосредственно MOSFET, другими словами полевые транзисторы с изолированным затвором (они же МОП, они же МДП). Они хороши 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 достаточно большое преимущество перед биполярными транзисторами, у которых ток течёт все время, пока открыт транзистор.

        Также в последующем мы будем применять исключительно n-канальные MOSFET (даже для двухтактных схем). Связывают это с тем, что n-канальные транзисторы доступнее и имеют прекрасные параметры.

        Самая простая схема ключа на MOSFET приведена ниже.

        Управление нагрузкой симистором

        Снова же, нагрузка подключена «сверху», к сливу. Если подключить её «снизу», то схема не заработает.

        А дело все в том, что транзистор открывается, если напряжение между затвором и истоком превосходит пороговое. При подключении «снизу» нагрузка будет давать дополнительное падение напряжения, и транзистор может не открыться или открыться не полностью.
        Не обращая внимания на то, что MOSFET управляется только напряжением и ток через затвор не идёт, затвор образовывает с подложкой паразитный конденсатор.

        Когда транзистор открывается или закрывается, этот конденсатор заряжается или разряжается через вход основной схемы. И если этот вход подключен к push-pull выходу микросхемы, через неё потечёт очень большой ток, который может вывести её из строя.

        При управлении типа push-pull схема разряда конденсатора образовывает, практически, RC-цепочку, в которой самый большой ток разряда будет равным
        где $то$ — напряжение, которым управляется транзистор.
        Аналогичным образом, довольно будет поставить резистор на 100 Ом, чтобы уменьшить ток заряда — разряда до 10 мА. Но чем больше сопротивление резистора, тем очень медленно он будет закрываться и открываться, так как неизменная времени $\tau = RC$ становится больше.

        Это важно, если транзистор часто переключается. К примеру, в ШИМ-регуляторе.
        Ключевые показатели, на которые необходимо обращать свое внимание — это пороговое напряжение $V_$, самый большой ток через слив $I_D$ и сопротивление слив — исток $R_$ у открытого транзистора.

        Ниже приведена таблица с примерами параметров МОП-транзисторов.

        Модель $V_$ $\max\ I_D$ $\max\ R_$
        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 $V_$ приведены самые большие значения. А дело все в том, что у различных транзисторов даже из одной партии этот показатель может намного отличаться. Однако если максимальное значение равно, скажем, 3 В, то этот транзистор гарантированно можно применять в цифровых схемах с напряжением питания 3,3 В или 5 В.

        Сопротивление слив — исток у приведённых моделей транзисторов достаточно небольшое, но необходимо не забывать, что при больших напряжениях управляемой нагрузки даже оно может привести к выделению существенной мощности в виде тепла.

        Схема ускоренного включения

        Как мы уже говорили, если напряжение на затворе относительно истока превосходит пороговое напряжение, то транзистор открывается и сопротивление слив — исток мало. Впрочем, напряжение при включении не может резко скакнуть до порогового.

        А при меньших значениях транзистор работает как сопротивление, рассеивая тепло. Если нагрузку приходится включать часто (к примеру, в ШИМ-контроллере), то лучше всего как можно скорее переводить транзистор из закрытого состояния в открытое и обратно.
        Относительная медлительность переключения транзистора связана снова же с паразитной ёмкостью затвора.

        Чтобы паразитный конденсатор зарядился как можно скорее, необходимо направить в него как можно больший ток. А так как у микроконтроллера есть ограничение на самый большой ток выходов, то направить этот ток можно при помощи дополнительного биполярного транзистора.
        Не считая заряда, паразитный конденсатор необходимо ещё и разряжать.

        Благодаря этому подходящей представляется двухтактная схема на комплементарных биполярных транзисторах (можно взять, к примеру, КТ3102 и КТ3107).

        Управление нагрузкой симистором

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

        Драйвер полевого транзистора

        Если всё таки требуется подсоединять нагрузку к n-канальному транзистору между сливом и землёй, то решение есть. Можно применять готовую микросхему — драйвер верхнего плеча. Верхнего — так как транзистор сверху.

        Выпускаются и драйверы сразу нижнего и верхнего плеч (к примеру, IR2151) для построения двухтактной схемы, однако для обычного включения нагрузки это не требуется. Это необходимо, если нагрузку не оставляйте «висеть в воздухе», а требуется обязательно натягивать к земля.

        Рассмотрим схему драйвера верхнего плеча на примере IR2117.

        Управление нагрузкой симистором

        Схема не очень непростая, а применение драйвера позволяет лучше всего применять транзистор.
        Очередной интересный класс полупроводниковых приборов, которые можно применять в качестве ключа — это биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT).

        Они в себе сочетают плюсы как МОП-, так и биполярных транзисторов: управляются напряжением, имеют большие значения предельно допустимых стрессов и токов.
        Управлять ключом на IGBT можно аналогично, как и ключом на MOSFET.

        В виду того, что IGBT используются больше в силовой электронике, они в большинстве случаев применяются одновременно с драйверами.
        Допустим, согласно даташиту, IR2117 можно применять для управления IGBT.

        Управление нагрузкой симистором

        Управление нагрузкой электрического тока

        Все предыдущие схемы отличало то, что нагрузка хотя и была мощной, но работала от постоянного тока. В схемах была чётко выраженные земля и линия питания (или 2 линии — для контроллера и нагрузки).

        Для цепей электрического тока необходимо применять иные подходы. Самые популярные — это применение тиристоров, симисторов и реле.

        Реле рассмотрим немного позднее, а пока побеседуем о первых 2-ух.

        Тиристоры и симисторы

        Тиристор — это полупроводниковый прибор, который может располагаться в 2-ух состояниях:

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

        Так как тиристор пропускает ток только в одном направлении, для выключения и включения нагрузки он подходит довольно плохо. Половину времени на каждый период электрического тока прибор простаивает.

        Но все таки, тиристор можно применять в диммере. Там его можно использовать для управления мощностью, отсекая от волны питания кусочек необходимой мощности.

        Симистор — это, практически двунаправленный тиристор. А это означает он дает возможность пропускать не полуволны, а полную волну напряжения питания нагрузки.

        Открыть симистор (или тиристор) можно двумя вариантами:

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

        Второй способ нам не подойдет, 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 говоря иначе ток удержания. Но так как питание организовано электрическим током, это автоматично случится по завершении полупериода.

        Во время выбора симистора важно взять во внимание величину электрического тока удержания ($I_H$). Если взять мощный симистор с высоким током удержания, ток через нагрузку может быть очень маленьким, и симистор просто не откроется.

        Симисторный ключ

        Для гальванической развязки цепей управления и питания лучше применять оптопару или специализированный симисторный драйвер. К примеру, MOC3023M или MOC3052.

        Эти оптопары состоят из инфракрасного светоизлучающего диода и фотосимистора. Этот фотосимистор можно применять для управления мощным симисторным ключом.
        В MOC3052 падение напряжения на светодиоде равно 3 В, а ток — 60 мА, благодаря этому при подключении к микроконтроллеру, возможно, нужно будет применять дополнительный транзисторный ключ.

        Встроенный симистор же рассчитывается на напряжение до 600 В и ток до 1 А. Этого хватит для управления сильными приборами для домашнего применения через второй силовой симистор.
        Рассмотрим схему управления резистивной нагрузкой (к примеру, лампой общего назначения).

        Управление нагрузкой симистором

        Аналогичным образом, эта оптопара находится в роли драйвера симистора.
        Есть и драйверы с детектором нуля — к примеру, MOC3061. Они переключаются лишь в начале периода, что уменьшает помехи в электрической сети.

        Резисторы R1 и R2 рассчитываются как в большинстве случаев. Сопротивление же резистора R3 определяется исходя из пикового напряжения в сети питания и отпирающего тока силового симистора. Если взять через чур большое — симистор не откроется, чрезмерно небольшое — ток будет течь зря.

        Резистор может понадобится мощный.
        Будет полезно напомнить, что 230 В в электрической сети (нынешний стандарт для России, Украины и множестве прочих стран) — это значение действующего напряжения.

        Пиковое напряжение равно $\sqrt2 \cdot 230 \approx 325\,В$.

        Управление индуктивной нагрузкой

        При управлении индуктивной нагрузкой, такой как электрический двигатель, или если есть наличие помех в сети напряжение может стать очень большим, чтобы симистор самопроизвольно открылся. Для борьбы с этим событием в схему следует прибавить снаббер — это сглаживающий конденсатор и резистор параллельно симистору.

        Управление нагрузкой симистором

        Снаббер не очень делает лучше ситуацию с выбросами, но с ним лучше, чем без него.
        Керамический конденсатор должен быть рассчитывается на напряжение, большее пикового в сети питания. Ещё один раз вспомним, что для 230 В — это 325 В. Лучше всего взять с запасом.

        Обычные значения: $C_1 = 0<,>01\,мкФ$, $R_4 = 33\,Ом$.
        Имеется еще модели симисторов, которым не требуется снаббер.

        К примеру, BTA06-600C.

        Варианты симисторов

        Варианты симисторов приведены в таблице, которую увидите ниже. Тут $I_H$ — ток удержания, $\max\ I_$ — самый большой ток, $\max\ V_$ — максимальное напряжение, $I_$ — отпирающий ток.

        Модель $I_H$ $\max\ I_$ $\max\ V_$ $I_$
        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 считается мощной нагрузкой, причём индуктивной. Благодаря этому для включения или выключения реле необходимо применять, к примеру, транзисторный ключ. Схема подсоединения и также улучшение данной схемы было рассмотрено раньше.

        Реле располагают к себе собственной обычностью и эффективностью. К примеру, реле HLS8-22F-5VDC — управляется напряжением 5 В и способно коммутировать нагрузку, потребляющую ток до 15 А.

        Твердотельные реле

        Важное преимущество реле — простота применения — омрачается несколькими минусами:

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

        Часть данных недостатков устранена в называемых по другому твердотельных реле. Это, практически, полупроводниковые приборы с гальванической развязкой, содержащие в середине полную схему мощного ключа.

        Заключение

        Аналогичным образом, в арсенале у нас достаточно вариантов управления нагрузкой, чтобы решить фактически любую задачу, которая может появиться перед радиолюбителем.

        Полезные источники

        Редактор схем

        Все схемы изображены в KiCAD. Сейчас для собственных проектов применяю собственно его, довольно удобно, советую.

        С его помощью не только можно чертить схемы, но и проектировать монтажные платы.

        Управление симисторами в схемах на микроконтроллере

        Симистор («триак» по терминологии, принятой в Америке) — это двунаправленный симметричный тиристор. Симисторы довольно удобны для систем основного регулирования в цепях электрического тока. Как последствие, они фактически вытеснили тиристоры из домашней техники (машины стиральные, пылесосы и т.д.).

        У симистора нет анода и катода. Его три вывода называются: УЭ (управляющий электрод), СЭУ (силовой электрод, размещенный ближе к УЭ), СЭ (силовой электрод у самого основания прибора) [2-197]. Есть также подобные заграничные названия, принятые в триаках, исходя из этого, «G» (Gate — затвор), «Т1» (Main Terminal 1) и «Т2» (Main Terminal 2).

        Симистор, в зависимости от конструкции, может открываться как позитивными, так и негативными импульсами на выводе УЭ. Ветки ВАХ симметрические, благодаря этому ток через силовые электроды может быть и втекающим, и вытекающим. В итоге, отличают 4-ре рабочего режима в квадрантах 1…4 (Рис.

        2.105).

        Управление нагрузкой симистором

        Рис. 2.105. Рабочие режимы симисторов (триаков).

        Первыми были разработаны четырёх квадрантные симисторы или, по-иному, 4Q-TpnaKM. Они просят для правильной работы введения в схему демпферных ЛС-цепочек (100 Ом, 0.1 МК Ф), которые ставятся параллельно силовым электродам СЭУ и СЭ. Этим простым способом уменьшается скорость нарастания напряжения через симистор и убираются ложные срабатывания при очень высокой температуре и существенной индуктивной или ёмкостной нагрузке.

        Технологичные достижения заключительного времени дали возможность создать трёхквадрантные симисторы или, по-иному, 3Q триаки. Они, в отличии от симисторов «4Q», работают в трёх из четырёх квадрантов и не просят ЯС-цепочек. Стандартные параметры 3Q-TpnaKOB Hi-Com BTA208…225 фирмы Philips: максимальное коммутируемое напряжение 600…800 В, ток силовой части 8…25 А, ток отпирания затвора (УЭ) 2…50 мА, маленького SMD-корпус.

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

        Некоторые замечания. Типы перечисленных на схемах симисторов однообразны, по большей части КУ208х, BTxxx, MACxxx. Это сделано специально, чтобы внимание обратить на схемотехнике низковольтной управляющей части, так как она ближе всего к MK.

        В работе можно применять и остальные типы симисторов, следя за их выходной мощностью и амплитудой управляющего тока.
        Демпферные цепочки в силовой части на схемах, в основном, отсутствуют. Это упрощение, чтобы не захламлять рисунки, так как предполагается, что сопротивление нагрузки RH носит чисто активный характер.

        В реальности демпфирование нужно для 4Q-триаков, если нагрузка имеет существенную индуктивную или ёмкостную составляющую.

        Рис. 2.106.

        Схемы подсоединения симисторов к MK без гальванической изоляции (начало):
        а) Большой уровень на выходе МК открывает транзистор VT1, через который включается симистор VS1. Варистор RU1 оберегает симистор от всплесков напряжения, начав с порога 470 В (разброс 423…517 В).

        Это важно при индуктивном характере нагрузки jRH;
        б) подобно Рис. 2.106, а, но со второй полярностью сигнала на выходе MK и с транзистором VT1 другой структуры, который создает роль преобразователя напряжения напряжения.

        Благодаря низкому сопротивлению резистора R2, увеличивается помехоусточивость. Сопротивление резистора R2 подбирается по тем же показателям, что и для схем на тиристорах;

        Рис. 2.106.

        Схемы подсоединения симисторов к MK без гальванической изоляции (завершение):
        в) высоковольтный транзистор ГУ2замыкаетдиагональдиодного моста VD1 при Невысоком уровне на линии MK. Транзистор VT1 в момент рестарта MK будет в открытом состоянии из-за резистора R1, при этом симистор VS1 закрывается и ток через нагрузку RH не течет;
        г) прямое управление симистором VS1 с нескольких либо одного выходов MK.

        Запараллеливание линий используются при недостаточном токе управления (показано пунктиром). Ток через нагрузку RH не больше 150 мА.

        Потенциальные замены: VS1 — MAC97A8, VD2— KC147A.

        Управление нагрузкой симистором

        а) симистор VS1 включается/отключается если есть наличие/отсутствии импульсов 50…100 кГц, генерируемых с выхода MK. Изолирующий преобразователь электрической энергии T1 накручивается на кольце из феррита N30 и содержит в обмотке I — 15 витков, в обмотке II — 45 витков провода ПЭВ-0.2;
        б) обычная схема трансформаторной развязки.

        Симистор VS1 включается короткими импульсами с выхода MK. Ток управления зависит от коэффициента трансформации 77;

        Управление нагрузкой симистором

        Рис. 2.107. Схемы гальванической изоляции МК от симисторов (продолжение):
        в) разделительный преобразователь электрической энергии T1 накручивается на ферритовом кольце M1000HM размерами K20xl2x6 и содержит в обмотке I — 60 витков, в обмотке II — 120 витков провода ПЭВ-0.2.

        Цепочка R3, C1 копит энергию для импульсной коммутации транзистора K77;
        г) если не требуется частое включение/выключение нагрузки, то для гальванической развязки можно применять реле K1. Его контакты должны держать без пробоя переменое напряжение 220 В. Не во всех схемах токоограничивающий резистор R3 закорачивают;
        д) контакты геркона SF1 замыкаются при протечке тока через катушку индуктивности L1, которая намотана на его корпус. Положительное качество — сверхбольшое сопротивление изоляции;
        е) гальваническая развязка на транзисторной оптопаре VU1.

        Резистор R3 увеличивает помехоустойчивость, но может отсутствовать. Резистор Я2определяет порог открытия транзистора VT1.

        Во время использования симисторов КУ208, TC106-10 сопротивление резистора Я2делают меньше до 30…75 кОм;

        Управление нагрузкой симистором

        ж) симистором VS1 управляет драйвер DA1 (по-старому, КР1182ПМ1), который обеспечивает плавное изменение тока в нагрузке RH в зависимости от напряжения на конденсаторе C1. Если транзистор оптопары W/закрыт, то конденсатор С1 заряжается от внутреннего ИОН микросхемы DA1 и в нагрузке ставится максимальное напряжение. Резистор R4 может отсутствовать если есть наличие резистора R3.

        Резистор R3 можно закоротить если есть наличие резистора R4\
        з) гальваническая развязка на опторезисторе VU1. Резистором R1 выбирается ток через своизлучатель VU1 и, исходя из этого, ток управления симистором VS1;
        и) использование 2-ух оптотиристоров VU1, УУ2щ\я коммутации симистора VS1 в любой пупериод сетевого напряжения. Резистор Л2уменьшает ток управления симистора;
        к) питание входа УЭ симистора VS1 выполняется от индивидуальной низковольтной обмотки промышленного блока питания T1ТПП235-220/110-50;
        л) использование оптотиристора VU1 для управления симистором VS1 (замена КУ208Д1).

        Из 2-ух токоограничивающих резисторов R2, R3 в большинстве случаев оставляют один, второй замыкают перемычкой. Замена VD1 — мост КЦ407А или 4-ре некоторых диода КД226.
        Источник: Рюмик, С. М., 1000 и одна микроконтроллерная схема.

        Вып. 2 / С. М. Рюмик. — М.:ЛР Додэка-ХХ1, 2011. — 400 с.: ил. + CD. — (Серия «Программируемые системы»).