Управление тиристорами оптопарой: Простое управление тиристором » Журнал практической электроники Датагор (Datagor Practical Electronics Magazine)

Содержание

Простое управление тиристором » Журнал практической электроники Датагор (Datagor Practical Electronics Magazine)

Предлагаю для любителей схемку, которую «открыл» (для себя) сам.
Случилось это, когда искал возможность плавно регулировать (через тиристор) яркость ламп накаливания. Применения: Цветомузыка, плавно включить/выключить свет в помещении (круто и лампы реже перегорают), мощность на паяльнике, позже появилась мысль использовать в зарядном устройстве для автомобильных АКБ. При простой схеме ведёт себя как довольно сложные с фазоимпульсным управлением тиристором. Позже, уже имея осцилограф, понял как примерно она работает. Естественно, делюсь мнением.
Зависимость яркости лампы от напряжения на входе примерно такая:
Это было то, что мне нужно.

Думаю, что изменением R1 можно пропорционально изменить U упр, при котором достигается максимальная яркость (уменьшить этот порог меньше 2...3 Вольт не получится, но я и не пробовал). R2 стоит на всякий случай, чтобы уменьшить рассеиваемую на транзисторе мощность (где-то видел и решил что надо).

От транзистора требуется выдержать максимальное приложенное к нему напряжение, в моём случае более 300V. От диода тоже, а нужен он в случае, если на аноде тиристора возможно отрицательное напряжение.

Рассмотрим работу этого «открытия». Если управляющее напряжение менее 1V – всё закрыто. Лампа не горит. В других случаях: когда начинается положительный полупериод сети, начинает заряжаться и конденсатор через цепь управления. Потенциал на управляющем электроде тиристора будет повторять потенциал на верхней обкладке конденсатора, но со сдвигом 0.6V вниз. При достижении порога открывания тиристора он и откроется. Напряжение на коллекторе транзистора станет меньше, чем на эмитере, и усиливать ток базы он уже не будет. Ток базы станет равен току эмитера (в 20...50 раз больше, чем был до открывания тиристора). Конденсатор, вследствие этого, начнёт разряжаться, напряжение на нём падать до уровня ниже уровня запуска тиристора и будет таким, пока не закроется тиристор. А закроется он при прохождении напряжения сети через ноль. Затем всё начнётся заново. И чем больше будет управляющее напряжение, тем ближе к началу полупериода откроется тиристор, ярче будет гореть лампа. Вот и всё.

Несколько наблюдений: для ламп до 100 ватт – радиатор под тиристор необязателен, при двух- и при одно-полупериодном применении ничего менять не надо (выпрямитель, конечно, нужен), подойдут тиристоры с током запуска, отличающимся не более чем в два раза в большую или меньшую сторону по сравнению с КУ 202 (КУ201, более современные с током анода 5...25А), для одно-полупериодного применения пойдут и симисторы с током анода 5...30А без других изменений. Я нигде не ставил радиатор транзистору (не грелся), ток управления тиристором должен быть не более 10 mA (не замерял), следовательно транзистор и диод на 100 mA дадут достаточную надёжность.

Мне это кажется таким простым, что даже не знаю, о чём ещё писать.
Постараюсь позже представить Вашему вниманию пару применений данной идеи.
И ещё: дико извиняюсь если всем это давно известно.

Камрад, рассмотри датагорские рекомендации

🌻 Купон до 1000₽ для новичка на Aliexpress

Никогда не затаривался у китайцев? Пришло время начать!
Камрад, регистрируйся на Али по нашей ссылке. Ты получишь скидочный купон на первый заказ. Не тяни, условия акции меняются.

🌼 Полезные и проверенные железяки, можно брать

Куплено и опробовано читателями или в лаборатории редакции.

 

Управление мощной нагрузкой переменного тока

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

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

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

Симистор BT139
Схема включения из даташита на MOC3041

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

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

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

Но тут есть одна тонкость — коммутируем мы силовую высоковольтную цепь, 220 вольт. А контроллер у нас низковольтный, работает на пять вольт. Поэтому во избежание эксцессов нужно произвести потенциальную развязку. То есть сделать так, чтобы между высоковольтной и низковольтной частью не было прямого электрического соединения. Например, сделать оптическое разделение. Для этого существует специальная сборка — симисторный оптодрайвер

MOC3041. Замечательная вещь!
Смотри на схему подключения — всего несколько дополнительных деталек и у тебя силовая и управляющая часть разделены между собой. Главное, чтобы напряжение на которое расчитан конденсатор было раза в полтора два выше напряжения в розетке. Можно не боятся помех по питанию при включении и выключении симистора. В самом оптодрайвере сигнал подается светодиодом, а значит можно смело зажигать его от ножки микроконтроллера без всяких дополнительных ухищрений.

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

Ну, а в качестве симистора рекомендую BT139 — с хорошим радиатором данная фиговина легко протащит через себя ток в 16А

Энергетическое образование

8.

Выходные устройства ПЛК

Выходные устройства предназначены для передачи выходного управляющего сигнала на исполнительные механизмы либо для передачи данных на регистрирующее устройство.

Выходные устройства дискретного (ключевого) типа

К выходным устройствам дискретного (ключевого) типа относятся:

  • электромагнитное реле;
  • транзисторная оптопара;
  • симисторная оптопара;
  • выход для управления внешним твердотельным реле.

Выходное устройство ключевого типа используется для управления (включения/выключения) нагрузкой либо непосредственно, либо через более мощные управляющие элементы, такие как пускатели, твердотельные реле, тиристоры или симисторы.

Цепи ключевых выходных устройств имеют гальваническую изоляцию от схемы прибора. Исключение составляет выход «Т» для управления внешним твердотельным реле. В этом случае гальваническую изоляцию обеспечивает само твердотельное реле.

Транзисторная оптопара (выход «К»). Транзисторная оптопара применяется, как правило, для управления низковольтным электромагнитным или твердотельным реле (до 60 В постоянного тока). Во избежание выхода из строя транзистора из-за большого тока самоиндукции параллельно обмотке реле Р1 необходимо устанавливать диод VD1, рассчитанный на ток 1 А и напряжение 100 В.

Транзисторная оптопара (выход «К»).

Симисторная оптопара (выход «С»). Оптосимистор включается в цепь управления мощного симистора через ограничивающий резистор R1. Значение сопротивления резистора определяет величина тока управления симистора.

Симисторная оптопара (выход «С»).

Оптосимистор может также управлять парой встречно-параллельно включенных тиристоров VS1 и VS2. Для предотвращения пробоя тиристоров из-за высоковольтных скачков напряжения в сети к их выводам рекомендуется подключать фильтрующую RC-цепочку (R2 C1). Оптосимистор имеет встроенное устройство перехода через ноль и поэтому обеспечивает полное открытие подключаемых тиристоров без применения дополнительных устройств.

Оптосимистор.

Выход «Т» для управления твердотельным реле. Выход «Т» для управления твердотельным реле выполнен на основе транзисторного ключа n–p–n типа, который имеет два состояния: низкий логический уровень соответствует напряжениям 0...1 В, высокий уровень – напряжениям 4...6 В. Выход «Т» используется для подключения твердотельного реле, рассчитанного на управление постоянным напряжением 4...6 В с током управления не более 100 мА. Внутри выходного элемента устанавливается ограничительный резистор Rогр номиналом 100 Ом.

Выход «Т» для управления твердотельным реле.

Выходное устройство аналогового типа

Выходное устройство аналогового типа – это цифроаналоговый преобразователь, который формирует токовую петлю 4…20 мА или напряжение 0…10 В и, как правило, используется для управления электронными регуляторами мощности.

Цепи аналоговых выходных устройств имеют гальваническую изоляцию от схемы прибора.

ЦАП 4...20 мА (выход «И»). Для работы ЦАП 4...20 мА используется внешний источник питания постоянного тока, номинальное значение напряжения $U_п$ которого рассчитывается следующим образом:

$$U_{п.min} где $U_{п.min}$ и $U_{п.max}$ – минимально и максимально допустимое напряжения питания, соответственно, В; $R_н$ – сопротивление нагрузки ЦАП, Ом.

Если по какой-либо причине напряжение источника питания ЦАП, находящегося в распоряжении пользователя, превышает расчетное значение $U_{п.max}$, то последовательно с нагрузкой необходимо включить ограничительный резистор, сопротивление которого Rогр рассчитывается по формулам:

$$R_{огр.min} где $R_{огр}$, $R_{огр.min}$ и $R_{огр.max}$ – номинальное, минимально и максимально допустимое значения сопротивления ограничительного резистора, соответственно, Ом; $I_{ЦАП.max}$ – максимальный выходной ток ЦАП, мА.

Напряжение источника питания ЦАП 4...20 мА обычно не должно превышать 36 В.

ЦАП 4...20 мА (выход «И»). ЦАП 4...20 мА (выход «И») с ограничительным резистором.

ЦАП 0...10 В (выход «У»). Для работы ЦАП 0...10 В используется внешний источник питания постоянного тока, номинальное значение напряжения которого $U_п$ находится в диапазоне 15...32 В. Сопротивление нагрузки $R_н$, подключаемой к ЦАП, должно быть не менее 2 кОм.

Напряжение источника питания ЦАП 0...10 В обычно не должно превышать 36 В.

ЦАП 0...10 В (выход «У»).

Технические характеристики выходных устройств представлены в таблице ниже

Обозначение Тип выходного устройства (ВУ) Электрические характеристики
Р электромагнитное реле максимальный ток нагрузки – 1 А для ПИД-регулирования, 8 А для сигнализации при напряжении 220 В 50. ..60 Гц или 30 В пост. тока
К транзисторная оптопара структуры n–p–n типа максимальный ток нагрузки – 400 мА при напряжении 60 В постоянного тока
С симисторная оптопара максимальный ток нагрузки – 50 мА при напряжении до 240 В(в импульсном режиме частотой 50 Гц с длительностью импульса не более 5 мс - до 0.5 А)
И цифроаналоговый преобразователь «параметр – ток 4…20 мА» номинальное сопротивление нагрузки – 0…1000 Ом, напряжение питания 10...30 В пост. тока
У цифроаналоговый преобразователь «параметр – напряжение 0…10 В» номинальное сопротивление нагрузки – не менее 2 кОм, напряжение питания 15...32 В
Т выход для управления твердотельным реле выходное напряжение 4...6 В, максимальный выходной ток 50 мА

Тиристорные оптопары

ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА

В тиристорных оптопарах в качестве приемного элемента используется кремниевый фото­тиристор. Семейство ВАХ фототиристорного оптрона приведено на рис. 7.13.

Фототиристор так же, как обычный тиристор имеет четырехслойную структуру р-п-р-п. Конструктивно оптопара выполнена так, что основная часть излучения входного диода на­правлена на высокоомную базовую область п фоторезистора. К крайним областям — аноду р и катоду п прикладывается внешнее выходное напряжение «плюсом» к аноду. При облу­чении в «-базе генерируются пары носителей заряда — электронов и дырок. Электрическим полем центрального (коллекторного) перехода между п - и р-областями носители заряда раз­деляются. При этом электроны остаются в я-базе, а дырки попадают в р-базу. Происходит инжекция неосновных носителей заряда из крайних переходов структуры, называемых эмиттерными. Лавинообразное нарастание тока через структуру приводит к «отмиранию»

Фототиристор так же, как и фототранзистор обладает большим внутренним усилением фототока. В отличие от фототранзистора, включенное состояние фототиристора сохраняет­ся и при прекращении излучения входного диода. Таким образом, управляющий сигнал на тиристорную оптопару может подаваться только в течение небольшого времени, необходи­мого для отпирания тиристора. Этим достигается существенное уменьшение энергии, тре­буемой для управления тиристорной оптопарой.

Тиристора. Все три перехода оказываются смещенными в прямом направлении, и падение напряжения на фототиристоре в отпертом состоянии получается малым.

Рис. 7.13. Семейство вольт-амперных характеристик фототиристорного оптрона

Чтобы запереть тиристор, с него следует снять внешнее напряжение. Если тиристор включается в цепь переменного или пульсирующего напряжения, то выключение тиристора происходит при уменьшении напряжения и тока через тиристор до значения, при котором не может поддерживаться включенное состояние прибора.

При отсутствии входного сигнала, что соответствует необлученному состоянию базо­вой «-области, через фототиристор протекает малый темновой ток утечки. Темновой ток сильно зависит от температуры. При повышении температуры на 10°С ток примерно уд­ваивается.

Тиристорные оптопары используются в качестве ключей для коммутации больших токов и высоковольтных цепей как радиоэлектронного ([/=50...600 В, / = 0,1...10,0 А), так и электрохимического ((/= 100... 1300 В, /= 6...320 А) назначения.

Времена переключения тиристорных оптопар находятся в интервале от десятков микро­секунд до десятков миллисекунд.

Важным достоинством этих приборов является то, что, управляя значительными мощностями в нагрузке, они потребляют малую мощность цепями управления и поэтому совместимы по входу с интегральными микросхемами.

Тесты

7.1. Что называется оптроном:

А) прибор, использующий преобразование электрической энергии в оптическую;

Б) прибор, использующий преобразование оптической энергии в электрическую;

В) прибор, использующий преобразование электрической энергии в оптическую и оптической энергии в электрическую;

Г) прибор, использующий излучатель и фотоприемник не связанные между собой?

7. 2. Используя рис. 1, выберите, какое преобразование реализуется узлом оптрона, соответствующим номеру 4:

А) преобразование электрического сигнала в электрический;

Б) преобразование электрического сигнала в оптический;

В) преобразование оптического сигнала в электрический;

Г) преобразование оптического сигнала в оптический.

3

Рис. 1

7.3. Используя рис. 1, выберите, какое преобразование реализуется узлом оптрона, соответствующий номеру 2:

А) преобразование электрического сигнала в электрический;

Б) преобразование электрического сигнала в оптический;

В) преобразование оптического сигнала в электрический;

Г) преобразование оптического сигнала в оптический.

7.4. Какие известные оптроны могут обладать коэффициентом перелачи превышающим единицу:

А) диодные;

Б) диодно-резисторные;

В) диодно-транзисторные;

Г) тиристорные.

7.5. Какая емкость характеризует работу СИД при прямом включении (рис. 2):

А)Сд1; б) Сдг; в)Сб|; г)Спр?

7.6. Какая емкость характеризует работу ФД при прямом включении (рис. 2):

А) Сд,; б) Сдг; в) С6|; г) Спр?

7.7. Укажите номер, который указывает на корпус СИД (рис. 3).

7.8. Используя рис. 3, укажите номер, который указывает на корпус ФД.

7.9. Используя рис. 3, укажите номер, который указывает на световод.

7.10. Используя рис. 3, укажите номер, который указывает на фотоприемник.

Тепловизионные камеры. Тепловизоры testo - полупроводниковые приборы, наделённые возможностью наблюдать тепловое либо световое излучение. Тепловизор flir на собственном мониторе изображает оранжевыми, красными и желтыми цветами объекты, источающие тепло, но прохладные …

А, Механический эквивалент света К Постоянная Больцмана В Сииий свет К, Коэффициент передачи по току С Скорость света в свободном простран­ Ку Коэффициент световой эффективности Стве Коэффициент усиления лазера Ся …

А Номинальная числовая апертура Мэв Монохроматическая АВС Активный волоконный световод Электромагнитная волна АИМ Амплитудно-импульсная Нжк Нематические жидкие кристаллы Модуляция Ов Оптическое волокно АПП Абсолютный показатель ОЗУ Оперативное запоминающее Преломления Устройство …

Схема управления симистором через оптрон

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

Определение

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

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

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

Основные характеристики

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

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

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

Обратное напряжение (VR(PM) или Uобр).

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

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

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

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

Постоянное отпирающее напряжение управления (VGT или UУ).

Ток управления (IGT).

Максимальный ток управления электрода IGM.

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

Принцип работы

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

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

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

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

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

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

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

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

Распространенные схемы управления тиристорами или симисторами

Самой распространенной схемой является симисторный или тиристорный регулятор.

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

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

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

Симисторный регулятор без диодного моста позволяет управлять двумя полуволнами.

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

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

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

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

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

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

Заключение

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

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

Определение

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

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

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

Основные характеристики

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

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

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

Обратное напряжение (VR(PM) или Uобр).

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

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

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

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

Постоянное отпирающее напряжение управления (VGT или UУ).

Ток управления (IGT).

Максимальный ток управления электрода IGM.

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

Принцип работы

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

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

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

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

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

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

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

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

Распространенные схемы управления тиристорами или симисторами

Самой распространенной схемой является симисторный или тиристорный регулятор.

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

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

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

Симисторный регулятор без диодного моста позволяет управлять двумя полуволнами.

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

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

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

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

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

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

Заключение

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

Коммутация сетевого напряжения с помощью симисторов
Андрей Шарый, Черниговская обл, с.Кувечичи. E-mail andr (at) chspu.edu.ua

В радиолюбительской практике довольно часто приходится сталкиваться с проблемой коммутации сетевого переменного напряжения. Ранее для включения и выключения сетевой нагрузки использовались электромагнитные реле, но как показало время — это не самый надежный способ: контакты реле очень подвержены износу, особенно при использовании в цепях переменного тока и особенно с индуктивной нагрузкой. Тем более, для включения мощных потребителей нужны крупногабаритные реле с существенным управляющим током в обмотке.

К счастью, современная элементная база позволяет обойтись только полупроводниковыми приборами, не используя электро-механических. Итак, разнообразные сетевые нагрузки очень удобно коммутировать с помощью симисторов. Эти полупроводниковые приборы позволяют под действием управляющих мощностей порядка 40-50 мВт коммутировать сетевую нагрузку до десятков киловатт (в зависимости от типа прибора). Далее рассмотрим наиболее удобные схемотехнические решения управления симисторами. Общие принципы управления симистором примерно такие же, как и для обычных тиристоров: если через управляющий электрод в катод тиристора протекает постоянный ток величиной единицы-десятки миллиампер, то как только между анодом и катодом тиристора возникнет разность потенциалов около 1.2-1.5В, он открывается и пребывает в открытом состоянии до тех пор, пока ток через него не уменьшиться практически до нуля (точнее до тока удержания).

Симистор открыть чуть сложнее, так как полярность управляющего напряжения относительно "катода" (не соединенного с корпусом вывода) должна быть такой же, как и полярность напряжения на аноде (корпусе) прибора. Следовательно, если симистор используется для коммутации переменного сетевого напряжения, то управляющее устройство должно уметь выдавать переменное управляющее напряжение, что при использовании управляющих устройств на логических ИМС довольно проблематично. Один из вариантов решения этой проблемы — использование оптрона. Ток через светодиод оптрона может быть все время одного и того же направления, а направление тока через фоторезистор будет меняться при каждом полупериоде сетевого напряжения, обеспечивая открывание симистора. Если же оптрон диодный или транзисторный, то их надо использовать два для управления одним симистором.


Рисунок 1. Управление симистором с помощью оптрона.

Не могу не упомянуть также о оптотиристорах. В одном корпусе находится тиристор и светодиод. Но, к сожалению, оптросимисторов почему-то не делают, а ведь это фактически "буржуйское" твердотельное реле — идеальный прибор для коммутации сетевого напряжения. Итак, используя оптотиристоры тоже довольно легко можно коммутировать сетевое напряжение (Рис. 2)


Рисунок 2. Коммутация сетевого напряжения с использованием оптотиристоров.

Симистором можно управлять и импульсами: управляющее напряжение присутствует на управляющем электроде только 5-50 мкс, в момент начала роста сетевого напряжения после прохождения через 0. Более того, изменяя временнОе положение управляющего импульса в пределах 0-10 мс относительно начала каждого полупериода можно регулировать мощность, отдаваемую в нагрузку в пределах от 100 до 0 процентов. Импульсное управление позволяет также сделать устройство управления более экономичным, а применение при этом еще и импульсных трансформаторов позволит гальванически развязать сеть и устройство управления. Применение трансформаторов имеет еще одно преимущество: за счет бросков самоиндукции под действием однополярного импульса формируется короткий пакет быстро затухающих разнополярных, естественно, колебаний, легко открывающих любой симистор. Если конструируемое устройство не предназначено для регулирования мощности, а должно только включать/выключать сетевую нагрузку, то управляющие импульсы можно и не синхронизировать с прохождением сетевого напряжения через 0. Достаточно только подавать их на управляющий электрод симистора с достаточно высокой частотой, чтобы при самых неблагоприятных условиях напряжение на закрытом симисторе не успевало вырасти более чем до нескольких вольт до прихода управляющего импульса. При таком способе управления, как ни странно, уровень помех наводимых в сеть, значительно меньше, чем при синхронизированном управлении. Практическая схема ключа сетевого напряжения, где использован описанный выше принцип подана на рисунке 3.


Рисунок 3. Принципиальная схема симисторного выключателя с импульсным управлением.

Трансформатор T1 выполняется на ферритовом кольце 1000-2000 НМ размером К10*6*4 и содержит две одинаковые обмотки примерно по 50 витков каждая. Провод для намотки в эмалевой изоляции диаметром 0.1-0. 2 мм. Взаимная изоляция обмоток очень тщательная! Фазировка обмоток безразлична, так как благодаря диоду VD2 на вторичной обмотке наводятся разнополярные импульсы. Подбирая резистор R2 регулируют длительность управляющего импульса. Чем она меньше, тем меньше ток потребления управляющего устройства, но при очень коротком импульсе не все тиристоры успевают открываться, потому, если нужна повышенная экономичность, R2 придется подбирать на границе четкого открывания симистора. Можно добиться снижения потребляемого системой управления тока менее 10 мА, что очень удобно в случае применения источников питания с емкостным балластом.
Используя показанную на рис.3 схему управления сетевую нагрузку можно включать и с помощью пары обычных тиристоров, надо только трансформатор дополнить еще одной такой же обмоткой, а симистор заменить тиристорами, как на рисунке 4. Можно также применить один тиристор, но включить его в диагональ диодного моста соответствующей мощности.


Рисунок 4. Замена симистора.

Сейчас для радиолюбителей стали доступны многие электронные компоненты зарубежного производства. Есть среди них и симисторы, прекрасно подходящие для включения/выключения сетевых нагрузок. Наиболее доступными и распространенными на сегодня являются симисторы (triacs) производства Philips типов BT134-500 и BT136-500. Эти приборы выполнены в пластмассовых корпусах: BT134 — как у транзисторов КТ815, но без отверстия, а BT136 — как у транзисторов КТ805, с крепежным фланцем. По сведениям продавцов BT134 рассчитан на ток 6А, а BT136 — 12А, но на многих сайтах можно увидеть, что оба симистора рассчитаны на силу тока не более 4А и выдерживают напряжение 500 В в закрытом состоянии. К сожалению, автор не смог просмотреть документацию с сайта Philips, так как там все документы PDF, а просмотрщика для последних версий под ДОС нету. Отличительной особенностью названных симисторов являются не столько их малые размеры (такие же корпуса имеют отечественные ТС106-10-. в пластмассе), сколько способ управления ими: эти симисторы открываются управляющим напряжением отрицательной по отношению к "катоду" полярности при любом направлении тока через симистор. А это позволяет отказаться от применения оптронов и согласующих импульсных трансформаторов. Практическая схема выключателя вместе с конденсаторным блоком питания показана на рисунке 5.


Рисунок 5. Принципиальная схема выключателя с использованием импортных симисторов.

Ток потребления устройства управления в "выключенном" состоянии — 1.2 мА, а во "включенном" — 5 мА, что позволило применить в блоке питания совсем маленький конденсатор 0.2 мкФ 400 В. Устройство (рис.5) — это фактически основа для многих электронных устройств, ведь на трех свободных логических элементах DD1 можно собрать много интересных вещей. На рисунке 6(a) показана схема мигалки, 6(b) — фотореле, 6(с) — автомата для включения/выключения насоса при касании сенсора E1 поверхности воды, 6(d) — реле времени. Довольно несложно реализовать сенсорный выключатель (рис.7).


Рисунок 6. Конструкции на логических элементах ИМС К561ТЛ1.


Рисунок 7. Принципиальная схема сенсорного выключателя.

Правда, при построении на логических элементах генераторов, при использовании световой индикации потребляемый ток может возрасти, и тогда емкость С1 придется увеличивать. Необходимую емкость подобрать довольно просто: во всех рабочих режимах устройства измеряют ток через стабилитрон, он должен быть не менее 1-2 мА и не более 30 мА. Наиболее часто емкость С1 используется 0.47 или 0.68 мкФ*400В. Мощность нагрузки, коммутируемой устройствами, рассмотренными в этой статье, зависит только от типа симистора (тиристоров) и толщины проводов 🙂 см. таблицу 1.

Таблица 1. Допустимая мощность нагрузки для разных типов симисторов и тиристоров.

В таблице также даны ориентировочные размеры теплоотводов. Вообще, учитывая падение напряжения на открытом симисторе, которое равно примерно 1 В, можно полагать, что мощность, рассеиваемая на симисторе численно равна току, проходящему через него. Для рассеивания такой мощности нужен теплоотвод такой же площади, как квадратная пластина, со стороной, численно равной в сантиметрах рассеиваемой мощности. В статье не приводятся данные и схемы касающиеся использования симисторов КУ208Г. Это не случайно, так как эти симисторы показали себя с наихудшей стороны и надежно не работали ни в одном устройстве. Многие образцы КУ208Г разных лет выпусков имели недопустимо большой ток в закрытом состоянии, и после длительного пребывания под напряжением именно в закрытом состоянии сильно разогревались и после наступал пробой. Может их как-то по особому включать надо? Считаю своим долгом также напомнить радиолюбителям о электробезопасности, так как многие из приведенных схем имеют гальваническую связь с сетью! Не испытывайте судьбу и отключайте от сети устройства, прежде чем лезть в них с паяльником.

Прерыватели переменного тока: принцип работы, схемы,управление

В прерывателях переменного тока обычно используются незапираемые тиристоры или симисторы.

Изменение полярности напряжения питающей сети обеспечивает выключение таких силовых приборов при уменьшении их токов до нуля. Таким образом, их недостаток, состоящий в том, что выключение с помощью импульсов управления невозможно, в прерывателях переменного тока нивелируется.
Более того, здесь указанное свойство может оказаться полезным, так как фактический разрыв силовой цепи без воздействия управляющих сигналов всегда происходит при почти нулевом токе, что снижает перенапряжения в случае индуктивной нагрузки (ниже этот вопрос рассмотрен подробней).
Прерыватели на тиристорах. Обратимся к прерывателю (рис. 4.8), подключенному к активной нагрузке с сопротивлением Ян.

Предполагаем, что входное напряжение — синусоидальное:

Система управления формирует в необходимые моменты времени импульсы для включения тиристоров. Через iyi и iy2 обозначены токи управляющих электродов.
В силовой электронике широко используют понятие угла управления. Применительно к рассматриваемому прерывателю углом управления называют угол сдвига по фазе между началом каждой положительной полуволны входного напряжения и соответствующим моментом включения тиристора, Г, а также равный ему угол сдвига по фазе между началом каждой отрицательной полуволны и соответствующим моментом включения тиристора, Пусть угол управления а равен нулю. Изобразим временные диаграммы (рис. 4.9), характеризующие прерывателя (хотя по оси абсцисс откладываются значения со/, такие диаграммы также называют временными, так как при постоянном значении со они также показывают развитие процессов во времени).

Так как а = О, в каждый момент времени один из тиристоров будет включен и напряжение иТ будет практически нулевым (как указывалось выше, напряжение на включенном тиристоре составляет примерно 1 В). Поэтому напряжение на нагрузке будет повторять входное напряжение.

Пусть а = 90 электрических градусов (эл. град.), что соответствует значению радиан (рад). В этом случае (рис. 4.10) действующее напряжение на нагрузке будет пониженным.
Очевидно, что при а 2 180 эл. град, напряжение на нагрузке будет нулевым.

Действующее значение ившх напряжения на выходе при измерении угла управления в радианах определяется выражением:

Эту зависимость называют регулировочной характеристикой. Фазовое регулированиеi рассмотренное на примере прерывателя на тиристорах, широко используется в силовой электронике. Оно характерно тем, что изменение напряжения на нагрузке достигается изменением угла управления.

Так как включение силовых приборов производится с помощью импульсов управления, фазовое регулирование называют также импульсно-фазовым управлением.
Недостатком устройств с фазовым регулированием является сильно отличающаяся от синусоидальной форма тока, потребляемого от сети (для активной нагрузки форма тока совпадает с формой напряжения м).  Вследствие этого напряжение сети также искажается. ток содержит основную гармонику с частотой напряжения питающей сети и спектр высших гармоник. Первая гармоника тока отстает по фазе от напряжения питающей сети.

Если же угол управления — нулевой, то указанные искажения отсутствуют.

Использование импульсов управления обеспечивает включение тиристоров в строго заданные моменты времени и облегчает их режим работы. Однако достаточно часто используют простейшие схемы управления со сравнительно медленным нарастанием тока управления.

Обратимся к схеме с контактом кнопки или реле (рис.4.11).

При разомкнутом контакте S тиристоры не включаются. Пусть контакт замкнут, иа> 0 и тиристоры выключены. Тогда, в соответствии с изложенным. При этом будет протекать ток в цепи, содержащей следующие элементы: точка я, Z, А, S, цепь управления тиристора Г, (цепь управляющий электрод — катод), точка Б. Пренебрегая падением напряжения на диоде D2 и в цепи управления, получаем По мере роста напряжения ивх этот ток будет увеличиваться и тиристор Тх включится. Тиристор Г2, находящийся под обратным напряжением, естественно, является выключенным. На его управляющем рп — переходе (управляющий электрод — катод) имеется обратное напряжение, равное по модулю падению напряжения на диоде D2 (примерно 0,7 В), поэтому iy2 = 0. После включения тиристора, Г, и Т «1 В, поэтому iyX ~ 0 (включение тиристора автоматически снимает сигнал управления). При изменении полярности входного напряжения тиристоры меняются ролями.

Из изложенного следует, что очередной тиристор включается при малом по модулю, но заметном напряжении ивх, что вызывает скачок тока в силовой цепи. Кроме прочего это создает помехи.

Таким образом, данная схема обеспечивает работу прерывателя при угле управления, близком к нулю, не позволяет плавно изменять действующее напряжение на нагрузке и дает возможность только включать ее или отключать. Обратимся к схеме прерывателя на основе симистора (рис. 4.12).

Эта схема по своим свойствам полностью аналогична предыдущей. Но ток управления /у симистора VS может быть как положительным, так и отрицательным. Симистор включается, если исим > 0 (при этом iy< 0), а также если исым < 0.
Обратимся к схеме прерывателя на основе симистора с гальванической развязкой цепи управления и силовой цепи с помощью оптопары светодиод — фототиристор
(рис. 4,13).

В рассматриваемой схеме роль контакта играет фототиристор оптопары U, Если система управления обеспечит протекание тока id через светодиод оптопары, фототиристор включится, потечет ток /у (положительный или отрицательный) и симистр VS включится. Такая схема управления является несоизмеримо более быстродействующей в сравнении с контактными, но и она неспособна включать симистор точно в начале каждой полуволны питающего напряжения.

Более совершенные схемы управления формируют качественные, с крутыми фронтами импульсы управления вне зависимости от напряжения на тиристоре (симисторе). Они обеспечивают включение прибора и в самом начале каждой полуволны напряжения питания, и в любой другой момент времени (если в силовой цепи имеется необходимое напряжение). Прерыватели, в которых силовые приборы включаются точно в момент перехода питающего напряжения через ноль, называют устройствами с контролем перехода фазы коммутируемого напряжения через ноль. Уровень помех у них пониженный.

Защита силовых приборов в прерывателях от перенапряжений является важной проблемой, так как превышение допустимого напряжения может вызвать пробой и выход приборов из строя.

Одной из причин возникновения перенапряжений является наличие даже небольшой индуктивности нагрузки или соединительных проводов.
Обратимся к схеме с активноиндуктивной нагрузкой (рис. 4.14).

Рассмотрим подробно процесс выключения тиристора.Пусть в начале рассматриваемого малого отрезка времени тиристор включен, но ток / вследствие изменения входного напряжения стремится к нулю (рис. 4.15). В момент времени t напряжение ивх изменяет полярность. С некоторой задержкой, вызванной влиянием индуктивности L, изменит полярность также ток / (момент времени г2). Обратный (отрицательный) ток i будет протекать из-за наличия избыточных зарядов в полупроводниковой структуре тиристора.

К моменту времени /3 избыточные заряды настолько уменьшатся, что увеличение модуля тока / прекратится. Напряжение ит к этому моменту станет отрицательным и практически сравняется с напряжением ивх. С момента времени начнется быстрое уменьшение по модулю тока /, вызванное дальнейшим уменьшением избыточных зарядов, причем скорость изменения тока будет определяться внутренними процессами в тиристоре вне зависимости от параметров внешней цепи. Это приведет к скачкообразному росту обратного напряжения. Максимальное по модулю значение Uмакс этого напряжения определяется выражением, где производная тока по времени в момент времени.


Так как uex (t$) < О, > 0> модуль напряжения Uмакс равен сумме модулей напряжений uex(t3) и L. Напряжение Uмакс может оказаться чрезмерно большим по модулю, вполне достаточным для пробоя тиристора. К моменту времени г4 напряжение на тиристоре сравняется с входным напряжением. Для предотвращения пробоя тиристоров (симисторов) в прерывателях достаточно часто используют дополнительные элементы. Обратимся к рекомендуемой схеме включения отечественного прерывателя (твердотельного оптоэлектронного реле) 5П19.10ТСВ110012 (напряжение изоляции 4000 В, среднеквадратичное значение коммутируемого напряжения 630 В, пиковое значение коммутируемого напряжения 1200 В, среднеквадратичное значение коммутируемого тока 100 А, импульсный коммутируемый ток 1000 А при длительности импульса 10 мс) (рис. 4.16).

Рассматриваемое устройство имеет оптоэлектронную гальваническую развязку входной и силовой цепей.

Для защиты от перенапряжений используется ДС цепочка (Д и С) а также варистор R2 (нелинейный резистор, ток которого начинает быстро возрастать после достижения напряжением некоторого порогового значения). br> Энергия, запасенная в индуктивности, при выключении тиристоров поглощается варистором и /С цепочкой, и перенапряжение ограничивается. Естественно, указанные элементы ограничивают перенапряжения, вызванные и другими причинами (например, кратковременным увеличением напряжения ивх).
Реверсивные однофазные прерыватели фактически содержат два рассмотренных обычных (нереверсивных) прерывателя и обеспечивают, к примеру, изменение направления вращения однофазных электродвигателей.

Трехфазный прерыватель (рис. 4.17) по существу состоит из 3 однофазных прерывателей. Нагрузки могут быть соединены в звезду (рис. 4.17, а) или в треугольник (рис.4.17, б).
Реверсивные трехфазные прерыватели обеспечивают изменение направления вращения трехфазных электродвигателей.
Преимуществами бесконтактных переключающих устройств в сравнении с контактными являются: эвг..
• большая допустимая частота переключений,
• большой срок службы,
• искробезопасность и взрывобезопасность,
• бесшумность,
• простота обслуживания и малые эксплуатационные расходы.

Оптрон PC817 в режиме тиристора или самая простая схема проверки. — schip.com.ua

Экспериментируя с оптронами — хотел при помощи обратной связи на основе одной PC817 сделать генератор. Пришла идея включить оптопару по схеме чтобы она имитировала работу тиристора. Точнее сказать RS триггера . Аналогично  триггеру эта схема имеет два входа S и R , а также два устойчивых состояния на выходе 1 и 0 или Включено и Выключено.  Остановился я на такой схеме включения:

Работает схема довольно просто — когда кнопки не нажаты транзистор закрыт и светодиод тоже не светится. Или правильнее сказать наоборот.

Нажимаем кнопку
Вкл происходит замыкание транзистора и светодиод загорается. Светящийся светодиод открывают транзит и после отпускания кнопки схема по принципу триггера или тиристора остается во включенном состоянии.

Теперь при нажатии кнопки  Выкл светодиод гаснет и после отпускания кнопки схема в состоянии выключена.

Работу самой оптопары я уже разбирал в двух предыдущих постах:

PC817 эксперименты с оптопарой

PC817 эксперименты с оптопарой

Оптопара PC817 принцип работы и очень простая проверка.

Оптопара PC817 принцип работы и очень простая проверка.

 

Я немного поэкспериментировал с этой схемой и решил на ее основе сделать устройство для проверки оптопар. Схема получилась очень простая , довольно дешевая и надежная.

Для того чтобы была внешняя индикация состояния схемы. Добавил я в нее еще пару деталей — это светодиод и и ограничивающий ток резистор.

Сначала все это было собрано на макетке :

Все это нормально работало , только макетка габаритная и надежность маловата, я также нужна была схема для регулярного использования. При ремонтах импульсных блоков питания мне часто приходится проверять эту радиодеталь. Поэтому решил эту схему для надежности спаять. Разместил основные детали:

Вот получилась такая небольшая плата:

Во время пайки пришлось установить одну перемычку. Все остальные соединения сделаны только припоем. Два вывода — Плюс и Минус питания.

Левая кнопка включает светодиод , а правая выключает.

Использование оптрона PC817 в режиме тиристора или триггера я думаю что найдет и другие применения этой схемы.

Ссылка на видео:

Опто-симисторы и твердотельные реле

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

Опто-симисторы

Устройства, которые используются для управления высоковольтным / высокомощным оборудованием, должны иметь хорошую электрическую изоляцию между их выходом высокого напряжения и входом низкого напряжения. Использование слоя оксида кремния толщиной в несколько атомов для обеспечения необходимой изоляции в таких условиях нереально.При возникновении неисправностей (а они более вероятны в цепях большой мощности) результаты могут быть катастрофическими не только для компонентов схемы, но и для пользователей такого оборудования. Физическая изоляция (это означает, что между входом и выходом отсутствует электрическое соединение вообще) - вот что необходимо. К счастью, есть легко доступные решения этой проблемы. Многие цепи высокой мощности сегодня управляются низковольтными, слаботочными цепями, такими как микропроцессоры, с использованием оптоэлектронных устройств, таких как опто-симисторы, опто-тиристоры и твердотельные реле для изоляции цепей низкой и высокой мощности.

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

Рис. 6.6.1 Opto Triac и Opto SCR

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

Рис. 6.6.2 Типичный SSR высокой мощности

Твердотельные реле

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

Рис. 6.6.3 Твердотельное реле MOSFET

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

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

Рис. 6.6.4 Использование микросхемы MOSFET Relay для


переключения переменного или постоянного тока

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

.

Фиг.6.6.5 Функции безопасности твердотельного реле

Функции безопасности SSR

SSR

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

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

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

Рис. 6.6.6 Подавление переходного напряжения

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

Рис. 6.6.6 иллюстрирует действие TVS-диода и показывает выходной синусоидальный сигнал, наложенный на характеристики TVS-диода. Двунаправленный TVS-диод работает скорее как два встречных стабилитрона, где выше определенного обратного напряжения происходит пробой тока, и диод проводит сильную проводимость.Поскольку TVS-диод в этом случае является двунаправленным, пробой происходит как в прямом, так и в обратном направлении.

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

Рис. 6.6.7 RC демпферные цепи

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

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

Генераторы переменного тока

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

Рис. 6.6.8 SSR Zero Crossing Action

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

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

Твердотельное и механическое переключение в сравнении с

Твердотельные реле

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

Преимущества ТТР перед электромеханическими реле.

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

Недостатки ТТР перед электромеханическими реле.

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

Дополнительная информация

Твердотельные реле и электромеханические реле - Примечания по применению Твердотельные реле США

Как правильно выбрать реле - National Instruments

Технические советы по реле - Crydom Inc.

Примеры схем оптопар на основе SCR с активацией светом


Рис. 1

Льюис Лофлин

Моя цель здесь - использовать выходные оптопары SCR для управления мощными SCR. Это требует знания основ выпрямления переменного тока. Это связано с тем, что, проще говоря, кремниевый выпрямитель - это диод с затвором.

См. Базовое руководство по устранению неисправностей блока питания.

Серия h21C состоит из арсенид-галлий-арсенидного инфракрасного излучающего диода, оптически соединенного со светоактивированным кремнием, управляемым выпрямитель в двухрядном 6-контактном корпусе.Они имеют номинальное напряжение 200 и 400 вольт.

В техническом паспорте это называется «симметричный транзисторный ответвитель».

Драйвер логической индикаторной лампы 25 Вт
Детектор 400 мВт RMS ток в состоянии 300 мА
Симметричный транзисторный ответвитель 200 В (h21C1, h21C2, h21C3)
Симметричный транзисторный ответвитель 400 В (h21C4, h21C5, h21C6)

Также см. Что такое светоактивированный кремниевый управляемый выпрямитель? (LASCR)


Рис.2

Симметричный транзисторный ответвитель

Что подразумевается под «симметричным транзисторным соединителем»? Выпрямитель с кремниевым управлением - это четырехслойный полупроводниковый прибор. Он действует как два последовательно соединенных транзистора, как показано слева на рис. 2.

При нажатии SW1 через резистор затвора проходит небольшой ток, включающий Q2. Q2 затем включает Q1, оставив Q2 включенным. Комбинацию можно выключить только отключив + Vcc от анода.

На фото SCR справа свет входит в базовую цепь Q4, создавая небольшой ток, включающий Q4. Q4 затем включит Q3. Как и раньше, устройство остается включенным, пока не будет отключено + Vcc.

Как указано в данных h21CX, для правильной работы между затвором и катодом должен быть резистор.В противном случае агрегат будет нестабильным и включится.


Рис. 3

Для остальных схем я буду использовать пульсирующий, нефильтрованный постоянный ток от мостового выпрямителя, как показано на рис. 3. Нагрузкой является 24-вольтовая лампочка панели. Можно использовать любую резистивную нагрузку.

Фактическое выходное напряжение составляет RMS * 0,9 = 21,6 вольт.


Рис. 4

На Рис. 4 показано использование тринистора в качестве полуволнового выпрямителя. Когда SW4 нажат, ток течет к затвору во время положительного полупериода включения SCR.SCR остается выключенным в течение отрицательного полупериода.

Выходное напряжение составляет RMS * 0,9 / 2 = 10,8 вольт. Переключатель SW3 не нужен.


Рис. 5

На Рис. 5 у нас есть h21C4, используемый для включения лампочки. Когда включается светодиод входа, включается фото SCR. Никаких механических переключателей здесь нет. Это предназначено для управления микроконтроллером. Это все еще ограничено 300 мА.


Рис. 6

На рис. 6 показано основное использование этих оптопар с оптопарами с фотоэлементами: управление тиристорами большей мощности.


Рис. 7

На рис. 7 мы используем Arduino для фазового управления пульсирующим постоянным током. Это часто используется в трехфазных цепях управления мощностью в промышленности.

Здесь используется та же программа, что и в моем основном контроллере питания переменного тока Arduino.

См. Подробный обзор управления питанием переменного тока с помощью Arduino.


Рис. 8

На рис. 8 показано выпрямление с полноволновым управлением фазой для сварщика. Он использует три отдельных оптопары, по одной на каждую фазу. При использовании Arduino потребуются три полные схемы из рис.7 с одним управляющим потенциометром, подключенным к каждому ADC0 вместе.

Чтобы увидеть фактическую схему сварочного аппарата, см. Miller CP250-TS 3 ​​Phase Welder.

Резисторы затвора оптопары не показаны.

По состоянию на 10.07.2019:

h21C3 - это NTE3046 ~ 4,40 доллара.

4N39 почти то же самое, что и NTE3046 https://www.aliexpress.com $ 0,42 за штуку. 100

Или 1,70 доллара США за 10 шт. + 1,05 доллара США за доставку в США.

Оптическая развязка управления двигателем H-моста YouTube
Оптическая развязка элементов управления двигателем с Н-образным мостом

Теория оптопары и схемы YouTube
Драйверы оптоизолированных транзисторов для микроконтроллеров

All NPN Transistor H-Bridge Motor Control YouTube
Управление двигателем с Н-мостом на всех NPN-транзисторах

Учебное пособие по широтно-импульсной модуляции YouTube
Учебное пособие по широтно-импульсной модуляции

PIC12F683 Микроконтроллер и схемы YouTube
PIC12F683 Микроконтроллер и схемы

Запуск симистора BT139 с микроконтроллера с использованием оптопары 4n35

Вот схема TRIAC с использованием оптопары.

Форма волны переменного тока разбита на четыре квадранта. У симистора разные эксплуатационные потребности в каждом квадранте.

Симистор - это на самом деле два тиристора, расположенные вплотную друг к другу. SCR работает как диод, если у него есть триггерный вывод. Когда SCR смещен в прямом направлении, он ведет себя так же, как диод. Когда SCR смещен в обратном направлении, он не будет проводить, пока активируется триггер. Когда триггерный вывод активирован, SCR будет проводить, пока ток и напряжение на нем не упадут до нуля.При разговоре AC "переход через нуль" происходит от Q4 к Q1 и от Q2 к Q3.

Потому что, по сути, вы должны запускать два разных SCR в зависимости от того, в каком квадранте запуска требуются изменения. Для запуска в начале Q1 необходимо положительное напряжение на контакте. После запуска Trica продолжит работу до следующего перехода через ноль между Q2 и Q3. Во время перехода через ноль симистор перестанет проводить и потребует повторного срабатывания в начале Q3, но теперь с отрицательным напряжением. Именно этот положительный отрицательный переключатель вперед и назад требует опто-симистора.

Две ноты. Во-первых, эта схема позволяет только включать и выключать нагрузку. Если вы хотите уменьшить мощность нагрузки, как диммер, вам нужно обрезать форму волны переменного тока. Для этого вам понадобится схема обнаружения перехода через ноль. Определив, когда происходит переход через нуль, вы можете рассчитать время и включить симистор частично в Q1 и Q3 или даже частично в Q2 и Q4. Для последнего требуется четырехквадрантный симистор.

Во-вторых, если эта схема используется для управления чем-либо, кроме резистивной нагрузки, тогда необходим демпфер.При возбуждении индуктивной нагрузки, такой как двигатель, форма волны тока и напряжения сдвигается по сравнению друг с другом. Это означает, что ток и напряжение не могут одновременно достигать нуля, в результате чего симистор продолжает проводить ток даже без срабатывания. Демпфер помогает регулировать ток и напряжение, позволяя Trica отключаться при переходах через ноль.

MOC3041 Оптопара, описание выводов, характеристики и аналоги

MOC3021 - это оптрон с триаком с нулевым переходом.Это означает, что внутри него находится инфракрасный светоизлучающий диод (LED) в сочетании с TRIAC. При срабатывании светодиода включается и TRIAC.

MOC3021 Конфигурация контактов

Номер контакта

Имя контакта

Описание

1

Анод (А)

Анодный вывод ИК-светодиода.Подключен к логическому входу

2

Катод (C)

Катодный вывод ИК-светодиода

3

NC

Нет соединения - не может использоваться

4

Главный терминал симистора 1

Один конец симистора, который присутствует внутри IC

5

NC

Нет соединения - не может использоваться

6

Главный терминал симистора 2

Другой конец симистора, который присутствует внутри IC

MOC3041 Характеристики и характеристики

  • Оптоизолятор с драйвером симистора с нулевым переходом
  • Входное прямое напряжение светодиода: 1.
  • Ток прямого срабатывания светодиода: 15 мА
  • Напряжение на выходе TRIAC: 400 В (макс.)
  • Пиковый выходной ток TRIAC: 1A
  • Доступен как 6-контактный PDIP с суффиксом M и без него

Примечание: Более подробную информацию можно найти в таблице данных MOC3041, которую можно загрузить в конце этой страницы.

Эквивалент MOC3041: MOC3021 (совместимость по выводам)

Альтернативы Оптопары: MCT2E (ненулевой транзистор), FOD3180 (высокоскоростной полевой МОП-транзистор), 6N137 (высокоскоростная NAND), 4N25

MOC3041 Введение

Оптоизолятор, такой как MOC3041, обычно используется для управления другим внешним переключающим устройством, таким как TRIAC, MOSFET или SCR, которые, в свою очередь, будут управлять нагрузкой переменного или постоянного тока.TRIAC, присутствующий внутри MOC3041, может обеспечивать пиковый ток до 1 А, что достаточно для срабатывания внешнего переключателя. Сам по себе TRIAC не следует использовать для переключения нагрузок без внешнего переключателя.

Поскольку MOC3041 имеет встроенный датчик пересечения нуля, он в основном используется для переключения нагрузок переменного тока. Детектор пересечения нуля будет отслеживать 0 В в выходной синусоиде и включать внутренний симистор только при 0 В. Таким образом, НАГРУЗКА не будет подвергаться пиковому напряжению при переключении.

MOC3041 для коммутации нагрузок переменного тока

MOC3041 обычно используется для управления скоростью двигателя переменного тока, диммеров света или других приложений домашней автоматизации, где задействована нагрузка переменного тока. Типичная принципиальная схема приложения для управления нагрузкой переменного тока с помощью микроконтроллера показана ниже

.

Внутренний ИК-светодиод подключается между контактом 1 и контактом 2. Источник напряжения Vcc должен обеспечивать 15 мА через резистор Rin на контакт анода светодиода. Логический элемент NAND соединяет катодный вывод светодиода с землей на основе сигнала ШИМ от микроконтроллера. Таким образом, один входной вывод логического элемента И-НЕ будет подключен к земле, а другой - к сигналу ШИМ.

На основании сигнала ШИМ светодиод будет включаться с определенным интервалом, в течение которого также будет включен внутренний TRIAC. Когда внутренний TRIAC включен, он переключает внешний TRIAC, который, в свою очередь, управляет нагрузкой переменного тока. Резистор на 39 Ом и конденсаторы 0,01 мкФ образуют дополнительную цепь демпфера.Таким образом, в зависимости от рабочего цикла ШИМ, выходное напряжение также будет изменяться, что позволяет нам контролировать скорость интенсивности нагрузки.

Приложения

  • Диммеры переменного тока
  • Управление контактором / реле
  • Контроль скорости двигателя переменного тока
  • Цепи шумовой связи
  • Управление нагрузками переменного тока с помощью MCU / MPU
  • Регулятор мощности переменного / постоянного тока
  • Управление электромагнитным клапаном / клапаном

2D-Модель

Как работает оптопара | EAGLE

Вам нужно защитить чувствительные низковольтные компоненты и изолировать цепи на вашей печатной плате? Оптопара может сделать эту работу. Да будет свет! Это устройство позволяет передавать электрический сигнал между двумя изолированными цепями, состоящими из двух частей: светодиода, излучающего инфракрасный свет, и светочувствительного устройства, которое обнаруживает свет от светодиода. Обе эти части содержатся в традиционном черном ящике с парой контактов для подключения. С первого взгляда легко перепутать оптрон с интегральной схемой (ИС).

Эта симисторная оптопара выглядит как ИС. (Источник изображения)

Как это работает

Сначала на оптопару подается ток, который заставляет инфракрасный светодиод излучать свет, пропорциональный току.Когда свет попадает на светочувствительное устройство, он включается и начинает проводить ток, как любой обычный транзистор.

Как работает оптрон. (Источник изображения)

По умолчанию светочувствительное устройство обычно не подсоединяется, чтобы обеспечить максимальную чувствительность к инфракрасному свету. Он также может быть подключен к земле с помощью внешнего резистора для большей степени контроля чувствительности переключения.

Оптопара эффективно изолирует выходную и входную цепи.(Источник изображения)

Это устройство в основном работает как переключатель, соединяя две изолированные цепи на вашей печатной плате. Когда ток через светодиод перестает течь, светочувствительное устройство также перестает проводить и отключается. Все это переключение происходит через пустоту из стекла, пластика или воздуха без электрических частей между светодиодом или светочувствительным устройством. Все дело в свете.

Преимущества и типы

Если вы разрабатываете электронное устройство, которое будет восприимчиво к скачкам напряжения, ударам молнии, скачкам напряжения питания и т. Д.тогда вам понадобится способ защиты низковольтных устройств. При правильном использовании оптопара может эффективно:

  • Устранение электрических помех из сигналов
  • Изолируйте низковольтные устройства от высоковольтных цепей
  • Позволяет использовать небольшие цифровые сигналы для управления более высокими напряжениями переменного тока

Оптопары бывают четырех конфигураций. Каждая конфигурация использует один и тот же инфракрасный светодиод с другим светочувствительным устройством. К ним относятся:

Фототранзистор и Photo-Darlington , которые обычно используются в цепях постоянного тока, и Photo-SCR и Photo-TRIAC , которые используются для управления цепями переменного тока.

Четыре типа оптопар. (Источник изображения)

Если вы любите приключения, вы даже можете сделать самодельный оптрон с некоторыми запчастями. Просто совместите светодиод и фототранзистор внутри светоотражающей пластиковой трубки.

Самодельная оптопара, состоящая всего из трех простых частей. (Источник изображения)

Типичные области применения

Оптопары

могут использоваться либо сами по себе в качестве переключающего устройства, либо использоваться с другими электронными устройствами для обеспечения изоляции между цепями низкого и высокого напряжения.Обычно эти устройства используются для:

  • Микропроцессор, переключение входов / выходов
  • Регулятор мощности постоянного и переменного тока
  • Защита коммуникационного оборудования
  • Регламент электропитания

В этих приложениях вы встретите различные конфигурации. Некоторые примеры включают:

Оптранзисторный переключатель постоянного тока

Эта конфигурация обнаруживает сигналы постоянного тока, а также позволяет управлять оборудованием с питанием от переменного тока. MOC3020 идеально подходит для управления подключением к сети или подачи импульса затвора на другой фото-симистор с токоограничивающим резистором.

(Источник изображения)

Симистор Оптопара

Эта конфигурация позволит вам управлять нагрузками с питанием от переменного тока, такими как двигатели и лампы. Он также способен проводить обе половины цикла переменного тока с обнаружением перехода через ноль. Это позволяет нагрузке получать полную мощность без значительных всплесков тока при переключении индуктивных нагрузок.

(Источник изображения)

Руководство по компоновке печатной платы

Перед добавлением оптопары в компоновку печатной платы примите во внимание следующие три правила:

  • Держите заземляющие соединения оптопары отдельно

Стандартная оптопара включает два контакта заземления: один для светодиода, а другой - для светочувствительного устройства. Соединение обоих этих заземлений вместе откроет вашу чувствительную схему для любого шума от внешнего заземления. Чтобы избежать этого, всегда создавайте две точки подключения: одну для контактов внешнего заземления, а другую - для входных заземляющих проводов.

  • Выберите правильное значение резистора ограничения тока

Выбор резистора ограничения тока, который работает при минимальном значении оптопары, приведет к нестабильному поведению. Также можно выбрать резистор, обеспечивающий слишком большой ток, при котором светодиод лопнет.При выборе значения для вашего резистора обязательно найдите значение минимального прямого тока из диаграммы Current Transfer Ratio в таблице данных оптопары. У Vishay есть отличное руководство по чтению таблицы данных оптопары здесь.

  • Знайте, какой тип оптопары вам нужен

Не все оптопары созданы равными, и вам нужно будет выбрать правильный тип для вашего приложения. Например, опто-симистор используется, если вам нужно управлять нагрузкой переменного тока. Opto-Darlington предназначены только для малых входных токов. Если все, что вам нужно, это стандартная изоляция входа, то обычная оптопара PC817 выполнит свою работу. Эту статью от Nuts and Volts определенно стоит прочитать, чтобы понять типы и различия оптопар.

Библиотеки оптопар

в EAGLE

Управляемые онлайн-библиотеки Autodesk EAGLE включают целую категорию оптопар для использования в вашем следующем проекте. Это лучше, чем создавать свои собственные пакеты и символы с нуля! Чтобы использовать эту библиотеку, убедитесь, что optocoupler.lbr активируется в панели управления Autodesk EAGLE, как показано ниже. Если это так, то в следующий раз, когда вам понадобится добавить компонент, у вас будет доступ ко всем этим устройствам.

Готовы начать изоляцию цепей и защиту низковольтных устройств? Загрузите Autodesk EAGLE бесплатно сегодня, чтобы начать использовать прилагаемые библиотеки Optocoupler!

MOC3021 Распиновка оптоизолятора, работа, примеры, применение, datahsheet

MOC3021 - оптоизолятор на основе ненулевого перехода, состоящий из излучающих инфракрасное излучение диодов на основе арсенида галлия, оптически связанных с симистором на основе кремния. Оптопара имеет несколько типов, и каждый из них имеет почти одинаковые рабочие функции, но иногда его внутренняя структура отличает его от другой оптопары. Существует также оптопара на базе TRIAC , известная как MOC3021. В нем установлен внутренний TRIAC, что дает ему возможность управлять любыми внешними переключающими устройствами, такими как HIGH POWER TRIAC, MOSFETS и Solid State Relay.

MOC3021 Введение

MOC3021 поставляется со встроенным светодиодом и транзистором на основе TRIAC.Эта оптопара обеспечивает защиту от ВЫСОКИХ резистивных и индуктивных нагрузок. Он имеет возможность пропускать ток до 1А. MOC3021 Оптопара работает на основе ИК-излучения и поддерживает любой ток, протекающий в цепи. Оптрон поставляется только в одном корпусе, но один корпус можно использовать с любой схемой. При ВЫСОКОЙ нагрузке рабочая температура всегда влияет на характеристики схемы, но MOC3021 может работать при ВЫСОКИХ температурах, а также увеличивает срок службы оптопары.

MOC3021 - это оптрон с ненулевым переходом . Другой оптопара дает только выходную величину, равную нулю, а ненулевой оптопара дает величину на разных уровнях от нуля до максимума. Эта способность оптопары не только позволяет устройству управлять выходом как переключателем, но также позволяет управлять устройством на разных уровнях, поэтому в IOT оптопара MOC3021 используется в цепи для управления скоростью двигателя, нагревателем. температура и др.

КОНФИГУРАЦИЯ КОНФИГУРАЦИИ MOC3021

Распиновка показывает все контакты.

INPUT
ANODE Pin1 Pin 1 - это входной контакт анода. Он используется для управления выходом MOC3021. В случае HIGH импульса на MOC3021 активируется, который затем может быть использован в дальнейшем. Контакт 1 фактически является внутренним контактом ИК-передатчика оптопары.
КАТОД Вывод 2 Вывод 2 - это катодный вывод оптопары - это вывод заземления ИК-излучения внутри оптопары. Для использования IR контакт 2 должен иметь общую землю с источником питания или устройством логического ввода.
NC Pin3 Контакт 3 является NC. NC-контакт используется только для припайки оптопары к плате для правильной поддержки. Иногда контакты NC предназначены для физической поддержки, а иногда они доступны в устройствах только из-за его сложной внутренней конструкции.
ВЫХОД
TRIAC T2 Pin4 Контакт 4 - это контакт TRIAC оптопары.Он присутствует в IC.
NC Вывод 5 Вывод 5 также является вторым выводом без подключения IC, как и вывод 3. Вывод 5 также не используется вместо балансировки IC.
TRIAC T1 Pin6 Контакт 6 является вторым контактом TRIAC в оптопаре. Внешние переключатели подключаются к контактам 4 и 6.

Другие альтернативные оптоизоляторы

4N25, 6N135, PC817, MOC3041, 6N137

Как и Где использовать MOC3021 Фототранзистор Оптрон

IC может работать с любым устройством TTL или любым микроконтроллером, но для правильной работы с высокой нагрузкой рекомендуется использовать внешний TRIAC из-за некоторых измерений безопасности и из-за различных величин IC. На выходе будет поток, только если на входе ВЫСОКИЙ. Сначала взгляните на данную схему. На схеме вы можете видеть, что IC управляет лампочкой через TRIAC. Но когда мы используем ИС только для включения и выключения, лампочка будет работать правильно, но в случае диммера лампочка будет продолжать мигать из-за волновой природы переменного тока. Эта проблема возникает только на разных уровнях величины на ИС, при максимуме и минимуме ИС будет работать так же, как переключатель НАГРУЗКИ.

В случае предоставления другой величины выхода нам нужно будет использовать пересечение нуля с PC817.При высокой нагрузке, когда высокая нагрузка будет генерировать обратный ток, он может пройти через TRIACS, но не может повредить контроллер из-за ИК-связи.

MOC3021 Пример световой цепи автоматического управления

В этом примере , мы собираемся использовать MOC3021 в режиме автоматического включения света после дневного света. Мы собираемся использовать транзистор, TRIAC, лампу, переменный ток 220, резисторы и LDR. В этой схеме LDR будет использоваться для обнаружения солнечного света, а moc3021 будет использоваться для включения и выключения лампы через TRIAC.Транзистор будет использоваться для включения MOIC 3021. Мы можем использовать LDR напрямую с MOC3021 с помощью резисторов, но здесь мы собираемся использовать переменный резистор. Переменный резистор сможет регулировать чувствительность LDR.

Принципиальная схема

В конце концов, в итоге будет сформирована следующая схема.

Вначале схема не будет работать, нам нужно будет отрегулировать чувствительность LDR через резистор. После этого изменения чувствительность солнца будет свидетельствовать о выходе лампы LAMP.Лампа начнет светиться, затем снова повысит частоту, после чего ЛАМПА выключится. Вот горящая лампа.

Этот автоматический ночной выключатель очень полезен для экономии энергии и физического движения. Все будет работать в потоке, но здесь вся эта связь между низковольтными и высоковольтными устройствами происходила только за счет MOC3021. MOC3021 можно использовать в качестве переключателя вместо управляющих реле или TRIACS. Он может принимать сигнал низкого напряжения и управлять через него высоким напряжением без каких-либо реле, но из-за проблем безопасности предпочтительно использовать внешние TRIACS или реле.

Proteus Simulation

Вы можете прочитать это руководство дальше:

MOC3021 Оптрон Характеристики
  • Высокое напряжение изоляции, не соответствующее переменному току. Эта возможность существует только в оптронах на основе симистора.
  • Устойчивость устройства намного надежнее при любых высоких нагрузках.
  • Температура пайки оптопары очень высока.
  • Выходные контакты способны удерживать высокую нагрузку в выключенном состоянии, что делает его надежным для любого коммутирующего устройства на нормальном уровне.
  • Благодаря внутренней функции ИК-передачи, устройство ввода остается надежно используемым с ИС для управления им.
  • Из-за ненулевой способности ИС может выдавать выходной сигнал разной величины. Это заставляет ИС управлять нагрузкой, отличной от использования внешних TRIACS.
  • Температура является важным фактором, когда нам нужно контролировать высокую нагрузку, и ИС может работать при высоких температурах, а также может сохранять температуру.
  • ИС поставляется только в одном 6-выводном корпусе, который является PDIP, но может использоваться с любой схемой.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
  • Микросхема имеет минимальное входное прямое напряжение 1,3 В
  • Для срабатывания триггера прямой ток светодиода должен быть минимум 15 мА, в противном случае светодиод может не работать.
  • TRIAC в ИС имеет высокий диапазон выходного напряжения, максимум 400 В. Более 400 сначала нагреют ИС, а потом сгорит.
  • TRIAC имеет пиковый диапазон выходного тока 1,2 А.
  • Рассеиваемая мощность для IC при 25 градусах составляет 300 мВт.
  • Диапазон рабочих температур для IC составляет от -40 до 100 градусов, и он может сохранять температуру от -55 до 150 градусов.
  • Диапазон температур пайки для IC составляет максимум 260 градусов, тогда IC будет гореть во время пайки.

MOC3021 Оптопара ПРИМЕНЕНИЕ
  • ИС может работать со всеми европейскими приложениями до 240 В переменного тока.
  • MOC3021 используется для работы TRIAC с высокой нагрузкой.
  • В промышленных приложениях широко используются ИС.
  • ИС
  • также используется в качестве переключателя в светофоре.
  • Управление двигателем и управление скоростью вентилятора также используют MOC3021 с микроконтроллером.
  • Торговые автоматы и твердотельные реле (SSR) также используют ИС для работы.

Загрузить техническое описание MOC3021

2D Размеры

Опто-симисторы, твердотельные реле (SSR), переход через ноль и принцип их работы

Обзор опто-симисторов

  • Опто-симисторы или твердотельные реле (SSR) состоят из инфракрасного светодиода и симистора в одном корпусе.Светодиод включается и выключается маломощной схемой управления постоянным током, и это переключает симистор, который можно использовать для управления устройствами переменного тока до напряжения сети.
  • Опто-симисторы обеспечивают гальваническую развязку между цепью управления и цепью переменного тока.
  • Опто-симисторы доступны в «произвольном» и нулевом типах.
  • Поскольку светодиодная часть опто-симистора представляет собой инфракрасный светодиод, значение последовательного резистора можно рассчитать, если известен требуемый ток. (Получите это значение из таблицы данных устройства.)

Безопасность

Симисторы обычно используются при питании от сети. Это представляет серьезный риск поражения электрическим током. Новичкам в электронике не рекомендуется работать от сетевого напряжения.

Как работают симисторы

Симисторы - это полупроводниковые переключатели, которые могут быть включены импульсом на затворе или контакте триггера. После включения они остаются включенными до тех пор, пока сила тока не упадет ниже значения удержания. Задерживая точку включения до некоторого времени после того, как напряжение пересечет нулевое напряжение - точку пересечения нуля - можно отрегулировать напряжение, хотя оно больше не является синусоидальным.

Рисунок 1. Верхний график показывает триггер, задержанный ближе к концу цикла. Результирующее эффективное напряжение низкое. Нижняя кривая показывает триггер, близкий к началу цикла. Это приведет к почти полному напряжению. Взаимосвязь между фазовой задержкой и результирующим среднеквадратичным напряжением изображена справа. Рисунок 2. Схематические символы дискретного симистора и опто-симистора. Обратите внимание, что, поскольку опто-симистор запускается оптически, он (обычно) не имеет штифта затвора или триггера.

Устройства, показанные на Рисунке 2, могут использоваться для управления переменным фазовым углом, как показано на Рисунке 1. (Их иногда называют «случайными» опто-симисторами или SSR, но термин «случайный» является неправильным, поскольку обычно точка срабатывания - это что угодно. но случайным и управляемым. Имеется в виду «переменная» точка срабатывания.)

Рисунок 4. Опто-симистор с переходом через нуль или SSR.

Когда светодиод опто-симистора перехода через ноль включается, схема обнаружения перехода через ноль будет ждать, пока напряжение не станет очень близко к нулю, прежде чем включать симистор.Это сводит к минимуму коммутационный шум и электромагнитные помехи (EMI) на соседнее оборудование.

Рис. 4. При переключении через нуль результат состоит в том, что форма волны состоит из нескольких полных полупериодов.

Как работает обнаружение пересечения нуля

Рис. 5. Внутреннее устройство схемы обнаружения перехода через нуль на основе G3MB-202P с входом 5 В.
  • Если \ (V_ {L1-L2} \) низкий (выше, но близко к нулю) и Q1 включается фото-действием от D1, то SCR1 будет запущен.Это, в свою очередь, пропустит через R6 достаточно тока, чтобы напряжение затвора TRI1 было достаточно высоким для срабатывания.
  • Когда напряжение превышает определенный уровень, Q2 смещается. Напряжение коллектора упадет, и его будет недостаточно для включения SCR1, даже если Q1 впоследствии включится.

Эффект состоит в том, что TRI1 не может включиться, если он не срабатывает близко к пересечению нуля.

Дополнительная литература

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *