Коммутатор нагрузки своими руками

Добавил пользователь Владимир З.
Обновлено: 18.09.2024

Способы и схемы управления тиристором или симистором

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.

Содержание статьи

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.

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:

Заключение

Управление мощными нагрузками — достаточно популярная тема среди людей, так или иначе касающихся автоматизации дома, причём в общем-то независимо от платформы: будь то Arduino, Rapsberry Pi, Unwired One или иная платформа, включать-выключать ей какой-нибудь обогреватель, котёл или канальный вентилятор рано или поздно приходится.

Традиционная дилемма здесь — чем, собственно, коммутировать. Как убедились многие на своём печальном опыте, китайские реле не обладают должной надёжностью — при коммутации мощной индуктивной нагрузки контакты сильно искрят, и в один прекрасный момент могут попросту залипнуть. Приходится ставить два реле — второе для подстраховки на размыкание.

Вместо реле можно поставить симистор или твердотельное реле (по сути, тот же тиристор или полевик со схемой управления логическим сигналом и опторазвязкой в одном корпусе), но у них другой минус — они греются. Соответственно, нужен радиатор, что увеличивает габариты конструкции.

Я же хочу рассказать про простую и довольно очевидную, но при этом редко встречающуюся схему, умеющую вот такое:

Гальваническая развязка входа и нагрузки
Коммутация индуктивных нагрузок без выбросов тока и напряжения
Отсутствие значимого тепловыделения даже на максимальной мощности

Но сначала — чуть-чуть иллюстраций. Во всех случаях использовались реле TTI серий TRJ и TRIL, а в качестве нагрузки — пылесос мощностью 650 Вт.

Классическая схема — подключаем пылесос через обычное реле. Потом подключаем к пылесосу осциллограф (Осторожно! Либо осциллограф, либо пылесос — а лучше оба — должны быть гальванически развязаны от земли! Пальцами и яйцами в солонку не лазить! С 220 В не шутят!) и смотрим.

Пришлось почти на максимум сетевого напряжения (пытаться привязать электромагнитное реле к переходу через ноль — задача гиблая: оно слишком медленное). В обе стороны бабахнуло коротким выбросом с почти вертикальными фронтами, во все стороны полетели помехи. Ожидаемо.

Резкое пропадание напряжения на индуктивной нагрузке не сулит ничего хорошего — ввысь полетел выброс. Кроме того, видите вот эти помехи на синусоиде за миллисекунды до собственно отключения? Это искрение начавших размыкаться контактов реле, из-за которого они однажды и прикипят.

Лучше, но не сильно. Выброс сбавил в высоте, но в целом сохранился.

Та же картина. Мусор остался, более того, осталось искрение контактов реле, хоть и сильно уменьшившееся.

Вывод: со снаббером лучше, чем без снаббера, но глобально проблемы он не решает. Тем не менее, если вы желаете коммутировать индуктивные нагрузки обычным реле — ставьте снаббер. Номиналы надо подбирать по конкретной нагрузке, но 1-Вт резистор на 100-120 Ом и конденсатор на 0,1 мкФ выглядят разумным вариантом для данного случая.

А теперь сделаем ход конём — объединим симистор, симисторный драйвер с детектированием нуля и реле в одну схему.

Конденсатор C1 заряжается через цепочку из R1 и R2, на что уходит примерно t=RC ~ 100 мс. Это несколько периодов сетевого напряжения, то есть, за это время симистор успеет включиться гарантированно. Далее открывается Q1 — и включается реле K1 (а также светодиод D2, светящий приятным изумрудным светом). Контакты реле шунтируют симистор, поэтому далее — до самого выключения — он в работе участия не принимает. И не греется.

Более того, если вспомнить умных людей из Agilent и посмотреть, как меняется потребляемый мотором ток, получится вот такая картинка:

Стартовый ток превышает рабочий более чем в четыре раза. За первые пять периодов — то время, на которое симистор опережает реле в нашей схеме — ток падает примерно вдвое, что также существенно смягчает требования к реле и продлевает его жизнь.

Да, схема сложнее и дороже, чем обычное реле или обычный симистор. Но часто она того стоит.

Электронный выключатель нагрузки – это устройство, не имеющее движущихся частей, которое работает как реле. Обычно два полевых МОП-транзистора действуют как переключающий элемент, один из которых является N-канальным, а другой – P-канальным.

Пусковой ток при включенном переключателе нагрузки

Когда переключатель нагрузки (транзистор Q1 на схеме) включен, временно протекает большой ток, намного превышающий установившийся. Если заряд конденсатора близок к нулю, возникает большой бросок тока, напряжение подается на выход Vo, что приводит к мгновенному и большому заряду в протекающем токе. Этот чрезмерный ток часто называют пусковым.

Пик пускового тока в значительной степени определяется входным напряжением Vi, сопротивлением Rds (on) полевого МОП-транзистора Q1, ESR емкости CL на стороне нагрузки и увеличивается вместе с входным напряжением Vi. Чрезмерно большой пусковой ток может вызвать сбои или неисправности схемы. Превышение максимального номинального тока также может привести к повреждению.

Но добавляя конденсатор C2 параллельно резистору R1, подключенному между затвором и истоком полевого МОП-транзистора Q1, можно замедлить снижение напряжения затвора, что постепенно уменьшит Rds (on) и сгладит пусковой ток.

Противодействие пусковому току (когда переключатель нагрузки Nch MOSFET включен)

Переключателем нагрузки тут выступает MOSFET RSQ020N03, Vin = 5 В, Io = 1 А.

Переключатель Q1 включен, когда Q2 выключен (напряжение затвора Q1 будет больше, чем Vo (Q1 Vgs)).
Переключатель нагрузки Q1 выключен, когда Q2 включен.
В качестве контрмеры был добавлен C2 для минимизации пускового тока при включении Q1.

Эквивалентная схема переключателя нагрузки

Даже когда переключатель нагрузки Q1 переключается с ВКЛ на ВЫКЛ, напряжение на выходном выводе Vo будет всё-ещё оставаться в течение определенного периода времени в зависимости от емкости CL нагрузки на выходной стороне.

Если напряжение на Vi ниже чем Vo, обратный ток может течь с выхода Vo на вход Vin через паразитный диод, образованный между стоком и истоком полевого МОП-транзистора Q1. Необходимо убедиться, что номинальный ток полевого транзистора Q1 не превышается ни при каких обстоятельствах. Кроме того, при определении значения емкости входного шунтирующего конденсатора CIN, следует учитывать время нарастания с учетом условий нагрузки.

Вот эквивалентная принципиальная схема переключателя нагрузки:

А теперь перейдём к практике и соберём реально работающий переключатель нагрузки на силовом полевом транзисторе MOSFET. Тут обычный небольшой ползунковый переключатель будет управлять функцией включения / выключения питания.

Схема переключателя силового полевого МОП-транзистора

Эта схема является альтернативой мощным тумблерам, поскольку в ней используется небольшой ползунковый переключатель слабого тока коммутации для управления полевым МОП-транзистором, который может держать уровень рассеиваемой мощности примерно до 50 Вт. Схема также имеет встроенную оптопару, которая упрощает управление полевым МОП-транзистором с помощью гальванически изолированного внешнего сигнала или цифрового выхода микроконтроллера (Ардуино например). Более того, поскольку основной ток не проходит через механический ползунковый переключатель / оптопару, можно использовать различные, даже самые слабые компоненты.

Обратите внимание, что схема не имеет функций защиты входа от обратной полярности, поэтому напряжение постоянного тока и внешний управляющий сигнал следует вводить в схему с правильной полярностью. Кроме того, может потребоваться изменить значение резистора R3 ограничителя тока оптопары (по умолчанию 220 Ом), если планируется использовать нестандартный внешний управляющий сигнал.

Идеи по проектированию устройства

Переключатель нагрузки состоит из двух основных элементов – транзистора и механизма управления, как показано на схеме. Проходной транзистор чаще всего представляет собой полевой МОП-транзистор (N-канальный или P-канальный), который передает напряжение на заданную нагрузку, когда он открыт. Выбор P-канального или N-канального MOSFET зависит от конкретных потребностей устройства. Но P-канальный MOSFET имеет явное преимущество перед N-канальным в простоте механизма управления включением / выключением. Здесь N-канальный MOSFET требует дополнительной шины напряжения для затвора (P-канальный не требует).

Базовая схема переключателя нагрузки силового полевого МОП-транзистора

На рисунке показан пример схемы переключателя нагрузки с P-канальным силовым МОП-транзистором. Здесь внешний переключатель / управляющий сигнал включает и выключает MOSFET через слабый транзистор. Когда вход переключателя / управления имеет низкий уровень, тот транзистор выключен, а затвор полевого МОП-транзистора подтягивается до VIN. Но когда вход переключателя / управления высокий по уровню, малосигнальный транзистор включается, затвор полевого МОП-транзистора опускается, и он включается тоже. Пока входное напряжение на шине выше порогового напряжения полевого МОП-транзистора, он будет включаться, когда вход переключателя / управления находится в состоянии высоком, без необходимости в дополнительном источнике напряжения. Подтягивающий резистор выбирается таким образом, чтобы через него проходил небольшой ток, когда малосигнальный транзистор включен (стандартный диапазон сопротивления от 1 кОм до 10 кОм).

Проще говоря, полевой МОП-транзистор можно рассматривать как переменный резистор, сопротивление сток-исток которого (Rds) является функцией разности напряжений на выводах затвор-исток (Vgs). Если нет разницы потенциалов между затвором-истоком, тогда сопротивление сток-исток очень велико и ток не течет. С другой стороны, если имеется соответствующее напряжение затвор-исток, сопротивление сток-исток очень низкое и действует как замкнутый переключатель, таким образом ток течет через него в нагрузку.

Транзистор MOSFET должен иметь номинальный постоянный ток превышающий максимальный ток нагрузки предлагаемого применения.

Тестирование на макетной плате переключателя нагрузки с силовым полевым транзистором показано на фото.

В общем предлагаемое схемное решение уже много раз доказало свою ценность в различных проектах (в том числе в автомобиле), как надёжный, безопасный и долговечный коммутатор.

Управляющий коммутатор нагрузки — тиристорная схема

Управляющий коммутатор нагрузки — в этой статье приведены схемы и рассмотрены принципы работы беспроводных релейно-тиристорных коммутаторов нагрузки, управляемых лучом лазерной указки. Приведенная информация может быть полезна как начинающим, так и опытным радиолюбителям. Разновидностей устройств дистанционного управления нагрузками существует не так уж много.

Это коммутаторы с радиочастотным управлением, акустическим и оптическим. У каждого из них имеются свои достоинства и недостатки. Достоинством описываемых ниже коммутаторов является то, что они не создают помех в эфире. И самое главное, в качестве пульта управления можно использовать широко распространенные лазерные указки без каких-либо доработок.

Примечание редактора

На рис.1 показана схема управления релейно-тиристорным коммутатором с раздельными фотоприемниками включения и отключения, то есть управляющий коммутатор.

Луч лазерной указки

Включение управляющего коммутатора производится кратковременным направлением луча лазерной указки на фотодиод (фототранзистор) VD4. Его сопротивление резко снижается, ранее открытый транзистор VT2 закрывается, и на управляющий электрод тиристора VS1 через резистор R3 поступает управляющий сигнал. Тиристор VS1 включается, подключая к источнику питания реле К1, контакты которого включают нагрузку. Отключают коммутатор направлением луча лазерной указки на фотодиод (фототранзистор) VD1. В результате транзистор VT1 кратковременно открывается, шунтируя анод-катод тиристора VS1. Тиристор и соответственно нагрузка отключаются.

Принцип работы коммутатора

На рис.2 приведена схема коммутатора с использованием только одного фотоприемника как для управления включением, так и выключением нагрузки. Работает управляющий коммутатор следующим образом. При первом, более продолжительном, облучении фотоприемника транзистор VT1 запирается, цепь питания тиристора VS1 разрывается. Конденсатор С1 через резистор R1 заряжается. После прекращения облучения фотоприемника транзистор VT1 восстанавливает цепь питания тиристора VS1. Конденсатор С1 разряжается на управляющий переход тиристора, включая тем самым его.

Отключают тиристор и нагрузку кратковременным повторным облучением фотоприемника. Цепь питания тиристора вновь прерывается, выключая тем самым его, а конденсатор С1 за столь малый промежуток времени зарядиться не успеет.

Многоканальный коммутатор нагрузки

На рис.3 показан базовый узел многоканального коммутатора нагрузки с дистанционным оптическим управлением. Принцип его работы очевиден — при освещении фотоприемника VD2 транзистор VT1 открывается, включая тиристор VS1. Подобных узлов в составе коммутатора может быть несколько. Для сброса включенного состояния коммутатора используется узел сброса, рис.4. А общая блок-схема, по которой собран многоканальный управляющий коммутатор нагрузки с несколькими каналами включения тиристоров и узлом сброса показана на рис.5.

Резистор R1 (рис.5) введен в схему для того, чтобы исключить короткое замыкание источника питания при включении транзистора VT1 узла общего сброса. Второе назначение этого резистора — ограничение тока нагрузки для того, чтобы одновременно можно было включить только один из каналов коммутатора, а для включения второго канала не хватало напряжения питания за счет увеличения падения напряжения на R1 (рис.5).

В этой статье приведены схемы и рассмотрены принципы работы релейно-тиристорных коммутаторов нагрузки, управляемых лучом лазерной указки. Приведенная информация может быть полезна как начинающим, так и опытным радиолюбителям

Разновидностей устройств дистанционного управления нагрузками существует не так уж много. Это коммутаторы с радиочастотным управлением, акустическим и оптическим. У каждого из них имеются свои достоинства и недостатки. Достоинством описываемых ниже коммутаторов является то, что они не создают помех в эфире и, самое главное, в качестве пульта управления можно использовать широко распространенные лазерные указки без каких-либо доработок.

Примечание редактора

На рис.1 показана схема управления релейно-тиристорным коммутатором с раздельными фотоприемниками включения и отключения.

Включение коммутатора производится кратковременным направлением луча лазерной указки на фотодиод (фототранзистор) VD4. Его сопротивление резко снижается, ранее открытый транзистор VT2 закрывается, и на управляющий электрод тиристора VS1 через резистор R3 поступает управляющий сигнал. Тиристор VS1 включается, подключая к источнику питания реле К1, контакты которого включают нагрузку.

Отключают коммутатор направлением луча лазерной указки на фотодиод (фототранзистор) VD1. В результате транзистор VT1 кратковременно открывается, шунтируя анод-катод тиристора VS1. Тиристор и, соответственно, нагрузка отключаются.

На рис.2 приведена схема коммутатора с использованием только одного фотоприемника как для управления включением, так и выключением нагрузки. Работает коммутатор следующим образом. При первом, более продолжительном, облучении фотоприемника транзистор VT1 запирается, цепь питания тиристора VS1 разрывается. Конденсатор С1 через резистор R1 заряжается. После прекращения облучения фотоприемника транзистор VT1 восстанавливает цепь питания тиристора VS1. Конденсатор С1 разряжается на управляющий переход тиристора, включая тем самым его.

Для сброса включенного состояния коммутатора используется узел сброса, рис.4, а общая блок-схема многоканального коммутатора нагрузки с несколькими каналами включения тиристоров и узлом сброса показана на рис.5.

Узел сброса работает следующим образом. При освещении фотоприемника VD1 узла сброса (рис.4) транзистор VT1 открывается, шунтируя цепь питания коммутаторов нагрузки и, тем самым, отключая их. Цепочка С1R2 является элементом задержки и позволяет затянуть во времени включенное состояние транзистора VT1, исключая случайные сбросы. Резистор R1 (рис.5) введен в схему для того, чтобы исключить короткое замыкание источника питания при включении транзистора VT1 узла общего сброса. Второе назначение этого резистора — ограничение тока нагрузки для того, чтобы одновременно можно было включить только один из каналов коммутатора, а для включения второго канала не хватало напряжения питания за счет увеличения падения напряжения на R1 (рис.5).

Автор: Михаил Шустов, г. Томск
Источник: Радиоаматор №3/2018

Читайте также: