Montagpena.ru

Строительство и Монтаж
1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Фазоимпульсное управление силовым симистором

Фазоимпульсное управление силовым симистором.

Многие конструкции подразумевают управление мощной нагрузкой. В статье, к примеру, микроконтроллер управлял нагревом паяльника. Но там паяльник запитывается постоянным током, и, поэтому вся регулировка сводится к формированию Ш�?М-а на силовом транзисторе. Если же нужно регулировать мощную нагрузку в цепи переменного тока, то реализация сего выйдет немного посложней. Вот эту проблему мы сейчас и рассмотрим. Пару слов теории… Управлять отдаваемой в нагрузку мощностью можно просто регулируя количество периодов/полупериодов сетевого тока через эту нагрузку. Можно просто включать/выключать ток через нагрузку с определённым соотношением, что по сути тот же метод, что и указанный выше. Эти методы регулировки подойдут для сильно инерционных нагрузок (ТЭНы, нагреватели и пр.). Для регулировки, допустим, яркости свечения лампы накаливания такие методы не подойдут по причине заметного и утомительного для глаз мерцания. Поэтому для построения диммеров (устройств регулировки яркости) применяют фазоимпульсный метод управления. Суть его проста. Рассматриваем положительную волну синусоиды. В определённый момент времени tз, который отсчитывается от перехода синусоиды через «ноль» t01, на симистор подаётся открывающий импульс. Симистор остаётся открытым и пропускает в нагрузку ток до момента следующего перехода сетевой синусоиды через «ноль» t10. Очевидно, что чем ближе к t01, и, соответственно дальше от t10, тем большая часть полуволны тока будет отдана в нагрузку. �? наоборот, чем дальше от t01 и ближе к t10, чем меньше тока пройдёт через нагрузку. Для отрицательной полуволны синусоиды всё то же самое, только t01 и t10 меняются местами (отсчёт ведётся от t10) . Для определения моментов перехода сетевой синусоиды через «ноль» , т.е. для определения моментов времени t01 и t10, служит устройство называемое детектором нуля или Zero Cross по буржуйски.
�?з микроконтроллерного конструктора я возьму блок с ATmega8A и периферийный блочок с установленным на нём симистором, схемой детектора нуля и соответствующим обвесом. Нагрузкой послужит обычная лампа накаливания 40 Вт.

Основным критерием проектирования узлов я считаю простоту — это определяет надёжность и повторяемость. Не забудем также и о безопасности — для этого я сделал опторазвязку, чтобы не было гальванической связи микроконтроллера с сетью. Слева по схеме — детектор нуля, цепь Zero Cross. Конструктивно она представляет собой параметрический стабилизатор (R1,VD1) который «обрезает» положительную полуволну синусоиды на уровне напряжения стабилизации стабилитрона, в нашем случае около 6,8 В. Резистор R2 ограничивает ток светодиода оптопары U1. Контакт 4 SV1 (коллектор транзистора той же оптопары ) подключается к выводу микроконтроллера, который определён входом с pull-up резистором — т.е. питает этот транзистор. Контакт 3 Sv1 (эмиттер транзистора) подключается к минусу питания, т.е. к «земле». В момент нарастающего фронта импульса Zero Cross t01 зажигающийся светодиод открывает транзистор оптопары, и вход микроконтроллера оказывается подключенным к «земле» через этот транзистор. Соответственно при ниспадающем фронте Zero Cross t10 светодиод гаснет, транзистор закрывается, и вход микроконтроллера «подтягивается» к напряжению питания pull-up резистором. Конечно, фронты Zero Cross немного не совпадают с истинным переходом через ноль сетевого напряжения. Но эта погрешность не критична — единицы микросекунд. Справа по схеме — цепь управления силовым симистором через оптосимистор, взята из даташита и особенностей не имеет.
Соединяем всё проводами, т.е. подготавливаем макет устройства. Не забудем о развязывающем трансформаторе (на время опытов), а то можно осциллограф сжечь)))
Устанавливать мощность отдаваемую в нагрузку симистором, можно дистанционно, используя любой имеющийся интерфейс, или с помощью органов ручного управления: — энкодера (пример его подключения в этом посте); — переменного резистора, включив его потенциометром, и заведя сигнал с ползунка на какой-либо вход АЦП; — двух кнопок, что проще всего. �?менно под вариант с кнопками я написал код. Как и обычно, исходник подробно прокомментирован, поэтому тратить Ваше внимание на его разбор я не буду. Ну и для понятности приведу осциллограммы работы узлов диммера.
Жёлтая осциллограмма — это Zero Cross. Ниспадающий фронт t01, а нарастающий t10. Синяя осциллограмма — открывающие импульсы симистора Triac Control в момент времени .

Читайте так же:
Самодельный флюгер в домашних условиях

На этой осциллограмме показан ток через нагрузку при условиях показаных осциллограммой выше,т.е. t01 — tз = 2,5 мс.

Здесь уже t01 — tз = 7,5 мс.

�?, соответственно ток через нагрузку такой.

Область применения устройств, собранных на основе показанной схемы большая. Приведу лишь некоторые примеры: -диммеры (устройства регулировки яркости освещения); устройства плавного (мягкого) включения; — электронагревательные приборы (плиты, утюги, нагреватели и пр.) Можно регулировать также индуктивную нагрузку, но тогда в цепь симистора обязательно нужно добавлять снабберную цепь (в даташитах на симисторы есть необходимая информация) во избежание пробоя симистора.
В архиве исходник и плата узла симистора.

Управление симистором с микроконтроллера

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

У симистора нет анода и катода. Его три вывода называются: УЭ (управляющий электрод), СЭУ (силовой электрод, расположенный ближе к УЭ), СЭ (силовой электрод у основания прибора) [2-197]. Существуют также аналогичные зарубежные названия, принятые в триаках, соответственно, «G» (Gate — затвор), «Т1» (Main Terminal 1) и «Т2» (Main Terminal 2).

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


Рис. 2.105. Режимы работы симисторов (триаков).

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

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

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

Читайте так же:
Усилие натяжения болтов таблица

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

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

Управление симисторами в схемах на микроконтроллере MicroControllerCircuitsVS image250 min vs
Рис. 2.106. Схемы подключения симисторов к MK без гальванической изоляции.

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

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

Управление симисторами в схемах на микроконтроллере MicroControllerCircuitsVS image251 min vs
Рис. 2.106. Схемы подключения симисторов к MK без гальванической изоляции.

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

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

Управление симисторами в схемах на микроконтроллере MicroControllerCircuitsVS image252 min vs

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

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

Управление симисторами в схемах на микроконтроллере MicroControllerCircuitsVS image253 min vs
Рис. 2.107. Схемы гальванической изоляции МК от симисторов.

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

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

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

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

Управление симисторами в схемах на микроконтроллере MicroControllerCircuitsVS image254 min vs

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

Читайте так же:
Светильник над кроватью в спальне

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

и) применение двух оптотиристоров VU1, УУ2щя коммутации симистора VS1 в любой пупериод сетевого напряжения. Резистор Л2ограничивает ток управления симистора;

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

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

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

Управление симистором с МК

Хитрое управление симистором.
Управляю нагрузкой с помощью симисторов. Схема: .

Управление нагрузкой симистором.
Всем привет! Собрал по типовой схеме этот узел, фазовое управление нагрузкой микроконтроллером (в.

Управление симистором напрямую от МК +бестрансформаторный БП
Друзья, поделитесь опытом — есть у меня самодельная система управления нагрузкой построенная на.

управление симистором, посоветуйте оптопару
==================== UPD. В общем и целом выбираю конечно решение на BTA16, как советуют .

Сообщение от _SayHello

Равно как и с оптопарой без детектора.

Добавлено через 1 минуту

Сообщение от Ilya2d
Сообщение от pyzhman

Есть разница в подключении для различного вида нагрузок?
Необходимо реализовать ПИД-управление нагревательным элементом. Если вы спрашиваете чтоб узнать не подойдет ли здесь реле — нет, не подойдет.

_SayHello, Спасибо. То есть, мне необходимо отлавливать 0 микроконтроллером, например, с помощью отдельной оптопары? Если так, то выходит, необходимо использовать АЦП? Или есть методы отлавливания нуля микроконтроллером, с использованием ТТЛ? И если так, то почему нельзя использовать этот оптосимистор?

Сообщение от Ilya2d

Мощностью можно управлять несколькими способами: 1) Регулировать фазу открытия симистора на каждом периоде сети.
2) Можно регулировать количеством периодов сети.
Второй вариант будет попроще, но и по-грубее, к примеру мы знаем что период сети +- 20 мс ( 50 Гц),
пусть 100 периодов из 100 у нас 100% мощность. Значит мы считаем выход ПИД регулятора в % мощности, например получилось 50%. 20 мс * 50 = 1 с. Таким образом мы выставляем на 1 секунду лог. единицу, симистор откроется при переходе через 0 сам, через одну секунду сняли лог. единицу, симистор закроется сам при переходе через ближайший 0. В таком случае можно использовать оптопару с встроенным детектором нуля. Правда если характер нагрузки резистивный. При индуктивном характере момент включения лучше сдвигать относительно перехода 0 на четверть периода. Погрешность данной регулировки может быть в пол периода, так как мы включаем в произвольное время, и считаем что нагрузка уже работает, а на самом деле она еще будет дожидаться ближайшего перехода через 0.

В первом варианте уже сложнее, тут надо точно знать момент перехода через 0, а оптопары обратной связи по этому параметру не дают. По этому, необходимо использовать внешнюю цепь детектора нуля, погугли — их миллион. Я использовал простейшую из пары резисторов и оптопары. Подобные схемы при переходе через 0 в большинстве случаев выдают фронт, который можно повесить на внешнее прерывание, или на Input Capture таймера. В прерывании по приходу фронта уже может выставляться необходимая задержка по фазе по которой на управляющую оптопару будет подаваться строб включающий нагрузку до конца данного периода. Если использовать IC таймер у контроллера, то параллельно можно высчитывать период сети ( время между двумя фронтами) и делать поправку на период сети, ибо он немного, но "плавает". + строб приходит не точно в момент перехода сети через 0, а через определенное время, обусловленное падением напряжения на диоде оптопары детектора нуля в прямом направлении. Например, падение в прямом направлении на диоде составляет 0.6 В, напряжение сети изменяется по синусоидальному закону с частотой 50 Гц, с действующим значением 220 В. Отсюда можно посчитать амплитуду синуса, и прикинуть за какое время сигнал на входе оптопары вырастет от 0 до 0.6 В и оптопара откроется — это и будет время, которое также можно учитывать, чтобы увеличить точность регулирования. Конечно, амплитуда сети тоже может изменяться, тем самым будет и задержка меняться, можно и этот параметр контролировать, но то уж как глубоко вы готовы зайти.

Читайте так же:
Средние мотоблоки цены отзывы какой лучше

Как с помощью Ардуино безопасно управлять нагрузкой на напряжении 220 вольт

Для системы «Умный дом» основной задачей является управление бытовыми приборами с управляющего устройства будь то микроконтроллер типа Ардуино, или микрокомпьютер типа Raspberry PI или любое другое. Но сделать этого напрямую не получится, давайте разберемся как управлять нагрузкой 220 В с Ардуино.

Arduino и нагрузка 220В

Для управления цепями переменного тока средств микроконтроллера недостаточно по двум причинам:

1. На выходе микроконтроллера формируется сигнал постоянного напряжения.

2. Ток через пин микроконтроллера обычно ограничен величиной в 20-40 мА.

Мы имеем два варианта коммутации с помощью реле или с помощью симистора. Симистор может быть заменен двумя включенными встречно-параллельно тиристорами (это и есть внутренняя структура симистора). Давайте подробнее рассмотрим это.

Управление нагрузкой 220 В с помощью симистора и микроконтроллера

Внутренняя структура симистора изображена на картинке ниже.

Симистор

Тиристор работает следующим образом: когда к тиристору приложено напряжение в прямом смещении (плюс к аноду, а минус к катоду) ток через него проходить не будет, пока вы не подадите управляющий импульс на управляющий электрод.

Я написал импульс не просто так. В отличие от транзистора тиристор является ПОЛУУПРАВЛЯЕМЫМ полупроводниковым ключом. Это значит, что при снятии управляющего сигнала ток через тиристор продолжит протекать, т.е. он останется открытым. Чтобы он закрылся нужно прервать ток в цепи или сменить полярность приложенного напряжения.

Это значит, что при удержании положительного импульса на управляющем электроде нужно тиристор в цепи переменного тока будет пропускать только положительную полуволну. Симистор может пропускать ток в обоих направлениях, но т.к. он состоит из двух тиристоров подключенных навстречу друг другу.

Управляющие импульсы по полярности для каждого из внутренних тиристоров должны соответствовать полярности соответствующей полуволны, только при выполнении такого условия через симистор будет протекать переменный ток. На практике такая схема реализована в распространенном симисторном регуляторе мощности.

Схема симисторного регулятора мощности

Как я уже сказал микроконтроллер выдает сигнал только одной полярности, для того чтобы согласовать сигналу нужно использовать драйвер построенный на оптосимисторе.

Драйвер

Таким образом, сигнал включает внутренний светодиод оптопары, она открывает симистор, который и подает управляющий сигнал на силовой симистор T1. В качестве оптодрайвера может быть использован MOC3063 и подобные, например, на фото ниже изображен MOC3041.

MOC3041

Zero crossing circuit – цепь детектора перехода фазы через ноль. Нужна для реализации разного рода симисторных регуляторов на микроконтроллере.

Если схема и без оптодрайвера, где согласование организовано через диодный мост, но в ней, в отличие от предыдущего варианта нет гальванической развязки. Это значит, что при первом же скачке напряжения мост может пробить и высокое напряжение окажется на выводе микроконтроллера, а это плохо.

Схема без оптодрайвера

При включении/выключении мощной нагрузки, особенно индуктивного характера, типа двигателей и электромагнитов возникают всплески напряжения, поэтому параллельно всем полупроводниковым приборам нужно устанавливать снабберную RC цепь.

Снабберная RC цепь

Научитесь разрабатывать устройства на базе микроконтроллеров и станьте инженером умных устройств с нуля: Инженер умных устройств

Реле и А рдуино

Для управления реле с А рдуино нужно использовать дополнительный транзистор для усиления тока.

Схема с реле и транзистором для усиления тока

Обратите внимание, использован биполярный транзистор обратной проводимости (NPN-структура), это может быть отечественный КТ315 (всеми любимый и всем известный). Диод нужен для гашения всплесков ЭДС самоиндукции в индуктивности, это нужно чтобы транзистор не вышел из строя от высокого приложенного напряжения. Почему это возникает, объяснит закон коммутации: «Ток в индуктивности не может измениться мгновенно».

А при закрытии транзистора (снятии управляющего импульса) энергии магнитного поля накопленной в катушке реле необходимо куда-то деваться, поэтому и устанавливают обратный диод. Еще раз отмечу, что диод подключен в ОБРАТНОМ направлении, т.е. катодом к плюсу, анодом к минусу.

Такую схему можно собрать своими руками, что значительно дешевле, плюс вы можете использовать реле, рассчитанное на любое постоянное напряжение.

Или купить готовый модуль или целый шилд с реле для Ардуино :

Шилд с реле для Ардуино

На фото изображен самодельный шилд, кстати, в нем использованы для усиления тока КТ315Г, а ниже вы видите такой же шилд заводского исполнения:

Шилд с реле для Ардуино

Это 4-канальные шилды, т.е. вы можете включать целых четыре линии 220 В. Подробно о шилдах и реле мы уже выкладывали статью на сайте — Полезные шилды для Ардуино

Схема подключения нагрузки на напряжении 220 В к Ардуино через реле:

Схема подключения нагрузки на напряжении 220 В к Ардуино через реле

Заключение

Безопасное управление нагрузкой переменного тока подразумевает прежде всего безопасность для микроконтроллера вся описанная выше информация справедлива для любого микроконтроллера, а не только платы Ардуино .

Главная задача – обеспечить нужные напряжение и ток для управления симистором или реле и гальваническая развязка цепей управления и силовой цепи переменного тока.

Кроме безопасности для микроконтроллера, таким образом, вы подстраховываете себя, чтобы при обслуживании не получить электротравму. При работе с высоким напряжением нужно соблюдать все правила техники безопасности, соблюдать ПУЭ и ПТЭЭП.

Эти схемы можно использовать и для управления мощными пускателями и контакторами. Симисторы и реле в таком случае выступают в роли промежуточного усилителя и согласователя сигналов. На мощных коммутационных приборах большие токи управления катушкой и зависят непосредственно от мощности контактора или пускателя.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector