Управление мощной нагрузкой переменного тока / Хабр

Все знают, насколько ардуинщики гордятся миганием лампочками

Так как мигать светодиодами не интересно, речь пойдет про управление лампой накаливания на 220 вольт, включая управление её яркостью. Впрочем, материал относится и к некоторым другим типам нагрузки. Эта тема достаточно избита, но информация об особенностях, которые необходимо учесть, разрозненна по статьям и темам на форумах. Я постарался собрать её воедино и описать различия между схемами и обосновать выбор нужных компонентов.

Выбор управляемой нагрузки

Существует много различных типов ламп. Не все из них поддаются регулировке яркости. И, в зависимости от типа лампы, требуются разные способы управления. Про типы ламп есть хорошая статья. Я же буду рассматриваться только лампы, работающие от переменного тока. Для таких ламп существует три основных способа управления яркостью (диммирование по переднему фронту, по заднему фронту и синус-диммирование).
Иллюстрация в формате SVG, может не отображжаться в старых браузерах и, особенно, в IE
Отличаются они тем, какая часть периода переменного тока пропускается через лампу. О применимости этих методов можно прочитать тут. В этой статье речь пойдет только о диммировании по преднему фронту, так как это самая простой и распространенный способ. Он подходит для управления яркостью ламп накаливания (включая галогенные), в том числе подключенных через ферромагнитный (не электронный) трансформатор. Эта же схема может применяться для управления мощностью нагревательных элементов и, в некоторой степени, электромоторов, а также для включения/выключения других электроприборов (без управления мощностью).

Выбор элементной базы

Различных вариантов схем управления нагрузкой в интернете много. Отличаются они по следующим параметрам:Первые два пункта определяются элементной базой. Очень часто для управления нагрузкой используют реле, как проверенный многолетним опытом элемент. Но, если вы хотите управлять яркостью лампы, её необходимо включать и выключать 100 раз в секунду. Реле не рассчитаны на такую нагрузку и быстро выйдут из строя, даже если смогут переключаться так часто. Если в схеме используется MOSFET, то его можно открывать и закрывать в любой момент. Нам нем можно построить и RL, и RC, и синус димер. Но так как он проводит ток только в одну сторону, понадобится два транзистора на канал. Кроме того, высоковольтные MOSFET относительно дороги. Самым простым и дешевым способом является использование симистора. Он проводит ток в обоих направлениях и сам закрывается, когда через него прекращает течь ток. Про то, как он работает можно прочитать в статье DiHalt’а. Далее я буду полагаться на то, что вы это знаете.

Фазовая модуляция

Чтобы управлять яркостью лампы нам нужно подавать импульсы тока на затвор симистора в моменты, когда ток через симистор достигает определенной величины. В схемах без микроконтроллера для этого применяется настраиваемый делитель напряжения и динистор. Когда напряжение на симисторе превышает порог, при котором открывается динистор, ток проходит на затвор симистора и открывает его.
Если же управление ведется с микроконтроллера, то возможны два варианта:

1. Подавать импульсы равно в тот момент времени, когда нужно. Для этого придётся завести на микроконтроллер сигнал с детектора перехода напряжения через ноль
2. К затвору симистора подключить компаратор, на который завести сигнал с делителя напряжения и с аналогового выхода микроконтроллера

Первый способ хорош тем, что позволяет легко организовать гальваническую развязку высоковольтной части и микроконтроллера. О её важности будет сказано позже. Но любители arduino будут огорчены: чтобы лапа горела ровно, не вспыхивая и не погасая, импульсы нужно подавать вовремя. Для этого управлять выводом нужно из прерывания таймера, а моменты перехода напряжения через ноль фиксировать с помощью «input capture». Это «недокументированные» функции. Проблема решается отказом от библиотек arduino и внимательным чтением datasheet’а на процессоры avr. Это не так сложно, как кажется.
Второй способ управления симистором крайне прост в программном плане, но из-за отсутствия гальванической развязки я бы не стал его применять.

Гальваническая развязка

Самый простой способ управлять симистором — это подключить к затвору ножку микроконтроллера. Есть даже специальная серия симисторов BTA-600SW управляемых малыми токами.Но тогда контроллер и вся низковольтная часть не будет защищена от помех, гуляющих по бытовой сети. Некоторое из них могут быть достаточно мощными, чтобы сжечь микроконтроллер, другие будут вызывать сбои. Кроме того, сразу возникают проблемы со связью микроконтроллера с компьютером или другими микроконтроллерами: нужно будет делать развязку в линии связи или использовать дифференциальные линии, ведь, чтобы управлять симистором прямо с ноги микроконтроллера, нулевой потенциал для него должен совпадать с потенциалом нуля в бытовой сети. У компьютера или другого такого же микроконтроллера, подключенного в другой точке сети, нулевой потенциал почти наверняка будет другим. Результат будет плачевным.

Простой способ обеспечить гальваническую развязку: использовать драйвер симистора MOC30XX. Эти микросхемы отличаются:

1. Расчетным напряжением. Если для сетей 110 вольт, есть для 220
2. Наличием детектора нуля
3. Током, открывающим драйвер

Драйвер с детектором нуля (MOC306X) переключается только в начале периода. Это обеспечивает отсутствие помех в электросети от симистора. Поэтому, если нет необходимости управлять выделяемой мощностью или управляемый прибор обладает большой инерционностью (например это нагревательный элемент в электроплитке), драйвер с детектором нуля будет оптимальным выбором. Но, если вы хотите управлять яркостью лампы освещения, необходимо использовать драйвер без детектора нуля (MOC305X) и самостоятельно открывать его в нужные моменты.

Ток, необходимый для открытия важен, если вы хотите управлять несколькими нагрузками одновременно. У MOC3051 он 15 мА, у MOC3052 10мА. При этом микроконтроллеры stm могут пропускать через себя до 80-120 мА, а avr до 200 мА. Точные цифры нужно смотреть в соответствующих datasheet’ах.

Устойчивость к помехам/возможность коммутации индуктивной нагрузки

В электросети могут быть помехи, вызывающие самопроизвольное открытие симистора или его повреждение. Источником помех может служить:

1. Нагрузка, управляемая симистором (обмотка мотора)
2. Фильтр (snubber), расположенный рядом с симистором и призванный его защищать
3. Внешняя помеха (грозовой разряд)

Помеха может быть как по напряжению, так и по току, причем более критичны скорости изменения соответствующих значений, чем их амплитуды. В datasheet’ах соответствующие значения указаны как:
V — максимальное напряжение, при котором может работать симистор.

Максимальное пиковое напряжение не намного больше.
I — Максимальный ток, который может пропускать через себя симистор. Максимальный пиковый ток как правило значительно больше.
dV/dt — Максимальная скорость изменения напряжения на закрытом симисторе. При превышении этого значения он самопроизвольно откроется.
dI/dt — Максимальная скорость изменения тока при открытии симистора. При превышении этого значения он сгорит из-за того, что не успеет полностью открыться.
(dV/dt)c — Максимальная скорость изменения напряжения в момент закрытия симистора. Значительно меньше dV/dt. При превышении симистор продолжит проводить ток.
(dI/dt)c — Максимальная скорость изменения тока в момент закрытия симистора. Значительно меньше dI/dt. При превышении симистор продолжит проводить ток.
Подробно о природе этих ограничений и о том, как сделать фильтр, защищающий от превышения этих величин описано в Application Note AN-3008. К немо можно только добавить, что существуют 3Q симисторы, у которых значения dV/dt и dI/dt выше, чем у обычных за счет невозможности работать в 4ом квадранте (что обычно не требуется).

Выбор симистора

Максимальный ток коммутации

Максимальный ток коммутации ограничивается двумя параметрами: максимальным током, который может пропустить симистор и количеством тепла, которое вы можете от него отвести. С первым параметром все просто, он указан в datasheet’е. Но если посмотреть внимательно, то при токе в 16 ампер на BTA16-600BW выделяется около 20 ватт. Такую грелку уже не получится засунуть в коробку выключателя без вентиляции.

Минимальный ток коммутации

Симистор сохраняет проводимость до тех пор, пока через него идёт ток. Минимально необходимый ток указан в datasheet’е под именем latching current. Соответственно, слишком мощный симистор не сможет включать маломощную лампочку так как будет выключаться, как только с затвора пропадёт управляющий сигнал. Но так, как этот сигнал мы самостоятельно формируем микроконтроллером, то можно удерживать управляющий сигнал почти до самого конца полупериода, тем самым убрав ограничение на минимальную нагрузку. Однако, если не успеть снять сигнал, симистор не закроется и лампа не погаснет. При плохо подобранных константах лампы, работающие на не полной яркости периодически вспыхивают.

Изоляция

Симисторы в корпусе TO-220 могут быть изолированными или не изолированными. Я сначала сделал ошибку и купил BT137, в результате радиаторы охлаждения оказались под напряжением, что в моем случае нежелательно. Симисторы с маркировкой BTA изолированы, с маркировкой BTB нет.

Защита от перегрузки

Не стоит полагаться на автоматические выключатели. Посмотрите на спецификацию, при перегрузке в 1.4 раза автомат обязан выключиться не ранее, чем через час. А быстрое размыкание происходит только при перегрузке в 5 раз (для автоматов типа C). Это сделано для того, чтобы автомат не отключался при включении приборов, требующих при старте значительно больше энергии, чем при постоянной работе. Примером такого прибора является холодильник. 2t. Задает количество теплоты, накопление которой в кристалле приведет к разрушению кристалла.

dI/dt ограничивается индуктивностью проводки и внутренней ёмкостью симистора. Так как dI/dt достаточно велика (50 А/с для BTA16), может хватить индуктивности подводящей проводки, если она достаточно длинная. Можно подстраховаться и добавить небольшую индуктивность в виде нескольких витков провода вокруг сердечника.
С превышением интеграла Джоуля можно бороться либо уменьшая время прохождения тока через симистор, либо ограничивая ток. Так как симистор не закроется, пока ток не перейдет через ноль, не вводя дополнительных размыкателей нельзя сделать время прохождения тока менее одного полупериода. В качестве такого размыкателя можно использовать:

1. Быстродействующий плавкий предохранитель. Обычный предохранитель не подойдет так как симистор сгорит до того, как он сработает. Но стоят такие предохранители дороже новых симисторов.
2. Геркон/реле. Если удастся найти такое, чтобы выдерживало кратковременные большие токи.

Можно пойти по другому пути. BTA16-600 может выдержать ток в 160 амер в течении одного периода. Если сопротивление замыкаемой цепи будет порядка 1.5 Ом, то полупериод он выдержит. Сопротивление проводки даст 0.5 Ом. Остается добавить в цепь сопротивление в 1 Ом. Схема станет менее эффективной и появится еще одна грелка, выделяющая при штатной работе до 16 Вт тепла (0.45 Вт при работе 100 ваттной лампы), зато симистор не сгорит, если успеть его вовремя выключить и позаботиться о хорошем охлаждении, чтобы оставался запас на нагрев во время КЗ.
Из этого сопротивления можно извлечь дополнительную выгоду: измеряя падение напряжения на нем, можно узнавать ток, протекающий через симистор. Полученное значение можно использовать для того, чтобы определять короткое замыкание или перегрузку и отключать симистор.

Заключение

Я не претендую на абсолютную верность всего написанного. Статья писалась для того, чтобы упорядочить знания, прочитанные на просторах интернета и проверить, не забыл ли я чего. В частности раздел, касающийся защиты от перегрузок я еще не опробовал на практике. Если я где-то не прав, мне было бы интересно узнать об ошибках.
В статье нет ни одной схемы: знакомые с темой и так знают их наизусть, а новичку придётся заглянуть в datasheet к MOC3052 или в AN-3008 и, возможно, он заодно узнает что-то еще и не будет бездумно реализовывать готовую схему.

Управление мощной нагрузкой переменного тока

Начинающим 27 августа 2008 DI HALT 533 комментария

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

ОпторазвязкаОсновыСимисторТиристорУмный дом

Спасибо!!! Вы потрясающие! Всего за месяц мы собрали нужную сумму в 500000 на хоккейную коробку для детского дома Аистенок. Из которых 125000+ было от вас, читателей EasyElectronics!!! Были даже переводы на 25000+ и просто поток платежей на 251 рубль. Это невероятно круто!!! Сейчас идет заключение договора и подготовка к строительству!

А я встрял на три года, как минимум, ежемесячной пахоты над статьями :)))))))))))) Спасибо вам за такой мощный пинок!!!

Подключение реле к 220 В спросил

6 лет, 2 месяца назад

Изменено 6 лет, 2 месяца назад

Просмотрено 2к раз

\$\начало группы\$

У меня следующее реле: osa-ss-212dm3

Я хочу управлять своей лампой переменного тока, которая подключена напрямую к розетке 220 В. Прочитав техническое описание, я обнаружил, что его номинальное напряжение составляет 240 В переменного тока, а максимальное напряжение переключения составляет 30 В постоянного тока. Могу ли я безопасно подключить это реле к розетке переменного тока 220 В и запустить его с помощью 5 В от моего микроконтроллера?

\$\конечная группа\$

\$\начало группы\$ Реле

osa-ss-212dm3 имеет катушку 12В. Вам нужен osa-ss-205dm5, если вы хотите запускать 5 В и хотите переключать 240 В переменного тока.

ОБНОВЛЕНИЕ:
Примечание: вы не можете напрямую питать это реле от вывода MCU. Катушке требуется 540 мВт (это ~ 110 мА при 5 В), поэтому MCU не сможет обеспечить такой ток (зависит от MCU). Вам также придется использовать переключающий транзистор.

\$\конечная группа\$

\$\начало группы\$

Рис. 1. Выдержка из таблицы данных.

• Контакты рассчитаны на 240 В переменного тока. Это выглядит нормально.
• Он будет переключать 3 А. На первый взгляд это говорит о том, что он может переключать 240 x 3 = 720 Вт.
• Мощность переключения составляет 300 ВА, 72 Вт. Согласно Глоссарию реле общего назначения Omron

Максимальная коммутационная способность

Максимальная грузоподъемность, которая может быть переключен. Схемы проектирования для следите за тем, чтобы это значение не превышалось во время работы. Максимум коммутационная способность выражается в ВА для реле переменного тока и Вт для реле постоянного тока. реле.

• Из вышеизложенного мы можем сделать вывод, что он рассчитан только на 300 ВА, поэтому вы можете переключать только 3 А при 100 В переменного тока, а при 220 В вы можете переключать 300/220 = 1,5 А прибл.
• Последняя проблема заключается в том, что при переключении ламп накаливания начальный ток в момент включения может быть в четыре или пять раз больше рабочего тока из-за того, что нить накаливания холодная. Это ограничит вас лампой мощностью 60 Вт.

---

@Chupacabras указал: есть 2 типа. Один с «DM3» и один с «DM5» в конце. DM3 (упомянутый в OP) имеет контакты, рассчитанные на 125 В переменного тока. Поэтому не подходит для переключения лампы 230 В.

Я пропустил это. Макс. коммутационное напряжение в 240 В переменного тока, по-видимому, относится как к DM3, так и к DM5, тогда как в разделе Номинальные характеристики контактов ниже указано, что DM3 рассчитан только на 125 В переменного тока.

Могу ли я безопасно подключить это реле к розетке переменного тока 220 В и запустить его с помощью 5 В?

Вроде нет. DM5 был бы лучшим выбором.

Возможно, для лампы мощностью 100 Вт подойдет. Контакты рассчитаны на 100 000 циклов при номинальной нагрузке. В течение нескольких циклов в день на типичной бытовой лампе она должна прослужить долго, даже если она немного не соответствует спецификациям на контактах.

\$\конечная группа\$

2

Зарегистрируйтесь или войдите в систему

Зарегистрируйтесь с помощью Google

Зарегистрироваться через Facebook

Зарегистрируйтесь, используя электронную почту и пароль

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но никогда не отображается

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но не отображается

Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания, политикой конфиденциальности и политикой использования файлов cookie

.

Voltage — Можно ли использовать реле на 220 В для переключения приборов на 110 В?

спросил 4 года 10 месяцев назад

Изменено 4 года, 10 месяцев назад

Просмотрено 9к раз

\$\начало группы\$

Можно ли использовать реле 220 В для переключения питания 110 В? Если да, то в дополнение к этому вопросу изменяется ли номинальная сила тока (А) на реле, когда напряжение (В) составляет 110 В вместо 220 В?

Рискуя ответить на свой вопрос, я думаю, что любое напряжение ниже или равное 220 В можно переключать с помощью реле с номиналом 220 В. Надеюсь быть правым в этом, но я не уверен насчет силы тока. Я предполагаю, что вместо 220 В / 5 А это реле также может подойти для 110 В / 10 А, но я не уверен.

• напряжение
• реле

\$\конечная группа\$

5

\$\начало группы\$

Реле на 220 вольт можно использовать для включения 110 вольт. Однако номинальный контактный ток не увеличится. Контакты, рассчитанные на 5 ампер, не будут безопасно коммутировать больше этого, уж точно не 10 ампер. Контакты проводят ток, когда они замкнуты, поэтому напряжение не имеет значения, важны размер и материал контактов. Поэтому не превышайте номинальный контактный ток независимо от величины коммутируемого напряжения

\$\конечная группа\$

7

\$\начало группы\$

220 В (переменный ток), 5 А Реле означает, что вы можете безопасно переключать напряжение до 220 В через реле, а максимальный ток, протекающий через него, составляет 5 А. Номинальный ток остается прежним, даже если вы переключаете 110 В.

\$\конечная группа\$

2

\$\начало группы\$

Превышение номинального напряжения может привести к пробою изоляции, а превышение напряжения (в течение достаточно длительного времени) приведет к перегреву проводников. Более низкое напряжение, но более высокая сила тока означает ту же мощность, но рассеиваемая мощность может быть больше (требуется эксперимент), следовательно, существует риск перегрева.

Если это профессиональная работа, вы, вероятно, нарушите код из-за превышения допустимого значения Amp, и вы будете привлечены к ответственности, если произойдет что-то плохое (например, пожар). Если это лабораторная установка, протестируйте перед использованием, она может сработать.

Номинальные характеристики реле указаны для максимального напряжения и силы тока, допускается использование более низких значений напряжения и силы тока.