В настоящей статье рассматривается несколько простых вариантов управления нагрузкой, включенной в цепь переменного тока, и описываются их достоинства и недостатки.

При создании современных устройств автоматики часто возникает задача коммутации нагрузки, включенной в цепь переменного тока. Такой нагрузкой могут быть различные нагревательные и осветительные элементы, силовые пускатели, трансформаторы, двигатели и т. п.

Рис.1.

Существует много относительно простых схем узлов, позволяющих выполнить эту задачу.

 

Все варианты можно разделить на ряд групп:

• использование электромагнитных реле;

• коммутация диагонали диодного моста;

• использование твердотельных реле;

• использование оптотиристоров и оптосимисторов;

• использование оптронов;

• использование драйверов тиристоров и симисторов.

Рис.2.

Узлы с использованием электромагнитных реле являются наиболее простыми, однако они имеют множество недостатков.

Рис.3.

Наиболее серьезными из них являются значительное время срабатывания, что не позволяет использовать их в импульсных устройствах управления, дребезг контактов, их искрение и обгорание, относительно малый ресурс, малая распространенность малогабаритных реле, способных коммутировать большие токи, большое содержание драгоценных металлов и высокая стоимость мощных реле.

В настоящее время узлы с электромагнитными реле считаются морально устаревшими и используются редко, в основном в устройствах, в которых переключение происходит достаточно редко.

Узлы с коммутацией диагонали диодного моста находят достаточно широкое применение в радиолюбительской практике.

Рис.4.

Для коммутации используются мощные высоковольтные транзисторы или тиристоры.

На рис. 1 показана типовая схема с коммутацией диодного моста с помощью транзистора, описанная, например, в [1, 2], а на рис. 2— с помощью тиристора [3, 4].

К недостаткам приведенных вариантов следует, в первую очередь, отнести гальваническую связь цепей управления с сетью.

При этом необходим изолированный источник питания и повышенные меры безопасности при наладке и эксплуатации.

Узел имеет большое число элементов, в том числе — пять мощных (четыре диода и транзистор или тиристор), которые при больших токах нагрузки имеют повышенную температуру и нуждаются в теплоотводе.

В последнее время за рубежом получили широкое распространение так называемые “твердотельные реле”, представляющие собой специализированный оптрон, светодиод которого открывает двунаправленный ключ, выполненный на полевых транзисторах.

Рис.5.

Примером может служить серия приборов HSR312/412 фирмы Fairchild Semiconductors [5] (рис. 3).

Твердотельные реле, рассчитанные на малые токи (до 1 А), иногда применяются для коммутации диагонали диодного моста, вследствие чего несколько уменьшаются габариты и стоимость изделия (рис. 4).

Сильноточные твердотельные реле могут использоваться для коммутации нагрузки непосредственно (рис. 5), но имеют очень высокую стоимость (несколько десятков долларов) и достаточно дефицитны, поэтому в отечественной практике применяются редко.

Довольно часто и в промышленной, и в радиолюбительской отечественной аппаратуре встречаются узлы с использованием оптотиристоров (например, Т0125-10) и оптосимисторов (например, ТСО142-40).

Рис.6.

Это довольно удобные в эксплуатации сильноточные приборы.

На рис. 6 показана типовая схема включения оптосимистора, а на рис. 7 — двух включенных встречно-параллельно оптотиристоров.

Описанные варианты имеют три серьезных недостатка.

Во-первых, эти полупроводниковые приборы имеют мощные светодиоды с большим током открывания (220...300 мА).

Это заставляет разработчиков использовать мощные транзисторные ключи, между коллектором и плюсом источника питания (+ 5В) которых включаются последовательно соединенные гасящий одноваттный резистор 15...22 Ом и светодиод оптосимистора или два соединенных последовательно светодиода оптотиристоров.

Рис.7.

Во-вторых, стоимость оптосимисторов довольно велика и составляет примерно $2,7...3, стоимость всего узла на оптосимисторе может достигать $4...5, а на двух оптотиристорах и того более.

В третьих, описываемые приборы недостаточно устойчиво открываются постоянным током при малых коммутируемых напряжениях или токах, что заставляет разработчиков для их включения использовать серию импульсов, усложняет схему и еще больше повышает стоимость.

Некоторые разработчики используют обычные симисторы, управляемые через динисторные или другие оптроны. Один из таких вариантов включения описан в [6] и показан на рис. 8.

Недостатками таких узлов являются необходимость тщательного подбора оптронов для обеспечения близких значений углов открывания симистора при разных полуволнах, а также значительное число элементов и относительно высокая стоимость.

Рис.8.

Учитывая актуальность проблемы управления нагрузкой, включенной в сеть переменного тока, а также недостатки описанных выше методов, некоторые фирмы освоили выпуск малогабаритных и низкостоимостных микросхем драйверов симисторов и тиристоров.

Наиболее известным производителем таких микросхем является фирма Fairchild Semiconductors [5].

Она производит микросхемы драйверов двух типов: с произвольным моментом включения и с привязанным к прохождению напряжения через нуль.

Первый тип микросхем содержит светодиод и оптосимистор, второй — те же элементы и специальную цепь определения перехода переменного напряжения через нуль (ZCC — Zero-Cross Circuit).

Рис.9.

Именно эта цепь и включает симистор в соответствующий момент.

Схема микросхемы драйвера с включением в произвольный момент показана на рис. 9, а микросхемы драйвера с включением в момент прохождения через нуль — на рис. 10.

Первый вариант микросхем предназначен для управления нагрузкой в устройствах с широтно-импульсной модуляцией.

При его использовании в момент включения мощных симисторов (тиристоров) возникают большие импульсные помехи, и требуется применение эффективных сетевых фильтров.

Рис.10.

Второй вариант предназначен для использования в медленнодействующих малошумящих коммутаторах, в которых мощные симисторы (тиристоры) включаются при малых напряжениях, близких к нулю, и не создают больших помех.

Стоимость таких микросхем достаточно низкая, примерно $0,5.

Микросхемы драйверов, имеющие индивидуальные номера, оканчивающиеся на 1, 2 и 3, обеспечивают включение нагрузки при подаче на светодиод тока, соответственно равного 15, 10 и 5 мА.

Рис.11.

Типовая схема включения драйвера для случая управления мощным симистором приведена на рис. 11, а для случая управления двумя встречно-параллельно включенными тиристорами — на рис. 12 [7].

Показанные на рисунках RC-цепочки, включенные параллельно симистору (тиристорам), рекомендуется использовать для улучшения их динамических характеристик.

Меньшее из диапазона сопротивление резистора соответствует резистивной нагрузке, а большее — индуктивной.

Стоимость такого узла обычно не превышает $2.

Хорошие динамические характеристики, низкие токи управления и малые габаритные размеры позволяют считать их наиболее целесообразными как для профессионального, так и для любительского применения.

 

Рис.12.

Приведенные в данной статье схемы управления нагрузкой, включенной в цепь переменного тока, а также отмеченные достоинства и недостатки позволят читателю легче ориентироваться в всех возможных вариантах решения этой задачи и выбрать вариант, наиболее удовлетворяющий конкретным техническим требованиям с учетом доступности и стоимости элементов.

 

 

Основные параметры микросхем драйверов фирмы Fairchild Semiconductors приведены в табл. 1.

О. Николайчук onic@ch.moldpac.md

Литература:

1. В. Янцев. Регулятор сетевого напряжения.— Моделист-конструктор, 1990, №4, с. 21.

2. С. Алексеев. Триггеры Шмитта без источника питания. — Схемотехника, 2002, № 12, с. 24.

3. Л. Бжевский. Светорегулятор с выдержкой времени.— Радио, 1989, № 10, с. 76.

4. С. Христофоров. Управление тринисторами и симисторами.— Схемотехника, 2001, № 12, с. 21—25.

5. https://www.onsemi.com

6. С. Карелин. Модификация тринисторного регулятора мощности.— Радио, 1990, № 11, с. 47.