Симисторный ключ вместо реле

• Содержание[Показать]

Самый простой вариант — Реле

Электромагнитное реле — самый простой вариант управления микроконтроллером нагрузкой 220В. По сути это обычный электромагнит. При подаче постоянного тока на катушку возникает магнитное поле, сердечник втягивается и замыкает выводы.

Для управления самим реле применимы те же методы, описанные в статье «Как управлять мотором постоянного тока». Важно обращать внимание на ток удержания реле и максимальный ток и коммутируемое напряжение. Как правило, ток удержания довольно высокий, около 100 мА, а напряжение 5 или 12В.

Поэтому управлять напрямую от микроконтроллера не получится. Нужен будет транзистор.

Управляем нагрузкой 220В с регулировкой мощности

Хотелось бы иметь возможность регулировать мощность, подаваемую на управляемый прибор в диапазоне от 0 до 100%. Вот эту задачу и будем решать.

Как известно бытовая электросеть имеет переменное напряжение 220В с частотой 50 Гц. На осциллограмме это выглядит так:

Напряжение меняется по синусоиде, меняя полярность каждые 10 мс. Ограничить полную мощность синусоиды можно двумя методами:

• фазовый метод
• метод полных полупериодов

В фазовом методе нагрузка отключается от сети на часть времени каждого полупериода, отключение производится обычно после перехода через 0. Напряжение подаваемое на нагрузку в этом случае выглядит так:

Рассмотрим подробнее как управлять нагрузкой методом полных периодов. Он обеспечивает меньшие помехи на сеть 220В, так как ток и напряжение в нагрузке нарастают синхронно и дают меньшие выбросы в сеть.

Симистор — мощный ключ для сети 220 В

Самый простой способ управления нагрузкой 220В — использовать реле. Оно позволяет с помощью постоянного напряжения управлять мощной нагрузкой. В этой статье не будет рассматривать этот метод, он достаточно простой. Достаточно подать напряжение на магнит реле и он замкнёт контакты.

К сожалению, реле не позволяет управлять нагрузкой достаточно быстро. При большом количестве включенийвыключений оно быстро выходит из строя. Также, в момент переключения возникают большие импульсные помехи. Использовать реле лучше при частоте управления не больше одного раза в 2-3 секунды.

Как мы уже знаем по статье «Как управлять мотором постоянного тока» в цепях постоянного тока транзистор является электронным ключом, устройством, которое позволяет малым напряжением или током управлять более мощной нагрузкой.

Для переменного тока тоже существуют такие электронные ключи — Симисторы.

Симистор проводит ток в обоих направлениях, поэтому используется в сетях переменного тока. Для управления нагрузкой основные электроды симистора включаются в цепь последовательно с нагрузкой.

В закрытом состоянии проводимость симистора отсутствует, нагрузка выключена.

При подаче на управляющий электрод отпирающего сигнала между основными электродами симистора возникает проводимость, нагрузка оказывается включённой.

Для удержания симистора в открытом состоянии нет необходимости постоянно подавать сигнал на управляющий электрод (в отличие от транзистора). Он остаётся открытым, пока протекающий через основные выводы ток превышает некоторую величину, называемую током удержания.

Отсюда следует, что выключение нагрузки в цепи переменного тока происходит вблизи моментов времени, когда ток через основные электроды симистора меняет направление (обычно это совпадает по времени со сменой полярности напряжения в сети переменного тока).

Эта точка на синусоиде называется переходом через ноль.

Симистором можно управлять напрямую от микроконтроллера, но для этого нужен довольно большой ток — 10-20 мА. Существуют также логические симисторы. У них ток управления составляет около 5 мА. В схемах лучше использовать обычные симисторы, они более защищены от самопроизвольного открытия. Что это такое и как можно управлять обычными симисторами? Читаем дальше.

Для начала посмотрим насколько мощной нагрузкой может управлять типичный симистор. Возьмём для примера симистор BT139-800. В datasheet обычно приводят графики выделяемой мощности на симисторе при управлении нагрузкой. Вот пример такого графика.

Из всех этих параметров следует, что без радиатора данный симистор может рассеять около 2Вт тепла. При управлении полными полупериодами нужно брать график тока для a=180 градусам. График в этой области практически линейный, поэтому можно сказать, что средний ток будет около 2А.

То есть без радиатора этот симистор сможет управлять нагрузкой в 2А * 220В = 440 Вт. В остальных случаях нужен будет радиатор.

Теперь разберёмся как микроконтроллер может управлять мощным симистором?

Оптосимистор — удобный метод управления мощным симистором микроконтроллером

Так как симистор проводит ток в обоих направлениях, то по отношению к его основным терминалам, управляющий ток может находится в четырёх квадратах.

В datasheet приводят, в каких квадрантах управляется конкретный симистор и какой для этого нужен ток. Например, выбранный симистор управляется во всех 4-х квадрантах. Но при этом различается управляющий ток и защитные свойства от ложных срабатываний.

Видно, что 4-ый квадрант самый невыгодный. Управляющий ток резко возрастает. Также и защитные свойства при таком управлении падают.

Отсюда следует вывод, что при управлении микроконтроллером лучше управлять в 1-3 квадранте.

Если управление прямое, то МК необходимо уметь менять полярность вывода, что сложно, или иметь общее с терминалом A1 плюсовое питание (управление будет во втором и третьем квадранте). Второй вариант не сложно реализовать при конденсаторном источнике питания. В этом appnote AN2986 подробно рассматривается этот случай.

Второй вариант — управлять через оптосимистор. Таких устройств довольно много и они стоят недорого. Например — MOC3041. Есть оптосимисторы со встроенной схемой контроля перехода через ноль, они могут выключаться только около нуля. Такой нам и нужен для схемы управления полными периодами. А есть без этой схемы. С их помощью можно управлять фазовым методом.

1. Схема управления с использование оптосимистора получается такая:
2. само устройство внутри выглядит так:
3. Управление в этом случае получается одной полярности с терминалом A2, то есть в первом и третьем квадранте.

Дополнительно оптосимистор изолирует схему работы микроконтроллера от сети, что уменьшает помехи, и повышает надёжность прибора. Если нет требований к компактности прибора, то рекомендуем использовать оптосимисторы для управления другими более мощными симисторами.

Цепь защиты симистора от помех в сети

В случае слишком быстрого изменения напряжения на основных выводах симистора или тока он может самопроизвольно открыться и начать проводить ток. Это очень неприятно. В основном это может произойти при управлении индуктивной нагрузкой (индуктивность сопротивляется изменению тока).

Но также это может происходить и при работе прибора с индуктивностью рядом в сети (например, когда через одну розетку работает мотор и управляемый микроконтроллером паяльный фен). В этом случае независимо от микроконтроллера управляемая нагрузка не будет отключаться от сети и ток будет продолжать идти.

Например, при управлении паяльным феном эта ситуация может привести даже к пожару.

Простой защитой от этого случая является снабберная цепь (резистор плюс конденсатор):

Но она не гарантирует работу во всех случаях. Параметры рассчитываются под конкретную индуктивность. Appnote AN-3004 подробно рассматривает расчет снаббера.

Второй вариант — использование симисторов работающих в 1-3 квадранте. Например, T405. Производитель указывает, что они могут использоваться для управления даже индуктивной нагрузкой без снаббера.

Фазовый метод

Для решения задачи фазового управления нагрузкой микроконтроллеру необходимо знать когда был совершён переход через ноль. Тогда можно будет рассчитать время задержки включения нагрузки.

Самый простой метод получения события перехода через ноль в сети переменного тока подробно описан в appnote AN521 от компании Microchip. Практически каждый микроконтроллер имеет высоковольтные защитные диоды на каждом цифровом входе. Это можно использовать, чтобы получить информацию о переходе через ноль.

Достаточно на входе поставить высокоомный резистор, ограничивающий ток на выводе МК, до значений указанных в datasheet на МК. В этом случае вывод в обычном цифровом режиме будет принимать значение 0 в момент перехода через ноль.

Временная задержка от реального состояния до реального будет минимальна и составляет около 50 мкс.

Минусом такой схемы является отсутствие гальванической развязки схемы управления от сети 220В. Если это необходимо, то можно использовать оптопару.

Ну а далее, уже можно управлять мощным симистором как было описано ранее, только если делать это через оптосимистр, то без схемы перехода через ноль.

В этой статье разобраны основные методы управления мощной нагрузкой сети переменного тока 220В с помощью симисторов. После прочтения теоретической части перейдём к практике. Паяльная станция — прибор, в котором микроконтроллер управляет мощным паяльным феном работающим от сети 220В.

Регулятор напряжения 220 В своими руками: схемы и способы сборки

Создав регулятор напряжения 220 В (в дальнейшем РН), пользователь получит возможность определять его величину, поступающую в электроприборы.

Станет возможной настройка уровня нагрева, света, оборотов не слишком мощных моторов бытовых аппаратов простым поворотом селектора на такой самоделке. Сборка не слишком сложная, поэтому кустарное изготовление целесообразное.

Мы выбрали и рассмотрели самые понятные схемы с обозначением характеристик деталей для конструирования РН 0–220 В своими руками.

Что такое регулятор напряжения 220 В

Сокращенное название рассматриваемого прибора — РН 0–220 В. Самый простой такой аппарат — это диммер для ламп накаливания. Устройство настраивает сетевые параметры напряжения, повышает/понижает степень выходного сигнала на диапазоне, зависимом от значения разности потенциалов на его выходе. Поддерживает заданный вольтаж цепи потребителя.

Аппарат регулирует (плавно или ступенчато) именно саму величину напряжения, вольтаж, от которого также зависит мощность в диапазоне возможностей подключенного агрегата. Работает с нагрузкой реактивной, активной, только надо уточнять, подходит ли конкретная сборка, особенно для последней. А также всегда надо сопоставлять, на какую обслуживаемую мощность (Ватты) рассчитана схема.

РН изменяет согласно настройкам пользователя уровень выходного сигнала из сети 220 В, подаваемый на подключенную к нему нагрузку. Таким образом, устанавливается параметр, подходящий для запитывания конкретного прибора, а чаще для регулировки его работы (снижение/повышение оборотов маломощных электромоторов, яркости света).

Важно: РН-220 В понижает/повышает только значение напряжения (В), выходящего из сети 220 В — ток (Амперы), мощность (Вт, кВт) он не регулирует, эти величины изменяются уже самой полезной нагрузкой, ограниченной рамками своих характеристик, согласно поданным вольтам. Прибор иногда называют «регулятором мощности», так как изменяются также возможности подключенного потребителя по указанным параметрам. Но РН надо отличать от такового, как и от регулятора тока.

Регулятор напряжения применяют:

• для изменения оборотов небольших моторчиков бытовых устройств (скорости блендера, фена), реже, поскольку не все схемы подходят, — для более мощных двигателей (например, дрели);
• для других приборов, работу которых можно настраивать. А чаще (и это наиболее корректное и эффективное использование) для уровня освещенности (диммер), громкости звука, нагрева ТЭНов, паяльника,
• во всех случаях, если на цепи надо создать определенное напряжение, например, 12 В.

Чаще всего бытовой РН 0–220 В применяется для плавного вкл./выкл. приборов.

В заводских моделях обычно также есть микросхема для стабилизации напряжения при его скачках, обеспечивающая работу приборов в любом режиме. Тиристорный регулятор по англоязычным стандартам именуют Voltage Controller. РН снабжают универсальные блоки питания, на которых можно настраивать вольтаж.

Виды, принцип работы, особенности

РН по нашей теме предназначен только для переменного напряжения, то есть для обычной домашней сети 220 В.

Чаще всего собирают на базе таких деталей:

• тиристоры;
• симисторы;
• транзисторы.

В схемах присутствуют также конденсаторы, резисторы постоянные, настроечные. Именно селекторами последних осуществляется регулировка. Сложные сборки могут включать микросхемы.

РН максимально результативные для резистивных (активных, омических) нагрузок, то есть являющихся частью потребляемой мощности подсоединяемого/отключаемого потребителя. Это сопротивление движению тока, например, в виде резистора, на точке, где электричество преобразовывается в тепло.

Резистивная нагрузка — это нагревательные элементы, ТЭНы, лампы накаливания (не «экономки»).

В индуктивной нагрузке ток (там он значительно ниже, чем при резистивной) отстает от напряжения, создается реактивная мощность. Это асинхронные электродвигатели, электромагниты, дроссели, трансформаторы, выпрямители. С ними РН не будут работать или будут, но не эффективно, создавая риск поломки оборудования. Там регуляторы напряжения не всегда целесообразные.

Тиристорный прибор нельзя использовать со светодиодными (экономными) и люминисцентными лампами. Конденсаторные регуляторы не позволяют плавно менять напряжение.

Сборка регулятора напряжения на симисторах

В основе работы симисторного РН — фазовое смещение открывания ключа. Детали схемы можно разделить на две группы:

• силовые (ключ) — симистор;
• создающие управляющие импульсы, база на симметричном динисторе.

С помощью резисторов R1 и 2 сконструирован делитель напряжения. Сопротивление на первом переменное, что дает возможность регулировать значение на отрезке R2–C1. Между указанными деталями поставлен динистор DB3. Конструкция работает с мощностью около 100–150 Вт.

Алгоритм работы:

1. В момент достижения напряжения на конденсаторе C1 точки открытия динистора, на симистор (он же является силовым ключом) VS1 поступает импульс для управления — он активируется.
2. Через симистор начинает протекать ток на подключенный прибор.
3. Положением регулятора выставляют часть фазы волны, где срабатывает силовой ключ.

Второй вариант

Данный способ сборки на симисторе своими руками почти аналогичен предыдущему. Схема базируется на дешевом симисторе BT136. Сборка предназначена для работы в пределах 100 Вт.

Потребуется следующее:

Как работает: через цепь DN1 (динист.) — C1 (конд.) — D1 (диод) ток течет на DN2 (симист.). Последний открывается и момент этого зависит от емкости C1, заряжаемого через R1 и 2 (резисторы). Получается требуемый алгоритм: модуляцией сопротивления R1 настраивается скорость заряда конденсатора.

Конструкция чрезвычайно простая, но отлично справляется с настройкой вольтажа нагревательных приборов с вольфрамовой нитью. Но есть минус: отсутствует обратная связь, поэтому применять самоделку для регулировки оборотов коллекторного электродвигателя нельзя.

Третий вариант РН на симисторе с иллюстрацией этапов, фото деталей

Нижеуказанная схема может обслужить нагрузку до 1 кВт. Потребуется конденсатор 0.1 мкФ×400 В и следующее:

• 
• Графически схема выглядит так:
• Детали можно спаять между собой, но рассмотрим вариант с платой — ее вытравливают и лудят стандартными методами, макет ниже:

Припаиваем симистор, переменный резистор. Конденсатор в нашем случае на плате со стороны лужения, так как у пользователя он был со слишком короткими ножками.

Далее, динистор: у него нет полярности, вставляем как угодно. Затем установка всего остального: диода, резистора, светодиода, перемычки, винтового клеммника.

1. Конструкция помещается в любую коробочку, пример:

Самоделка в дополнительных настройках не нуждается. Можно применять не только для сети 220 В на стандартные приборы, но и для любого источника с переменным током от 20 до 500 В. Данный диапазон определен предельными характеристиками радиоэлементов.

На транзисторах

Сборки на транзисторах больше подходят для индуктивной нагрузки, ими можно регулировать обороты электродвигателей.

Простая схема

Данная сборка очень практичная — этот регулятор напряжения представляет собой простой блок питания, универсальный адаптер к радиоустройствам на разные напряжения (вольтаж). Собрать сможет даже пользователь с начальными познаниями и небольшим опытом.

Элементы:

• транзистор КТ815Г, можно и 817 Г;
• переменник на 10 кОм;
• резистор стандартный 0.125 Вт на 1 кОм

• Спаять элементы можно без площадки, но покажем, как это сделано с ней. Создаем плату:
• Пайка компонентов:

1. Транзистор, важно не перепутать его выводы (эмиттер и базу).
2. Резистор на 1 кОм.
3. Впаиваем с проводами переменник на 10 кОм. Можно применить и другой, припаять сразу, без них, если позволяет типоразмер.
4. Четыре вывода — к питанию, к выходам.

Подсоединяем к питанию, выход оснащаем светодиодом, подключаем нагрузку (лампу), моторчик, тот же светодиод (в нашем примере он). Двигаем регулятор — наблюдаем изменение напряжения.

Особенность: диапазон обслуживаемой мощность и ток нагрузки ограничены предельными характеристиками транзистора — примерно половина 1 Ампера. Для увеличения диапазона такого регулируемого стабилизатора надо брать транзисторы КТ805, 819.

Другие варианты маломощных транзисторных схем

С 2 деталями: транзистором и переменником. Алгоритм элементарный: последний указанный элемент индуцирует (отпирает) первый. Чем ниже номинал настроечного резистора, тем более плавная регулировка. Это вариант для маломощной нагрузки, например, для вентиляторов, слабых электромоторчиков, светодиодов. Транзистор нагревается сильно, поэтому радиатор желательный.

Мощная сборка

Опишем особо мощный регулятор для нагрузки в несколько кВт. Тут ток на нагрузку идет также через симистор, но управляется все через каскад транзисторов. Переменником настраивается ток, поступающий в базу первого транз.

(маломощного), а тот посредством коллекторно-эмиторного перехода осуществляет управление базой уже мощного транз., который реализует открывание/закрывание симистора.

Так создается возможность очень плавной настройки огромных токов на нагрузке.

Схема самодельного РН 220 В с тиристорами

Тиристорные сборки также эффективные, одновременно они не отличаются особой сложностью. Силовым ключом тут выступает тиристор. Главное отличие от самоделок на симисторах — каждая полуволна имеет свой индивидуальный ключ, снабженный динистором для управления.

Для схемы взяли отечественные детали. При установке тиристора VS1, диодов VD1–VD4 на радиаторы (охладители), то устройство сможет работать с нагрузкой в 10 А: при 220 В можно будет обслуживать 2.3 кВт.

В сборке лишь 2 силовых элемента: диодный мост, тиристор. Детали рассчитаны на 400 В, ток 10 А. мост трансформирует переменное напряжение в однополярное пульсирующее, фазовую настройку полупериодов обеспечивает тиристор.

R1 и 2, стабилитрон VD5 — это параметрический стабилизатор, ограничивающий напряжение, подаваемое в узел управления на отметке 15 В. Последовательное размещение резисторов требуется для повышения пробивного напряжения и рассеиваемой мощности.

C1 без заряда, в месте соединения R6 и 7 тоже нулевое напряжение, но постепенно оно там растет.

Чем ниже сопротивление на резисторе R4, тем быстрее через эммитер VT1 перегонится напряжение на его базе, транзистор откроется. VT1 и 2 (транзисторы) — это состав маломощного тиристора.

При достижении значения на переходе база/эмиттер VT1 пороговой отметки транзистор открывается и отпирает VT2, а тот в свою очередь — тиристор.

Второй вариант

Описанным ниже регулятором настраивают скорость вращения электродвигателей, нагрев паяльника и подобное.

Такой прибор отчасти верно назвать регулятором мощности, но правильно будет также именовать его и РН, так как, по сути происходит регулировка фазы — времени, за которое сетевая полуволна попадает в нагрузку.

С одной стороны настраивается напряжение через скважность импульса, с иной — мощность появляющаяся на нагрузке.

Наиболее результативный прибор для резистивной нагрузки — лампочек, нагревателей. С индуктивной будет справляться, но не так эффективно, при слишком малой величине точность диапазона настройки снизится. Существуют две почти идентичные схемы по описываемому варианту:

Схема регулятора состоит из доступных деталей, ее можно полностью собрать из таковых даже советского периода. При включении (как на изображении) выпрямительных диодов прибор выдержит до 5 А, что соответствует 800 Вт…1  кВт. Но надо поставить радиаторы для охлаждения.

Основа изделия:

• тирист. КУ202Н;
• Т1–Т2 (КТ315 и КТ361) — это аналог 1-переходного транзистора.

Алгоритм:

1. Когда напряжение на конд. С1 (470 nF) сравнивается таковому в точке соединения резист. R3 и 4 (10 кОм и 2.2 кОм), тогда транзисторы открываются.
2. От них подается импульс управляющему электроду тиристора.
3. При этом C1 тратит свой заряд, тиристор открывается до следующего полупериода.

Мощность можно повысить, если заменить диоды, рассчитанные на больший необходимый ток. Также можно вместо тиристора КУ202 с пределом в 10 А поставить помощнее: Т122, Т132, Т142.

Деталей не много, допустим навесной монтаж, но с платой сборка будет красивее и комфортнее. Стабилитрон Д814В можно поменять на любой с 12–15 В. Из коробочки выведен разъем для вилки.

Модификация, особенности, демонстрация работы

Схема также может поместиться в корпусе наружной розетки, в маленькой пластиковой распаячной коробке. Мощность самоделки ограничена диодным мостом (1000 В, 4 А), тиристором. Напомним, в нашем примере предел чуть больше 800 Вт, максимум — 1000 Вт. Для бытовых условий этого более чем достаточно.

1. Радиаторы на тиристоры и диоды крайне рекомендованы — в данном случае они не просто желательные, а жизненно необходимые, так как перегрев может быть значительным. Минимальная мощность резистора R1 — 2 Вт
2. Демонстрация:

Другие популярные схемы

Приведем простые, доступные проверенные схемы. Опишем их кратко, так как на самом изображении есть расшифровка элементов.

Для паяльника

• Чрезвычайно простые схемы для плавной регулировки нагрева паяльника применяют для предотвращения перегрев жала.
• Первая схема включает мощный симистор, управляющий линией тиристор-переменник.
• Другой простейший вариант для паяльника: нагрузка управляется одним тиристором, степень включения его определяется регулировкой переменного резистора, диод поставлен для защиты от обратного напряжения.

На микросхеме

Применена микросхема фазового регулирования 1182ПМ1. Этот контроллер управляет уровнем открытия симистора, который контролирует нагрузку. Хорошо подойдет для настройки яркости лампочек накаливания.

Для лампочек накаливания с тиристором

Данная сборка регулирует накал обычных лампочек. Регулятор напряжения 220 В на тиристоре своими руками конструируется из диодного моста, конденсатора, двух резисторов — постоянного и переменника. Селектором последнего меняется влияние на ключ этого тиристора, что модулирует его пропускную способность по току.

Советы

Фазные регуляторы создают значительные помехи в сети, поэтому на кабель питания ставят сглаживающие фильтры. Самыми элементарными такими приспособлениями являются ферритовые кольца (часто их имеют шнуры компьютерные, от мониторов). Есть разборные блочки с ними, устанавливаемые защелкиванием, но также можно такие кольца взять от трансформаторов от б/у плат с микросхемами.

Все элементы обязательно изолируют, учитывают, что на них подается 220 В и значительный ток.

Предостережения по индуктивной нагрузке

При высокоиндуктивной нагрузке, для которой характерно отставание тока напряжения, тиристоры могут не закрываться до конца, есть риск поломки обслуживаемых приборов — дрелей, шлифмашинок, болгарок. Поэтому надо уточнять на спецфорумах параметры сборки для такого оснащения, для него есть именно специализированные устройства — регуляторы оборотов.

Тиристорный РН хорошо функционирует в коллекторных двигателях со щеточными узлами, в асинхронных устройствах изменять обороты не сможет.

Видео по теме

Твердотельное реле из симистора для коммутации мощной нагрузки через Ардуино

Для управления мощной нагрузкой через Андуино или любой другой микроконтроллер, в одной из статей я использовал реле модули, построенные на электромеханическом реле.

При очень частом срабатывании механических контактов, они могут изнашиваться, тем самым влиять на работу того устройства, в котором применяется данное реле. Что бы избавится от этого недостатка, можно использовать твердотельное реле, в котором нет механических контактов.

На практике подобные заводские реле стоят дорого, поэтому попробуем собрать самодельное твердотельные реле, на основе симистора, которым будем управлять мощной нагрузкой через Ардуино.

• Помимо отсутствия механических контактов, твердотельное реле имеет ещё ряд преимуществ:— Имеют меньшие габариты;- Высокая скорость переключения;- Бесшумность — поскольку нет движущихся механических контактов, реле не создаёт звукового шума;- При переключении нет скачка напряжения и не возникают радиопомехи;
• — Отсутствие искры между контактами позволяет использовать этот тип реле во взрыво- и пожаро- опасном окружении.

Заводское твердотельное реле стоит дороже электромеханического, что затрудняет использовать его в радиолюбительских конструкциях. Для примера, электромеханическое реле Songle SRD-05VDC-SL-C стоит порядка $0,7 и может коммутировать нагрузку до 10А. Твердотельное реле Omron G3MB-202P стоит порядка $2 и может коммутировать нагрузку до 2А.

Поскольку в основе твердотельных реле лежат полупроводниковые технологии, нагрузка в которых коммутируется с помощью симистора или полевого транзистора, ничего не мешает нам построить подобное самодельное реле. В приведённом ниже примере попробуем собрать твердотельные реле на основе симистора.

Симистор это такой полупроводниковый прибор, который позволяет управлять мощной нагрузкой в цепях переменного тока. Обычно используется при коммутации электродвигателей, ламп накаливания и нагревательных элементов.  Другое название этого прибора — триак или симмертичный триодный тиристор.  В своём примете в качестве мощной нагрузки я буду использовать лампочку на 220В.

Симистор подойдёт любой, рассчитанный на напряжении более 220В и необходимый ток коммутации нагрузки.

В моём распоряжении оказались симисторы производства STM (STMicroelectronics): BTA12-600, который может коммутировать нагрузку с током до 12А и более мощный BTA41-600B (ток до 40А).

Первая цифра в маркировке симисторов этого производителя обозначает ток, а вторая напряжение коммутации.

Стоит так же обратить внимание что у некоторых симисторов центральный вывод и подложка радиатора будут соединены, а значит на подложке будет присутствовать высокое напряжение, которое так же будет и на радиаторе охлаждения. Такие симисторы имеют маркировку BTB. У симисторов с маркировкой BTA подложка изолирована от высокого напряжения.

Внешний вид BTA12-600 и BTA41-600B, а так же общее схематическое обозначение.

Управляемые выводы Т1 и Т2 (могут так же обозначаться как А1 и А2) могут проводить ток в оба направления. В закрытом состоянии между выводами отсутствует проводимость. Для возникновения проводимости необходимо на управляющий электрод G (gate) подать управляющий ток.

Что бы защитить микроконтроллер (в данном случае Ардуино) от высокого напряжения нагрузки, нужно организовать гальваническую развязку.

Для этих целей применяются оптосимисторы, которые выдерживают напряжения до 7,5кВ, между микроконтроллером и нагрузкой. Подойдёт любой оптосимистор со схемой детектора нуля.

Схема детектора нуля позволяет открывать и закрывать симистор, когда синусоида будет проходить через нуль.

Применение оптосимисторов со схемой детектора нуля удобно использовать если требуется только включать или отключать нагрузку.

Подойдут следующие модели: MOC3031 — MOC3033, MOC3041 — MOC3043, MOC3061 — MOC3063 и MOC3081 — MOC3083.

Если необходим фазовый регулятор, например для изменения оборотов электродвигателя или управлять яркостью лампы, лучше применять оптосимистор без схемы детектора нуля, такие как MOC3020 — MOC3023.

В своих примерах я использую MOC3041, его внешний вид и обозначение с выводами.

Схема твердотельного реле на симисторе это типичная схема подключения, взятая из даташита MOC3041.

Для ограничение тока, протекающего через светодиод оптосимистора, необходимо подобрать резистор R1, который рассчитывается по формуле: R1 = (Uпит — Uled)/IF

Uпит — напряжение, которое будет использоваться для питания светодиода. Поскольку я буду управлять схемой от 5-вольтовой Ардуино, на её выводе будет присутствовать логическая единица с напряжением 5 вольт. В моём случае Uпит = 5 вольт.

Uled — падение напряжения на светодиоде оптосимистора. Падение составляет 1,5 ВIF — рабочий ток светодиода (берётся из даташита, значение IFT), для MOC3041 — 15 мАR1 = (5 — 1.5) / 0.015 = 233 Ом.

Берём ближайший номинал, с округлением в большую сторону, выходит 240 Ом.

Для того что бы как то наблюдать за наличием логической единицы, можно добавить индикаторный светодиод. В таком случае нужно пересчитать R1, суммируя падение напряжения на обоих светодиодах: R1 = (5 — (1.5 + 2)) / 0.015 = 100 Ом.

Если у вас будет использоваться Ардуино или другой микроконтроллер с логическими уровняли 3,3 В, номинал R1 пересчитываете для своего случая.

Связка R4-C1 снижает скорость нарастания напряжения на симисторе. Конденсатор C1 на 0,01 мкФ должен быть плёночным на 400В. Резистор R4 на 1Вт. Мощность R2, R3 от 0,5Вт.

Твердотельное реле на симисторе собранное собственноручно. На плате предусмотрел вариант установки более мощного симистора BTA41-600B и радиатора. Вместо перемычки на плате будет установлен предохранитель.

Радиатор применил от старого спутникового ресивера.

Вывод, который через R1 подключается к первой ножке оптосимистора, подключаем к любому цифровому пину Андуино. В моём примере это будет 7 пин.

1. Вывод от 2-й ножки оптосимистора (у меня подключено через индикаторный светодиод) подключаем к пину GND Ардуино.
2. Для работы с данным модулем подойдут те же скетчи, что использовались в статье про электромеханическое реле.
3. Скетч мигалка

int relayPin = 7; void setup() { pinMode(relayPin, OUTPUT);} void loop() { digitalWrite(relayPin, LOW); delay(5000); digitalWrite(relayPin, HIGH); delay(5000);}

Подключение тактовой кнопки.

Тактовая кнопка подключается с подтягивающим резистором 10к.Один контакт кнопки подключается к пину 5V, второй к любому цифровому пину Arduino, у меня это 14 пин, который может быть как аналоговым (А0), так и цифровым.

Скетч с тактовой кнопкой, при нажатии на неё лампочка загорится, при отпускании — погаснет.

int relayPin = 7; void setup() { pinMode(relayPin, OUTPUT);} void loop() { if(digitalRead(14)==HIGH) { digitalWrite(relayPin, HIGH); delay(300); } else { digitalWrite(relayPin, LOW); delay(300); }}

Тактовая кнопка в качестве выключателя.

Данный скетч позволяет при нажатии на кнопку, зажечь лампочку, при отпускании кнопки, лампочка будет продолжать гореть. Для того что бы её погасить, нужно ещё раз нажать на кнопку.

int relayPin = 7;int flag=0; void setup()    { pinMode(relayPin, OUTPUT);          } void loop() { if(digitalRead(14)==HIGH&&flag==0) {     digitalWrite(relayPin,!digitalRead(relayPin)); flag=1;      } if(digitalRead(14)==LOW&&flag==1) { flag=0; } }

• Результат выполнения скетча на видео.
• В отличии от электромеханического реле, здесь не получится использовать в качестве нагрузки дешёвую китайскую лампочку, в выключенном состоянии она будет тускло светится.

Замена э/м реле на симисторный ключ в выключателе Livolo

Решил я в квартиру накупить сенсорных выключателей. Вообще началось все с соседа, который жаловался, что они слышат, как мы пользуемся выключателем в спальне (дом — панелька). Ха ха. Я этому значения особо не придал, но червячок зашевелился. Хотелось, как в Stargate Atlantis, включать свет махом руки у выключателя.

Наткнулся на эти выключатели у российских магазинов, где они достаточно дороги. На Али они же оказались несколько дешевле. Вот только неоднозначно было, то ли они на реле, то ли на ключах. В обзорах встречаются и те и те, причем выключатели с ключами помаргивают лампочками, судя по отзывам. Может в силу схемотехники, или использования простых дешевых компонентов.

Заказал один на пробу. Пробу он прошел на ура, но подло щелкал релюшкой как дешевый кнопочный выключатель.

Поэтому решил заменить реле на ключ. Задача осложнялась двумя неудобствами: оптопара работает по управлению на 5в, а выключатель на 12, и, как выяснилось в последствии, реле импульсное (первый раз с такими столкнулся).

Пришлось думать, откуда взять постоянный сигнал на управление и куда впихнуть делитель, чтобы делать из 12в 5.

Сам ключ получился по габаритам недалеким от родного реле

В данном случае собрать на плату не получалось и в угоду компактности пришлось лепить навесным монтажом. Да и то на двойной выключатель такая конструкция не встанет, надо искать двойную оптопару, для уменьшения занимаемой площади.

После попыток реверс-инженеринга выключателя, я нашел только одну точку с постоянным и подходящим управляющим напряжением — питание светодиодов индикации. Да и при напряжении 3в не нужен громоздкий делитель.

Потребление у оптопары очень маленькое, питания индикатора должно хватить. Бонусом — выбор цвета индикации вкл/выкл заменой точки подключения ключа.

За монтаж просьба сильно ногами не пинать — отладочный образец. На остальных придумаю, как более компактно и аккуратно все скомпоновать и подключить.

Точка снятия управляющего сигнала. (+3в)

Точка снятия управляющего сигнала  (-3в). Вторая нога разъема справа, в нижнем ряду по фото.

Общий вид того, что получилось.

Проводок, опоясывающий сенсор добавлен для увеличения активной площади сенсора, чтобы не надо было пальцем тыкать в центр, а достаточно было махнуть рукой около выключателя.

Как результат — выключатель работает бесшумно. Лампочки (LED и энергосберегайки) не моргают и не светят в полнакала. Ключ и схемы выключателя не греются.

• Состав ключа:
• оптопара MOC3023 и симистор Q8025L6 (все снято с плат от дохлых ИБП)
• Схема стандартная из датащита на МОС:

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

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!!!

Управление нагрузкой 220 вольт БЕЗ реле! 58

При автоматизации дома или квартиры необходимо управлять электрическими приборами работающими от напряжения 220 вольт. К сожалению контроллер arduino не может коммутировать такое большое напряжение на прямую. Необходим посредник. Первое что приходит на ум — РЕЛЕ.

У данного способа есть и плюсы и минусы. К плюсам можно отнести гальваническую развязку, возможность коммутировать все, что душе  угодно (постоянный или переменный ток, любое напряжение до 250 вольт)

Минусы — дребезг контактов и щёлкает. Не такой большой минус, но он есть.

Как я не раз уже говорил: “Главное — это семья!” и если кому-то из близких не комфортно, необходимо постараться исправить.

После заявления родных о том, что “что-то там щёлкает и пугает…” решил собрать полупроводниковый ключ переменного напряжения. На просторах интернета не составило труда найти подробное описание и схему данного устройства.

Главные действующие герои ключа переменного напряжения — симистор и оптопара.

Симистор сам по себе уже является ключом переменного напряжения, но для управления симистором мы будем использовать оптопару, для того что бы обеспечить гальваническую развязку.

Рассматривая различные варианты я решил взять оптопару MOC3063. Дело в том, что она с детектором перехода нуля коммутируемого напряжения. Другими словами симистор будет открываться и закрываться в тот момент когда синусоида проходит через ноль. Данное свойство позволит продлить жизнь коммутируемым приборам…

• Но хватит ходить вокруг да около.
• Принципиальная схема:
• Исходя из своих потребностей решил делать двух канальный ключ.
• Нарисовал плату:

скачать PDF или в формате SprintLayout6 скачать

скачать программу для редактирования печатных плат SprintLayout6

Изготовил плату старым добрым способом «лазерного утюга» (ЛУТ). Только вместо утюга был использован ламинатор.

Стоимость деталей:

1. оптопара MOC3063 — 38 руб. х2 шт.
2. симистор BT138-600 — 30 руб. х2 шт.
3. резисторы 6 шт. по рублю.
4. кусок стеклотекстолита фольгированного — бесплатно (ориентировочно 10-15 руб.)
5. клемники — можно считать бесплатными т.к. уже давно купил их 100500 штук.
6. хлорное железо, припой и паяльник не считаем.

Итого около 150 руб.

 Плюсы:

1. полезно для коммутируемых устройств
2. гальваническая развязка
3. БЕСШУМНО!

Минусы:

1. только переменное напряжение

Фото того, что получилось: