У цій статті розглядається кілька простих варіантів управління навантаженням, включеною в ланцюг змінного струму, і описуються їх переваги і недоліки.
При створенні сучасних пристроїв автоматики часто виникає задача комутації навантаження, включеної в ланцюг змінного струму. Такий навантаженням можуть бути різні нагрівальні та освітлювальні елементи, силові пускачі, трансформатори, двигуни і т. П.
Існує багато відносно простих схем вузлів, що дозволяють виконати це завдання.
Всі варіанти можна розділити на ряд груп:
• використання електромагнітних реле;
• комутація діагоналі діодного моста;
• використання твердотільних реле;
• використання оптотірісторов і оптосімістори;
• використання драйверів тиристорів і сімісторов.
Вузли з використанням електромагнітних реле є найбільш простими, проте вони мають безліч недоліків.
В даний час вузли з електромагнітними реле вважаються морально застарілими і використовуються рідко, в основному в пристроях, в яких перемикання відбувається досить рідко.
Вузли з комутацією діагоналі діодного моста знаходять досить широке застосування в радіоаматорського практиці.
Для комутації використовуються потужні високовольтні транзистори або тиристори.
На рис. 1 показана типова схема з комутацією діодного моста за допомогою транзистора, описана, наприклад, в [1, 2], а на рис. 2 за допомогою тиристора [3, 4].
До недоліків наведених варіантів слід, в першу чергу, віднести гальванічну зв'язок ланцюгів управління з мережею.
При цьому необхідний ізольоване джерело живлення і підвищені заходи безпеки при налагодженні і експлуатації.
Вузол має велике число елементів, в тому числі - п'ять потужних (чотири діода і транзистор або тиристор), які при великих токах навантаження мають підвищену температуру і потребують теплоотводе.
Останнім часом за кордоном набули широкого поширення так звані "твердотільні реле", що представляють собою спеціалізований оптрон, світлодіод якого відкриває двонаправлений ключ, виконаний на польових транзисторах.
Прикладом може служити серія приладів HSR312 / 412 фірми Fairchild Semiconductors [5] (рис. 3).
Твердотільні реле, розраховані на малі струми (до 1 А), іноді застосовуються для комутації діагоналі діодного моста, внаслідок чого кілька зменшуються габарити і вартість виробу (рис. 4).
Потужнострумові твердотільні реле можуть використовуватися для комутації навантаження безпосередньо (рис. 5), але мають дуже високу вартість (кілька десятків доларів) і досить дефіцитні, тому у вітчизняній практиці застосовуються рідко.
Досить часто і в промисловій, і в радіоаматорського вітчизняної апаратурі зустрічаються вузли з використанням оптотірісторов (наприклад, Т0125-10) і оптосімістори (наприклад, ТСО142-40).
Це досить зручні в експлуатації сільноточние прилади.
На рис. 6 показана типова схема включення оптосімістори, а на рис. 7 - двох включених зустрічно-паралельно оптотірісторов.
Описані варіанти мають три серйозні недоліки.
По-перше, ці напівпровідникові прилади мають потужні світлодіоди з великим струмом відкривання (220. 300 мА).
Це змушує розробників використовувати потужні транзисторні ключі, між колектором і плюсом джерела живлення (+ 5 В) яких включаються послідовно з'єднані гасить одноватний резистор 15. 22 Ом і світлодіод оптосімістори або два з'єднаних послідовно світлодіода оптотірісторов.
По-друге, вартість оптосімістори досить велика і складає приблизно $ 2,7. 3, вартість всього вузла на оптосімістори може досягати $ 4. 5, а на двох Оптотиристори і того більше.
По-третє, описувані прилади недостатньо стійко відкриваються постійним струмом при малих комутованих напружених або токах, що змушує розробників для їх включення використовувати серію імпульсів, ускладнює схему і ще більше підвищує вартість.
Деякі розробники використовують звичайні сімістори, керовані через діністорние або інші оптрони. Один з таких варіантів включення описаний в [6] і показаний на рис. 8.
Недоліками таких вузлів є необхідність ретельного підбору оптронов для забезпечення близьких значень кутів відкривання симистора при різних напівхвилях, а також значне число елементів і відносно висока вартість.
З огляду на актуальність проблеми управління навантаженням, включеною в мережу змінного струму, а також недоліки описаних вище методів, деякі фірми освоїли випуск малогабаритних і низьковартісних мікросхем драйверів сімісторов і тиристорів.
Найбільш відомим виробником таких мікросхем є фірма Fairchild Semiconductors [5].
Вона виробляє мікросхеми драйверів двох типів: з довільним моментом включення і з прив'язаним до проходження напруги через нуль.
Перший тип мікросхем містить світлодіод і оптосімістори, другий - ті ж елементи і спеціальну ланцюг визначення переходу змінної напруги через нуль (ZCC - Zero-Cross Circuit).
Саме цей ланцюг і включає симистор в відповідний момент.
Схема мікросхеми драйвера з включенням в довільний момент показана на рис. 9, а мікросхеми драйвера з включенням в момент проходження через нуль - на рис. 10.
Перший варіант мікросхем призначений для управління навантаженням в пристроях з широтно-імпульсною модуляцією.
При його використанні в момент включення потужних сімісторов (тиристорів) виникають великі імпульсні перешкоди. і потрібне застосування ефективних мережевих фільтрів.
Другий варіант призначений для використання в повільнодіючих малошумливих комутаторах, в яких потужні сімістори (тиристори) включаються при малих напругах, близьких до нуля, і не створюють великих перешкод.
Вартість таких мікросхем досить низька, приблизно $ 0,5.
Мікросхеми драйверів, які мають індивідуальні номери, що закінчуються на 1, 2 і 3, забезпечують включення навантаження при подачі на світлодіод струму, відповідно рівного 15, 10 і 5 мА.
Типова схема включення драйвера для випадку управління потужним симистором приведена на рис. 11, а для випадку управління двома зустрічно-паралельно включеними тиристорами - на рис. 12 [7].
Показання на малюнках RC-ланцюжка, включені паралельно сімісторов (тиристорам), рекомендується використовувати для поліпшення їх динамічних характеристик.
Менше з діапазону опір резистора відповідає резистивной навантаженні, а більше - індуктивної.
Вартість такого вузла зазвичай не перевищує $ 2.
Хороші динамічні характеристики, низькі струми управління і малі габаритні розміри дозволяють вважати їх найбільш доцільними як для професійного, так і для аматорського застосування.
Наведені в даній статті схеми управління навантаженням, включеною в ланцюг змінного струму, а також відмічені достоїнства і недоліки дозволять читачеві легше орієнтуватися в усіх можливих варіантах вирішення цього завдання і вибрати варіант, найбільш задовольняє конкретним технічним вимогам з урахуванням доступності та вартості елементів.
Основні параметри мікросхем драйверів фірми Fairchild Semiconductors наведені в табл. 1.
3. Л. Бжевскій. Світлорегулятор з витримкою часу.- Радіо, 1989, № 10, с. 76.