Коммутация сетевой нагрузки симистором

Простая схема модуля включения-отключения силового устройства мощностью до 2,2 кВт (220 В) с гальванической развязкой между уп­рав­ляющей схемой и коммутируемой нагрузкой

С началом производства симисторов (триаков), пришедших на смену тиристорам, схемы коммутации силовых нагрузок в цепях переменного тока значительно упростились. Для иллюстрации этого тезиса приведём простую схему включения-отключения мощной нагрузки, запитывающейся от сети, с управлением от любого низковольтного устройства, будь то: микроконтроллер, логическая микросхема или узел, собранный на транзисторах.

В качестве примера рассмотрим схему модуля коммутации силовой нагрузки 2,2 кВт 220 В, выпускаемого в виде конструктора небезызвестной компанией "Мастер Кит". Для начала остановимся на описании модуля, приведённого производителем и некоторыми сетевыми источниками, а затем обсудим некоторые шероховатости схемы и способы их устранения.

Модуль коммутации силовой нагрузки 2,2кВт (220В) NM0501

«Данное симисторное силовое реле может быть использовано в радиолюбительских конструкциях для коммутации сильноточных цепей и гальванической развязки между коммутируемой нагрузкой и управляющей схемой. Принципиальная схема модуля приведена на Рис.1.

Рис.1 Схема симисторного коммутатора силовой нагрузки

Основные технические характеристики:

Мощность коммутируемой нагрузки, кВт   —   2.2 Напряжение питания нагрузки, В   —   220 Гальваническая развязка   —   да

Коммутирующим элементом данного модуля является мощный симистор BTA12-600 (T1), для управления которым используется оптосимистор MOC3023 (А1).
Этот оптосимистор выполняет одновременно функцию включения или выключения силового симистора во время перехода синусоиды напряжения питания нагрузки через ноль и функцию гальванической развязки между силовой и слаботочной частями конструкции. Посредством этого исключается проникновение в бытовую сеть помехи от включения или выключения симистора, а так же попадание высокого напряжения на низковольтную часть схемы.

Как уже было сказано, на управляющий вход оптосимистора (контакты 1, 2) через ограничительный резистор R1 подаётся управляющее напряжение со стороны слаботочной схемы. От положительного уровня управляющего напряжения оптосимистор открывается и открывает основной силовой симистор, в результате чего нагрузка включается.
Таким образом, для того чтобы включить нагрузку, на управляющий вход необходимо подать высокий уровень, для выключения – низкий.

Для предотвращения ложных срабатываний симистора, вызванных переходными процессами в индуктивных нагрузках (например, в электродвигателях), включена демпферная (снабберная) RC-цепь R4, С1.

Светодиод HL1 служит для индикации включения нагрузки. Сетевое напряжение подаётся на клеммы 5 и 6, нагрузка подключается к контактам 3 и 4.

При коммутации нагрузки более 100 Вт, силовой симистор Т1 следует установить на радиатор площадью 20-30 кв.см.

Устройство собирается на небольшой печатной плате размером 59×20 мм (Рис.2).



Рис.2 Печатная плата симисторного коммутатора силовой нагрузки

На Рис.3 приведено расположение элементов на печатной плате.

Рис.3 Расположение элементов на печатной плате

Правильно собранное устройство в настройке не нуждается и начинает работать сразу после включения.

Внимание! При работе устройства, на силовых элементах и контактах присутствует опасное для жизни напряжение. Будьте особенно внимательны при работе с данным устройством».


Итак, с описанием модуля закончили, теперь давайте посмотрим – из-за чего он может либо не работать совсем, либо работать не так замечательно, как декларирует производитель:

1. Согласно Datasheet-у на MOC3023, минимальный ток управления составляет 5 мА (макс. – 50 мА). Если цепь управления выполнена на 5-вольтовой логике, то с учётом падения напряжения на светодиоде MOC3023 и номинала резистора R1, этот ток окажется меньше 4 мА, что может привести к нестабильной работе коммутатора.
Если же напряжение питания цепи управления ещё ниже (многие микроконтроллеры работают от напряжения 3.3V), то с большой долей вероятности устройство окажется вообще полностью неработоспособным.
Поэтому для таких случаев – номинал резистора R1 не должен превышать 370 Ом, а номинал 1 кОм, указанный на схеме, можно использовать для 7...12-вольтовых схем управления.

2. Микросхема MOC3023 не обладает такой функцией, как "детектор перехода через ноль", поэтому никакого "исключения проникновения помехи в бытовую сеть от включения симистора" не будет.
Способ лечения простой – использовать какую-нибудь ИМС (типа MOC3043), которая обладает схожими параметрами, но снабжена детектором перехода через ноль.

3. На схеме использовано по-детски неправильное (для сети переменного тока) включение светодиода, который, в большинстве случаев, имеет максимальное обратное напряжение (по справочнику) около 5 В. При включении, приведённом на схеме, амплитудное значение обратного напряжения составит 310 В, что приведёт если не к мгновенной, то постепенной гибели пациента.
Лечение опять-же незамысловатое – включить встречно-параллельно светодиоду высоковольтный диод (например, 1N4007). Это позволит снизить уровень обратного напряжения до 0,6 вольт.

4. Согласно datasheet-у на симистор BTA12-600, он является "snubberless version" энд "specially recommended for use on inductive loads", что на общедоступном русском языке означает, что снабберная цепочка R4, С1 для работы с индуктивными нагрузками ему не нужна. С другой стороны, если она есть, то и хрен бы с ней – никому она особо не помешает.

5. На Рис.4 приведена зависимость мощности, выделяемой на BTA12-600 в виде тепла, от тока нагрузки (опять же, из datasheet-а).



Рис.3 Зависимость мощности, рассеиваемой BTA/BTB12, от тока нагрузки

Как можно увидеть из графика, до тока нагрузки 1 А (220 Вт) рассеваемая мощность не превышает 1 Вт, т. е. симистор в корпусе TO-220 может работать без радиатора.
При максимальном токе нагрузки 10 А (2.2 кВт) рассеиваемая мощность возрастает до 11 Вт, т. е. ни о каком "радиаторе площадью 20-30 кв.см" речи даже близко не идёт. В данном случае его размер должен быть почти на порядок (т. е. в 10 раз) больше, что побуждает к выкидыванию прилагаемой в наборе платы в помойку и рисованию платы с совсем другой разводкой.


P.S. Казалось бы, плёвое дело, однако перечисление косяков в таком простейшем устройстве заняло больше места, чем описание самой конструкции.
Так что – ПОЗОР инженерам компании "Мастер Кит", если таковые имеются, а если не имеются, то лучше бы шли коммерсанты в... заниматься совсем другими делами.
Однако, что-то я раззадорился, на этом закончим – всем отдыхать полчаса!