В следующих статьях будут устройства, которые должны управлять внешней нагрузкой. Под внешней нагрузкой я понимаю все, что прицеплено к ножкам микроконтроллера – светодиоды, лампочки, реле, двигатели, исполнительные устройства … ну Вы поняли. И как бы не была заезжена данная тема, но, чтобы избежать повторений в следующих статьях, я все-же рискну быть не оригинальным — Вы уж меня простите:). Я кратенько, в рекомендательной форме, покажу наиболее распространенные способы подключения нагрузки (если Вы что-то захотите добавить – буду только рад).
Сразу договоримся, что речь идет о цифровом сигнале (микроконтроллер все-таки цифровое устройство) и не будем отходить от общей логики: 1
-включено, 0
-выключено. Начнем.
На первом рисунке показан обзор транзистора в ситуации, когда полярность затвора и стока равна нулю. В этой ситуации нет электрического соединения между сливом и источником - транзистор «забит». В этой ситуации электрическое поле, создаваемое электродом, действует через полупроводниковый изолятор - оно индуцирует в нем так называемый пространственная нагрузка. Этот слой называется инверсионным слоем и состоит из свободных электронов. Основным свойством этого слоя является его электропроводность - таким образом слив и источник были электрически связаны.
Нагрузкой постоянного тока являются: светодиоды, лампы, реле, двигатели постоянного тока, сервоприводы, различные исполнительные устройства и т.д. Такая нагрузка наиболее просто (и наиболее часто) подключается к микроконтроллеру.
1.1 Подключение нагрузки
через резистор.
Самый простой и, наверно, чаще всего используемый способ, если речь идет о светодиодах.
Однако значение тока, протекающего через транзистор, линейно не зависит от напряжения стока. Это связано с тем, что увеличение напряжения стока также изменяет полярность затвора. При увеличении напряжения, подающего сток, ток увеличивается, но также увеличивается общее сопротивление созданного канала инверсии из-за его сужения. В результате увеличение тока не является линейным и согласуется с Законом Ома. В ситуации, когда напряжение затвора равно напряжению стока, канал вблизи него полностью исчезает и происходит насыщение тока стока.
Теперь напряжение можно увеличить в любом случае до предельных значений, и ток останется неизменным. Эта ситуация представлена на рис. В силовой электронике площадь ненасыщенности такого транзистора практически не используется, наоборот - крайне нежелательна. Когда транзисторы переключаются, используются только зоны насыщения - то есть те, в которых сопротивление транзистора является наименьшим. Чем меньше, тем лучше, потому что транзистор будет иметь меньшее падение напряжения и меньше тепла будет выпущено, и устройство, в котором работает транзистор, будет более эффективным.
Резистор нужен для того, чтобы ограничить ток протекающий, через ножку микроконтроллера до допустимых 20мА . Его называют балластным или гасящим. Примерно рассчитать величину резистора можно зная сопротивление нагрузки Rн.
На практике это означает, что существует некоторая задержка между подачей напряжения на затвор транзистора и его полным насыщением. Если у нас есть транзистор, который включает ток, скажем 200 А, мы хотим получить состояние насыщения транзистора как можно ниже от запланированного переключения, потому что, если это произойдет не быстро, оно будет в области ненасыщенности, когда транзистор будет вести себя как резистор такое большое количество тепловой мощности освобождается, что транзистор будет просто гореть.
И мы знаем, что если мы включим конденсатор, он будет заряжаться только через некоторое время. То же самое верно, когда транзистор должен быть выключен, и когда 200 А протекает через него, мы также должны сделать это очень быстро, чтобы как можно быстрее пройти через ненасыщенную область.
Rгасящий = (5v / 0.02A) – Rн = 250 – Rн
Как видно, даже в самом худшем случае, когда сопротивление нагрузки равно нулю достаточно 250 Ом для того, что бы ток не превысил 20мА. А значит, если неохота чего-то там считать — ставьте 300 Ом и Вы защитите порт от перегрузки. Достоинство способа очевидно – простота.
1.2 Подключение нагрузки
при помощи биполярного транзистора.
Если так случилась, что Ваша нагрузка потребляет более 20мА, то, ясное дело, резистор тут не поможет. Нужно как-то увеличить (читай усилить) ток. Что применяют для усиления сигнала? Правильно. Транзистор!
Такой драйвер состоит из оптрона, который обеспечивает электрическое разделение между силовой частью и схемой управления, логической частью и усилителем мощности, состоящим из двух двухтактных транзисторов. Переключение транзисторов регулируется логической частью системы в зависимости от того, включен ли входной диод или нет. Настало время построить что-то практически.
Сначала начните с источника питания водителя со стороны питания. Моя система будет приводить в действие драйвер с симметричным напряжением 15 В для зарядки затвора и -5В для его эффективной и быстрой разрядки. Теперь, задав частоту генератора, мы можем контролировать работу лампы. Во время строительства устройств мы должны помнить о правильном выборе элементов для разрабатываемых приложений.
Для усиления удобней применять n-p-n транзистор, включенный по схеме ОЭ . При таком способе можно подключать нагрузку с большим напряжением питания, чем питание микроконтроллера. Резистор на базе – ограничительный. Может варьироваться в широких пределах (1-10 кОм), в любом случае транзистор будет работать в режиме насыщения. Транзистор может быть любой n-p-n транзистор. Коэффициент усиления, практически не имеет значения. Выбирается транзистор по току коллектора (нужный нам ток) и напряжению коллектор-эмиттер (напряжение которым запитывается нагрузка). Еще имеет значение рассеиваемая мощность — чтоб не перегрелся.
Как вы можете видеть на частоте 1 кГц, форма волны идеальна, она имеет очень короткие времена нарастания и спада. Для этого значения все еще неплохо, поэтому данные на карточке каталога довольно низки, и с этим драйвером мы можем легко управлять транзисторами до 200 кГц, обращая внимание на то, что транзистор имеет запасную мощность, потому что эти времена уже больше и будут в время переключения дает много потерь мощности. 13 Форма волны на выходе при 214 кГц. Рисунок 14 Форма выходного сигнала при 714 кГц.
Переподключение значительно задерживается, что было бы катастрофическим в системах, в которых на мостах имеется несколько чередующихся транзисторов, где синхронизация приведет к короткому замыканию и взрыву транзисторов. Если мы прерываем ток с помощью одного транзистора, то для низких частот мы просто получим мерцание, а для высоких частот мы не заметим много. Таким образом невозможно регулировать власть. Только потребление тока изменяется системой питания водителя, поскольку количество импульсов тока, которые должны быть поданы в затвор, изменяется и общая мощность увеличивается, поэтому чем выше частота и пропускная способность затвора, тем выше текущие параметры должны иметь драйвер или дополнительный этап управления.
Из распространенных и легко доступных можно заюзать BC546, BC547, BC548, BC549 с любыми буквами (100мА), да и тот-же КТ315 сойдет (это у кого со старых запасов остались).
- Даташит на биполярный транзистор BC547
1.3 Подключение нагрузки
при помощи полевого транзистора.
Ну а если ток нашей нагрузки лежит в пределах десятка ампер? Биполярный транзистор применить не получиться, так как токи управления таким транзистором велики и скорей всего превысят 20мА. Выходом может служить или составной транзистор (читать ниже) или полевой транзистор (он же МОП, он же MOSFET). Полевой транзистор просто замечательная штука, так как он управляется не током, а потенциалом на затворе. Это делает возможным микроскопическим током на затворе управлять большими токами нагрузки.
Но теперь, если частота установлена постоянно, и мы изменим заполнение сигнала, мы сможем настроить мощность резистивных приемников типа обогревателей или ламп накаливания. 16 Частота 4, 5 кГц, заполнение 20% - система потребляет 3 А электроэнергии.
Рисунок 17 Частота 4. 5 кГц, заполнение 60% - система уже потребляет более 6 А электроэнергии. Рисунок 18. Схема подключения системы управления мощностью небольшой ветровой электростанции. При анализе работы схем особое значение имеют физические параметры транзистора, связанные с физическими процессами, которые происходят на транзисторе и которые не зависят от схемы соединения.
Для нас подойдет любой n-канальный полевой транзистор. Выбираем, как и биполярный, по току, напряжению и рассеиваемой мощности.
При включении полевого транзистора нужно учесть ряд моментов:
— так как затвор, фактически, является конденсатором, то в моменты переключения транзистора через него текут большие токи (кратковременно). Для того чтобы ограничить эти токи в затвор ставиться ограничивающий резистор.
— транзистор управляется малыми токами и если выход микроконтроллера, к которому подключен затвор, окажется в высокоимпедансном Z-состоянии полевик начнет открываться-закрываться непредсказуемо, вылавливая помехи. Для устранения такого поведения ножку микроконтроллера нужно «прижать» к земле резистором порядка 10кОм.
У полевого транзистора на фоне всех его положительных качеств есть недостаток. Платой за управление малым током является медлительность транзистора. ШИМ, конечно, он потянет, но на превышение допустимой частоты он Вам ответит перегревом.
Используя эти параметры, можно сделать физический эквивалент транзистора малым сигналам. Дифференциальное сопротивление и мощность. Дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода определяется соотношением между напряжением, приложенным к эмиттерному соединению, и током эмиттера, когда цепь коллектора снабжена переменным током короткого замыкания.
Если мы заменим отклонения токов и напряжений дифференциальной эквивалентностью, получим. Где: - напряжение между эмиттером и основанием; - ток соединительного узла; - натяжение между коллектором и базой. Ток поляризованного эмиттерного перехода определяется в соответствии с соотношением.
1.4 Подключение нагрузки
при помощи составного транзистора Дарлингтона.
Альтернативой применения полевого транзистора при сильноточной нагрузке является применение составного транзистора Дарлингтона. Внешне это такой-же транзистор, как скажем, биполярный, но внутри для управления мощным выходным транзистором используется предварительная усилительная схема. Это позволяет малыми токами управлять мощной нагрузкой. Применение транзистора Дарлингтона не так интересно, как применение сборки таких транзисторов. Есть такая замечательная микросхема как ULN2003. В ее составе аж 7 транзисторов Дарлингтона, причем каждый можно нагрузить током до 500мА, причем их можно включать параллельно для увеличения тока.
Где - ток утечки эмиттерного перехода. Таким образом, для дифференциального сопротивления переходного перехода можно написать. Для и дифференциальное сопротивление переходного перехода маловато. На низкой частоте в физической эквивалентной схеме можно пренебречь.
Емкость коллекторного перехода. Дифференциальное сопротивление коллекторного перехода определяется соотношением между напряжением, приложенным к эмиттерному соединению, и током коллектора, когда цепь эмиттера работает на холостом ходу после переменного тока.
Где: - напряжение между коллектором и базой; - ток коллектора; - ток эмиттера. Ток коллектора течет через косвенный поляризационный коллекторный переход и слабо зависит от напряжения, приложенного к коллектору. Размер большой. Дифференциальное сопротивление коллекторного соединения обычно определяется эффектом модуляции толщины основания и током утечки.
Микросхема очень легко подключается к микроконтроллеру (просто ножка к ножке) имеет удобную разводку (вход напротив выхода) и не требует дополнительной обвязки. В результате такой удачной конструкции ULN2003 широко используется в радиолюбительской практике. Соответственно достать ее не составит труда.
- Даташит на сборку Дарлингтонов ULN2003
Изменяя напряжение, подаваемое на коллектор, происходит переход коллектора. Соединение как бы перемещается в промежутках в увеличении напряжения и отступает к его сокращению. В результате градиент базового градиента в основании увеличивается с уменьшением толщины основания и уменьшается при увеличении толщины основания. Соответственно, скорость диффузионного движения неосновных носителей изменяется от основания полостей, которые объединяют процесс диффузии от эмиттера к коллектору. Это, в свою очередь, приводит к зависимости коэффициента диффузионного переноса пустот и, следовательно, от зависимости отношения усиления к напряжению, подаваемого на коллекторный переход.
Если Вам нужно управлять устройствами переменного тока (чаще всего 220v), то тут все сложней, но не на много.
2.1 Подключение нагрузки
при помощи реле.
Самым простым и, наверное, самым надежным есть подключение при помощи реле. Катушка реле, сама собой, является сильноточной нагрузкой, поэтому напрямую к микроконтроллеру ее не включишь. Реле можно подключить через транзистор полевой или биполярный или через туже ULN2003, если нужно несколько каналов.
В результате изменения значения изменение напряжения коллектора также изменяет значение тока коллектора. Это обусловливает полное увеличение дифференциального сопротивления коллектора, несущего диффузионный характер. Непрямое поляризованное коллекторное соединение обладает способностью, которая определяется соотношением между изменением значения нагрузки в пространстве соединения и значением напряжения коллектора, когда схема эмиттера снабжена режимом ожидания. Обычно емкость коллектора намного меньше емкости прямого поляризованного эмиттерного перехода.
Достоинства такого способа большой коммутируемый ток (зависит от выбранного реле), гальваническая развязка. Недостатки: ограниченная скорость/частота включения и механический износ деталей.
Что-то рекомендовать для применения не имеет смысла — реле много, выбирайте по нужным параметрам и цене.
Объемное сопротивление основания. Полупроводниковый материал в области основания и омический контакт основания имеют некоторое сопротивление. Как показывают расчеты, прочность основания может быть определена в соответствии с соотношением. С увеличением значения толщины основания и концентрации примесей объемное сопротивление основания уменьшается. Увеличение увеличивает потери на входной цепи, что снижает эффективность излучателя. Согласно физическим законам, увеличение должно уменьшать ток эмиттера при постоянном напряжении между эмиттером и базой, поскольку это напряжение распределяется между эмиттерным соединением и сопротивлением.
2.2 Подключение нагрузки
при помощи симистора (триака).
Если нужно управлять мощной нагрузкой переменного тока а особенно если нужно управлять мощностью выдаваемой на нагрузку (димеры), то Вам просто не обойтись без применения симистора (или триака). Симистор открывается коротким импульсом тока через управляющий электрод (причем как для отрицательной, так и для положительной полуволны напряжения). Закрывается симистор сам, в момент отсутствия напряжения на нем (при переходе напряжения через ноль). Вот тут начинаются сложности. Микроконтроллер должен контролировать момент перехода через ноль напряжения и в точно определенный момент подавать импульс для открытия симистора — это постоянная занятость контроллера. Еще одна сложность это отсутствие гальванической развязки у симистора. Приходится ее делать на отдельных элементах усложняя схему.
Чтобы повысить эффективность излучателя и уменьшить потери мощности, необходимо снизить базовую прочность. Введение сопротивления в базовом контуре учитывает внутреннюю реакцию в транзисторе и влияние модуляции толщины основы на ток эмиттера. Однако эти соображения не дают нам необходимой точности и требуют добавления диффузионного сопротивления, поэтому базовая схема характеризуется полным сопротивлением.
Эквивалентная схема для общей базовой связи. Эта эквивалентная схема показана на фиг. В эквивалентной схеме соединения эмиттера и коллектора представлены их дифференциальными сопротивлениями. Эффективность передачи тока эмиттера в схеме коллектора на эквивалентной схеме указывается как генератор тока, где он показывает коэффициент передачи тока эмиттера. Относительная полярность тока генератора в эквивалентной схеме определяется положительным направлением тока эмиттера.
Хотя современные симисторы управляются довольно малым током и их можно подключить напрямую (через ограничительный резистор) к микроконтроллеру, из соображений безопасности приходится их включать через оптические развязывающие приборы. Причем это касается не только цепей управления симистором, но и цепей контроля нуля.
Для обратного направления тока эмиттера полярность генератора является обратной. Описанный закон определяется физическими процессами, происходящими на транзисторе. Следует отметить, что внутреннее сопротивление генератора тока для выходного тока стремится к бесконечности. В эквивалентной схеме, показанной на фиг. 19, коэффициент передачи тока считается независимым от эффекта модуляции основной толщины. Наличие сопротивления в базовой цепи показывает внутреннее соединение в биполярном транзисторе и влияние базовой модуляции на ток эмиттера.
Довольно неоднозначный способ подключения нагрузки. Так как с одной стороны требует активного участия микроконтроллера и относительно сложного схемотехнического решения. С другой стороны позволяет очень гибко манипулировать нагрузкой. Еще один недостаток применения симисторов — большое количество цифрового шума, создаваемого при их работе — нужны цепи подавления.
Симисторы довольно широко используются, а в некоторых областях просто незаменимы, поэтому достать их не составляет каких либо проблем. Очень часто в радиолюбительстве применяют симисторы типа BT138.
06 Jan 2017На практике часто возникает необходимость управлять при помощи цифровой схемы (например, микроконтроллера) каким-то мощным электрическим прибором. Это может быть мощный светодиод, потребляющий большой ток, или прибор, питающийся от сети 220 В. Рассмотрим типовые решения этой задачи.
Виды управления
Условно можно выделить 3 группы методов:
- Управление нагрузкой постоянного тока.
- Транзисторный ключ на биполярном транзисторе.
- Транзисторный ключ на МОП-транзисторе (MOSFET).
- Транзисторный ключ на IGBT.
- Управление нагрузкой переменного тока.
- Тиристорный ключ.
- Симисторный ключ.
- Универсальный метод.
- Реле.
Выбор способа управления зависит как от типа нагрузки, так и от вида применяемой цифровой логики. Если схема построена на ТТЛ-микросхемах, то следует помнить, что они управляются током, в отличие от КМОП, где управление осуществляется напряжением. Иногда это важно.
Ключ на биполярном транзисторе
Для тока $I_{LED} = 0{,}075\,А$ управляющий ток должен быть в $\beta = 50$ раз меньше:
Падение напряжения на переходе эмиттер - база примем равным $V_{EB} = 0{,}7\,В$.
Сопротивление округлялось в меньшую сторону, чтобы обеспечить запас по току.
Таким образом, мы нашли значения сопротивлений R1 и R2.
Транзистор Дарлингтона
Если нагрузка очень мощная, то ток через неё может достигать нескольких ампер. Для мощных транзисторов коэффициент $\beta$ может быть недостаточным. (Тем более, как видно из таблицы, для мощных транзисторов он и так невелик.)
В этом случае можно применять каскад из двух транзисторов. Первый транзистор управляет током, который открывает второй транзистор. Такая схема включения называется схемой Дарлингтона.
В этой схеме коэффициенты $\beta$ двух транзисторов умножаются, что позволяет получить очень большой коэффициент передачи тока.
Для повышения скорости выключения транзисторов можно у каждого соединить эмиттер и базу резистором.
Сопротивления должны быть достаточно большими, чтобы не влиять на ток база - эмиттер. Типичные значения - 5…10 кОм для напряжений 5…12 В.
Выпускаются транзисторы Дарлингтона в виде отдельного прибора. Примеры таких транзисторов приведены в таблице.
В остальном работа ключа остаётся такой же.
Ключ на полевом транзисторе
В дальнейшем полевым транзистором мы будет называть конкретно MOSFET, то есть полевые транзисторы с изолированным затвором (они же МОП, они же МДП). Они удобны тем, что управляются исключительно напряжением: если напряжение на затворе больше порогового, то транзистор открывается. При этом управляющий ток через транзистор пока он открыт или закрыт не течёт. Это значительное преимущество перед биполярными транзисторами, у которых ток течёт всё время, пока открыт транзистор.
Также в дальнейшем мы будем использовать только n-канальные MOSFET (даже для двухтактных схем). Это связано с тем, что n-канальные транзисторы дешевле и имеют лучшие характеристики.
Простейшая схема ключа на MOSFET приведена ниже.
Опять же, нагрузка подключена «сверху», к стоку. Если подключить её «снизу», то схема не будет работать. Дело в том, что тразистор открывается, если напряжение между затвором и истоком превышает пороговое. При подключении «снизу» нагрузка будет давать дополнительное падение напряжения, и транзистор может не открыться или открыться не полностью.
При управлении типа push-pull схема разряда конденсатора образует, фактически, RC-цепочку, в которой максимальный ток разряда будет равен
где $V$ - напряжение, которым управляется транзистор.
Таким образом, достаточно будет поставить резистор на 100 Ом, чтобы ограничить ток заряда - разряда до 10 мА. Но чем больше сопротивление резистора, тем медленнее он будет открываться и закрываться, так как постоянная времени $\tau = RC$ увеличится. Это важно, если транзистор часто переключается. Например, в ШИМ-регуляторе.
Основные параметры, на которые следует обращать внимание - это пороговое напряжение $V_{th}$, максимальный ток через сток $I_D$ и сопротивление сток - исток $R_{DS}$ у открытого транзистора.
Ниже приведена таблица с примерами характеристик МОП-транзисторов.
| Модель | $V_{th}$ | $\max\ I_D$ | $\max\ R_{DS}$ |
|---|---|---|---|
| 2N7000 | 3 В | 200 мА | 5 Ом |
| IRFZ44N | 4 В | 35 А | 0,0175 Ом |
| IRF630 | 4 В | 9 А | 0,4 Ом |
| IRL2505 | 2 В | 74 А | 0,008 Ом |
Для $V_{th}$ приведены максимальные значения. Дело в том, что у разных транзисторов даже из одной партии этот параметр может сильно отличаться. Но если максимальное значение равно, скажем, 3 В, то этот транзистор гарантированно можно использовать в цифровых схемах с напряжением питания 3,3 В или 5 В.
Сопротивление сток - исток у приведённых моделей транзисторов достаточно маленькое, но следует помнить, что при больших напряжениях управляемой нагрузки даже оно может привести к выделению значительной мощности в виде тепла.
Схема ускоренного включения
Как уже было сказано, если напряжение на затворе относительно истока превышает пороговое напряжение, то транзистор открывается и сопротивление сток - исток мало. Однако, напряжение при включении не может резко скакнуть до порогового. А при меньших значениях транзистор работает как сопротивление, рассеивая тепло. Если нагрузку приходится включать часто (например, в ШИМ-контроллере), то желательно как можно быстрее переводить транзистор из закрытого состояния в открытое и обратно.
Ещё раз обратите внимание на расположение нагрузки для n-канального транзистора - она расположена «сверху». Если расположить её между транзистором и землёй, из-за падения напряжения на нагрузке напряжение затвор - исток может оказаться меньше порогового, транзистор откроется не полностью и может перегреться и выйти из строя.
Драйвер полевого транзистора
Если всё же требуется подключать нагрузку к n-канальному транзистору между стоком и землёй, то решение есть. Можно использовать готовую микросхему - драйвер верхнего плеча. Верхнего - потому что транзистор сверху.
Выпускаются и драйверы сразу верхнего и нижнего плеч (например, IR2151) для построения двухтактной схемы, но для простого включения нагрузки это не требуется. Это нужно, если нагрузку нельзя оставлять «висеть в воздухе», а требуется обязательно подтягивать к земле.
Рассмотрим схему драйвера верхнего плеча на примере IR2117.
Схема не сильно сложная, а использование драйвера позволяет наиболее эффективно использовать транзистор.
IGBT
Ещё один интересный класс полупроводниковых приборов, которые можно использовать в качестве ключа - это биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT).
Они сочетают в себе преимущества как МОП-, так и биполярных транзисторов: управляются напряжением, имеют большие значения предельно допустимых напряжений и токов.
Управлять ключом на IGBT можно так же, как и ключом на MOSFET. Из-за того, что IGBT применяются больше в силовой электронике, они обычно используются вместе с драйверами.
Например, согласно даташиту, IR2117 можно использовать для управления IGBT.
Пример IGBT - IRG4BC30F.
Управление нагрузкой переменного тока
Все предыдущие схемы отличало то, что нагрузка хоть и была мощной, но работала от постоянного тока. В схемах была чётко выраженные земля и линия питания (или две линии - для контроллера и нагрузки).
Для цепей переменного тока нужно использовать другие подходы. Самые распространённые - это использование тиристоров, симисторов и реле. Реле рассмотрим чуть позже, а пока поговорим о первых двух.
Тиристоры и симисторы
Тиристор - это полупроводниковый прибор, который может находится в двух состояниях:
- открытом - пропускает ток, но только в одном направлении,
- закрытом - не пропускает ток.
Так как тиристор пропускает ток только в одном направлении, для включения и выключения нагрузки он подходит не очень хорошо. Половину времени на каждый период переменного тока прибор простаивает. Тем не менее, тиристор можно использовать в диммере. Там он может применяться для управления мощностью, отсекая от волны питания кусочек требуемой мощности.
Симистор - это, фактически двунаправленный тиристор. А значит он позволяет пропускать не полуволны, а полную волну напряжения питания нагрузки.
Открыть симистор (или тиристор) можно двумя способами:
- подать (хотя бы кратковременно) отпирающий ток на управляющий электрод;
- подать достаточно высокое напряжение на его «рабочие» электроды.
Второй способ нам не подходит, так как напряжение питания у нас будет постоянной амплитуды.
После того, как симистор открылся, его можно закрыть поменяв полярность или снизив ток через него то величины, меньшей чем так называемый ток удержания. Но так как питание организовано переменным током, это автоматически произойдёт по окончании полупериода.
При выборе симистора важно учесть величину тока удержания ($I_H$). Если взять мощный симистор с большим током удержания, ток через нагрузку может оказаться слишком маленьким, и симистор просто не откроется.
Симисторный ключ
Для гальванической развязки цепей управления и питания лучше использовать оптопару или специальный симисторный драйвер. Например, MOC3023M или MOC3052.
Эти оптопары состоят из инфракрасного светодиода и фотосимистора. Этот фотосимистор можно использовать для управления мощным симисторным ключом.
В MOC3052 падение напряжения на светодиоде равно 3 В, а ток - 60 мА, поэтому при подключении к микроконтроллеру, возможно, придётся использовать дополнительный транзисторный ключ.
Встроенный симистор же рассчитан на напряжение до 600 В и ток до 1 А. Этого достаточно для управления мощными бытовыми приборами через второй силовой симистор.
Рассмотрим схему управления резистивной нагрузкой (например, лампой накаливания).
Таким образом, эта оптопара выступает в роли драйвера симистора.
Существуют и драйверы с детектором нуля - например, MOC3061. Они переключаются только в начале периода, что снижает помехи в электросети.
Резисторы R1 и R2 рассчитываются как обычно. Сопротивление же резистора R3 определяется исходя из пикового напряжения в сети питания и отпирающего тока силового симистора. Если взять слишком большое - симистор не откроется, слишком маленькое - ток будет течь напрасно. Резистор может потребоваться мощный.
Нелишним будет напомнить, что 220 В в электросети - это значение действующего напряжения. Пиковое напряжение равно $\sqrt2 \cdot 220 \approx 310\,В$.
Управление индуктивной нагрузкой
При управлении индуктивной нагрузкой, такой как электродвигатель, или при наличии помех в сети напряжение может стать достаточно большим, чтобы симистор самопроизвольно открылся. Для борьбы с этим явлением в схему необходимо добавить снаббер - это сглаживающий конденсатор и резистор параллельно симистору.
Снаббер не сильно улучшает ситуацию с выбросами, но с ним лучше, чем без него.
Керамический конденсатор дожен быть рассчитан на напряжение, большее пикового в сети питания. Ещё раз вспомним, что для 220 В - это 310 В. Лучше брать с запасом.
Типичные значения: $C_1 = 0{,}01\,мкФ$, $R_4 = 33\,Ом$.
Есть также модели симисторов, которым не требуется снаббер. Например, BTA06-600C.
Примеры симисторов
Примеры симисторов приведены в таблице ниже. Здесь $I_H$ - ток удержания, $\max\ I_{T(RMS)}$ - максимальный ток, $\max\ V_{DRM}$ - максимальное напряжение, $I_{GT}$ - отпирающий ток.
| Модель | $I_H$ | $\max\ I_{T(RMS)}$ | $\max\ V_{DRM}$ | $I_{GT}$ |
|---|---|---|---|---|
| BT134-600D | 10 мА | 4 А | 600 В | 5 мА |
| MAC97A8 | 10 мА | 0,6 А | 600 В | 5 мА |
| Z0607 | 5 мА | 0,8 А | 600 В | 5 мА |
| BTA06-600C | 25 мА | 6 А | 600 В | 50 мА |
Реле
Электромагнитные реле
С точки зрения микроконтроллера, реле само является мощной нагрузкой, причём индуктивной. Поэтому для включения или выключения реле нужно использовать, например, транзисторный ключ. Схема подключения и также улучшение этой схемы было рассмотрено ранее.
Реле подкупают своей простотой и эффективностью. Например, реле HLS8-22F-5VDC - управляется напряжением 5 В и способно коммутировать нагрузку, подтребляющую ток до 15 А.
Твердотельные реле
Главное преимущество реле - простота использования - омрачается несколькими недостатками:
- это механический прибор и контакты могу загрязниться или даже привариться друг к другу,
- меньшая скорость переключения,
- сравнительно большие токи для переключения,
- контакты щёлкают.
Часть этих недостатков устранена в так называемых твердотельных реле . Это, фактически, полупроводниковые приборы с гальванической развязкой, содержащие внутри полноценную схему мощного ключа.
Заключение
Таким образом, в арсенале у нас достаточно способов управления нагрузкой, чтобы решить практически любую задачу, которая может возникнуть перед радиолюбителем.
Редактор схем
Все схемы нарисованы в KiCAD . В последнее время для своих проектов использую именно его, очень удобно, рекомендую. С его помощью можно не только чертить схемы, но и проектировать печатные платы.