Zení tyristorů v obvodech mikrokontrolérů
Tyristory a triaky jsou polovodičové řízené spínače, které se používají v elektronických zařízeních k regulaci střídavého napětí. Pro ovládání tyristorů a triaků je nutné přivádět řídicí napěťové impulsy na jejich řídicí elektrody. Pro ovládání tyristorů a triaků existují různé metody a schémata v závislosti na jejich typu, účelu a parametrech obvodu.
Začněme s nejjednoduššími obvody. V nejjednodušším případě k ovládání tyristoru stačí krátce přivést stejnosměrný proud o určité velikosti na jeho řídící elektrodu. Schématicky lze mechanismus pro dodávání tohoto proudu znázornit zobrazením spínače, který sepne a dodává energii, jako je výstupní stupeň mikroobvodu nebo tranzistoru.
Jedná se o zdánlivě jednoduchou metodu, ale zde požadovaný výkon řídicího signálu je značný. Takže za normálních podmínek pro triak KU208 by tento proud měl být alespoň 160 mA a pro triak KU201 by měl být alespoň 70 mA. Takže pro napětí 12 voltů a průměrný proud řekněme 115 mA bude řídicí výkon již 1,4 W.
Požadavky na polaritu řídicího signálu jsou následující: trinistor vyžaduje řídicí napětí, které je kladné vzhledem ke katodě, a triak (symetrický tyristor) vyžaduje stejnou polaritu jako proud na anodě, nebo zápornou pro každý poloviční cyklus.
Řídicí elektroda triaku není přemostěna, tyristor je přemostěn odporem 51 Ohm. Moderní tyristory vyžadují stále méně řídicího proudu a velmi často najdete obvody, kde je řídicí proud pro tyristory snížen na asi 24 mA a pro triaky na 50 mA.
Může se stát, že zběsilý pokles proudu v řídicím obvodu se projeví na spolehlivosti zařízení, takže vývojáři musí někdy volit tyristory individuálně pro každý obvod. V opačném případě, aby bylo možné otevřít tyristor nízkým proudem, musí být napětí na jeho anodě v tuto chvíli vysoké, což povede ke škodlivému proudovému rázu a rušení.
Nevýhoda řízení podle výše popsaného nejjednoduššího schématu je zřejmá: mezi řídicím obvodem a silovým obvodem je konstantní galvanické spojení. Triaky v některých obvodech umožňují připojení jedné ze svorek řídicího obvodu k nulovému vodiči. SCR umožňují takové řešení pouze s přidáním diodového můstku do zátěžového obvodu.
V důsledku toho se výkon dodávaný do zátěže zdvojnásobí, protože napětí je do zátěže přiváděno pouze během jedné z period sinusoidy sítě. V praxi se setkáváme se skutečností, že obvody se stejnosměrným řízením tyristorů bez galvanického oddělení uzlů se téměř nepoužívají, kromě případů, kdy je řízení z nějakého závažného důvodu potřeba takto realizovat.
Běžným řešením pro ovládání tyristoru je, když se na řídicí elektrodu přivede napětí přímo z anody přes odpor sepnutím spínače na několik mikrosekund. Klíčem zde může být vysokonapěťový bipolární tranzistor, malé relé nebo fototriak.
Tento přístup je přijatelný při relativně vysokém napětí na anodě, je pohodlný a jednoduchý, i když zátěž obsahuje reaktivní složku. Existuje však také nevýhoda: nejednoznačné požadavky na odpor omezující proud, který musí mít malou nominální hodnotu, aby se tyristor zapnul blíže začátku půlcyklu sinusoidy, ale když je zapnutý pro poprvé ne při nulovém síťovém napětí (při absenci synchronizace), může přijímat 310 voltů, ale proud přes spínač a přes řídicí elektrodu tyristoru by pro ně neměl překročit maximální přípustné hodnoty.
Samotný tyristor se otevře při napětí Uopen = Iopen*Rogr. V důsledku toho dojde k rušení a napětí zátěže se mírně sníží. Vypočtený odpor rezistoru Rolim se sníží o hodnotu odporu zatěžovacího obvodu (včetně jeho indukční složky), který je v okamžiku sepnutí sériově zapojen s rezistorem.
Ale u topných zařízení počítají s tím, že ve studeném stavu je jejich odpor desetkrát menší než ve vyhřátém pracovním stavu. Mimochodem, vzhledem k tomu, že u triaků se spínací proud pro kladné a záporné půlvlny může mírně lišit, může se na zátěži objevit malá konstantní složka.
Doba zapnutí SCR obvykle nepřesahuje 10 μs, takže pro hospodárné řízení výkonu zátěže lze dodávat sled impulsů s pracovním cyklem 5, 10 nebo 20 pro frekvence 20, 10 a 5 kHz, resp. . Výkon se sníží 5krát až 20krát.
Nevýhodou je toto: tyristor se nemusí zapnout na začátku půlcyklu. To je plné proudových rázů a rušení. A přesto, i když k přepnutí dojde přesně předtím, než se napětí začne zvyšovat z nuly, v tuto chvíli proud řídicí elektrody ještě nemusí dosáhnout udržovací hodnoty, pak se tyristor vypne ihned po skončení pulsu.
V důsledku toho se tyristor bude nejprve zapínat a vypínat na krátké intervaly, dokud proud nakonec nezíská sinusový tvar. U zátěží s indukční složkou nemusí proud dosáhnout přídržné hodnoty, což znamená nižší limit pro trvání řídicích impulsů, a náklady na energii se výrazně nesníží.
Izolace řídicího obvodu od sítě je zajištěna tzv. pulzním startem, který lze snadno provést instalací malého izolačního transformátoru na feritový kroužek o průměru menším než 2 cm takový transformátor musí být vysoký, a ne jen jako v jakémkoli průmyslovém pulzním transformátoru .
Abyste opravdu výrazně snížili výkon potřebný k ovládání, budete muset sáhnout k přesnějšímu ovládání. Proud řídicí elektrody musí být vypnut přesně v okamžiku sepnutí tyristoru. Když se spínač sepne, tyristor se zapne a když tyristor začne vést proud, mikroobvod přestane dodávat proud přes řídicí elektrodu.
Tento přístup skutečně šetří energii na tyristorovém řízení. Pokud v okamžiku sepnutí spínače napětí na anodě ještě není dostatečné, tyristor se mikroobvodem neotevře (napětí by mělo být mírně vyšší než polovina napájecího napětí mikroobvodu). Zapínací napětí je regulováno volbou dělicích odporů.
Pro ovládání triaku tímto způsobem je nutné hlídat polaritu, proto je do obvodu přidán blok dvojice tranzistorů a tří rezistorů, který zaznamenává okamžik průchodu napětí nulou. Složitější obvody jsou nad rámec tohoto článku.
Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře
Triak (v americké terminologii „triak“) je obousměrný symetrický tyristor. Triaky jsou velmi vhodné pro klíčové řídicí systémy ve střídavých obvodech. Tím prakticky nahradily tyristory z domácích spotřebičů (pračky, vysavače atd.).
Triak nemá anodu a katodu. Jeho tři výstupy se nazývají: UE (řídící elektroda), SEU (výkonová elektroda umístěná blíže k UE), SE (výkonová elektroda na základně zařízení) [2-197]. Existují také podobná cizí jména přijatá v triacích, v tomto pořadí, „G“ (brána), „T1“ (hlavní terminál 1) a „T2“ (hlavní terminál 2).
Triak, v závislosti na konstrukci, může být otevřen kladnými i zápornými impulsy na výstupu UE. Větve proudově-napěťové charakteristiky jsou symetrické, takže proud výkonovými elektrodami může být jak přitékající, tak odtokový. Celkem existují čtyři provozní režimy v kvadrantech 1…4 (obr. 2.105).
Rýže. 2.105. Provozní režimy triaků (triaků).
Jako první byly vyvinuty čtyřkvadrantové triaky nebo jinými slovy 4Q-TpnaKM. Pro běžný provoz vyžadují zavedení do obvodu klapkových LS obvodů (100 Ohm, 0.1 MK F), které jsou instalovány paralelně k výkonovým elektrodám SEU a SE. Tímto jednoduchým způsobem je rychlost nárůstu napětí přes triak snížena a falešné poplachy jsou eliminovány při zvýšených teplotách a významné indukční nebo kapacitní zátěži.
Nedávný technologický pokrok umožnil vytvořit tříkvadrantové triaky nebo jinými slovy 3Q triaky. Na rozdíl od „4Q“ triaků pracují ve třech ze čtyř kvadrantů a nevyžadují obvody IC. Typické parametry 3Q-TpnaKOB Hi-Com BTA208. 225 od Philips: maximální spínací napětí 600. 800 V, proud výkonové části 8. 25 A, proud odemykání brány (GEC) 2. 50 mA, malé pouzdro SMD.
Schémata pro připojení triaků k MK lze rozdělit do dvou skupin: bez izolace od sítě 220 V (obr. 2.106, a. r) as galvanickým oddělením (obr. 2.107, a. l).
Nějaké komentáře. Typy triaků uvedené na schématech jsou stejné, hlavně KU208x, BTxxx, MACxxx. To bylo provedeno speciálně s cílem zaměřit pozornost na návrh obvodu nízkonapěťové řídicí části, protože je nejblíže MK. V praxi lze využít i jiné typy triaků, sledující jejich výstupní výkon a amplitudu řídicího proudu.
Ve schématech zpravidla chybí řetězy tlumičů ve výkonové části. Toto je zjednodušení, aby se předešlo nepřehlednosti čísel, protože se předpokládá, že odpor zatížení RH je čistě aktivní v přírodě. V reálném životě je tlumení u 4Q triaků nutné, pokud má zátěž výraznou indukční nebo kapacitní složku.
Rýže. 2.106. Schémata připojení triaků k MK bez galvanického oddělení.
a) VYSOKÁ úroveň na výstupu MK otevírá tranzistor VT1, přes který se zapíná triak VS1. Varistor RU1 chrání triak před napěťovými rázy, počínaje prahovou hodnotou 470 V (rozsah 423. 517 V). To je relevantní pro indukční povahu zátěže jRH;
b) podobně jako na obr. 2.106, a, ale s jinou polaritou signálu na výstupu MK a s tranzistorem VT1 jiné struktury, který plní funkci napěťového měniče. Díky nízkému odporu rezistoru R2 se zvyšuje odolnost proti rušení. Odpor rezistoru R2 se volí podle stejných kritérií jako u tyristorových obvodů;
Rýže. 2.106. Schémata připojení triaků k MK bez galvanického oddělení.
c) vysokonapěťový tranzistor GU2 uzavírá diagonální diodový můstek VD1 na úrovni LOW na vedení MK. Tranzistor VT1 v okamžiku restartu MK je v otevřeném stavu kvůli odporu R1, zatímco triak VS1 se sepne a proud zátěží RH neteče;
d) přímé ovládání triaku VS1 z jednoho nebo více výstupů MK. Paralelní vedení se používá při nedostatečném řídicím proudu (zobrazeno tečkovanou čarou). Zatěžovací proud RH ne více než 150 mA. Možné náhrady: VS1 – MAC97A8, VD2 – KC147A.
a) triak VS1 se zapíná/vypíná při přítomnosti/nepřítomnosti pulzů 50. 100 kHz generovaných z výstupu MK. Izolační transformátor T1 je navinut na prstenci z feritu N30 a obsahuje 15 závitů ve vinutí I, 45 závitů drátu PEV-0.2 ve vinutí II;
b) jednoduchý oddělovací obvod transformátoru. Triak VS1 se zapíná krátkými impulsy z výstupu MK. Řídicí proud závisí na transformačním poměru 77;
Rýže. 2.107. Schémata galvanického oddělení MK od triaků.
c) oddělovací transformátor T1 je navinut na feritovém kroužku M1000HM o rozměrech K20xl2x6 a obsahuje 60 závitů ve vinutí I a 120 závitů drátu PEV-0.2 ve vinutí II. Řetězec R3, C1 akumuluje energii pro pulzní spínání tranzistoru K77;
d) pokud není požadováno časté zapínání/vypínání zátěže, pak lze pro galvanické oddělení použít relé K1. Jeho kontakty musí bez průrazu odolat střídavému napětí 220 V V některých obvodech je proud omezující odpor R3 zkratován.
e) kontakty jazýčkového spínače SF1 se sepnou při průchodu proudu induktorem L1, který je navinutý na jeho těle. Výhoda: ultra vysoký izolační odpor;
f) galvanické oddělení na tranzistorovém optočlenu VU1. Rezistor R3 zvyšuje odolnost proti rušení, ale může chybět. Rezistor R2 určuje práh otevření tranzistoru VT1. Při použití triaků KU208, TC106-10 je odpor rezistoru Y2 snížen na 30. 75 kOhm;
g) triak VS1 je řízen budičem DA1 (starým způsobem KR1182PM1), který zajišťuje plynulou změnu proudu v zátěži RH v závislosti na napětí na kondenzátoru C1. Pokud je optočlenový tranzistor W/ sepnutý, pak se kondenzátor C1 nabíjí z vnitřního ION čipu DA1 a v zátěži se nastavuje maximální napětí. Rezistor R4 může chybět, pokud je přítomen odpor R3. Rezistor R3 může být zkratován, pokud je přítomen odpor R4
h) galvanické oddělení na optorezistoru VU1. Rezistor R1 volí proud svým emitorem VU1 a podle toho řídicí proud triaku VS1;
i) použití dvou optotyristorů VU1, УУ2 pro spínání triaku VS1 v libovolné periodě síťového napětí. Rezistor L2 omezuje řídicí proud triaku;
j) napájení vstupu triaku VS1 je provedeno ze samostatného nízkonapěťového vinutí průmyslového transformátoru T1ТПП235-220/110-50;
l) použití optotyristoru VU1 pro řízení triaku VS1 (náhrada KU208D1). Ze dvou proud omezujících odporů R2, R3 je obvykle jeden ponechán, druhý je uzavřen propojkou. Náhrada VD1 – můstek KTs407A nebo čtyři samostatné diody KD226.
Zdroj:
Ryumik, S.M., 1000 a jeden obvod mikrokontroléru. Sv. 2, :LR Dodeka-XX1, 2011. – 400 s.: ill. + CD. — (Řada „Programovatelné systémy“).