Универсальный модуль управления мощностью переменного тока
Принципиальная схема модуля управления мощностью переменного тока показана на рисунке 1.
Рис. 1
Напряжение питания 220 В переменного тока для контролируемой нагрузки подключено к клеммам разъема J1. На входе имеется плавкий предохранитель и фильтр CLC, задача которого состоит в ограничении излучения кондуктивных импульсных помех, которые могут возникнуть при включении нагрузки. Модуль включает в себя: детектор перехода напряжения сети через ноль и исполнительную схему с управляемым триаком через оптотриак.
Задача схемы управления состоит в том, чтобы включить оптотриаки с соответствующей задержкой относительно импульсов, поступающих от детектора пересечения нуля. Если фазовое регулирование не требуется, но нужна групповая, его задача еще проще: просто включив оптотриак на период времени, определяемый количеством импульсов от детектора. Резистор R1 ограничивает ток противоположных диодов в оптопарах OK1 и OK2 до пикового значения приблизительно 3,2 мА. В течение одной половины периода напряжения питания один из них светится, а во второй половине — другой. Обратное напряжение диода, которое в настоящее время выключено, равно прямому напряжению на диоде, то есть около 1,5 В.
Принимающие транзисторы были подключены параллельно, благодаря чему они контролируют транзистор Т1 в той же степени, «добавляя» потенциал на его базу. Это, в свою очередь, транзистор T1 насыщает, и выходное напряжение от детектора принимает низкий логический уровень. Моменты, в которых ни один из диодов не горит, потому что напряжение сети близко к нулю, равносильно закрытию обоих транзисторов. Потенциал базы T1 достигает 0 В (благодаря резистору R2), что означает его закрытие. Ток перестает течь через коллектор, поэтому выходной потенциал детектора равен его напряжению питания, что можно интерпретировать как логическая «1». Оптотриаковый диод OK3 включается простым ключом с транзистором T2. Таким образом, можно избежать проблемы согласования логических уровней выхода управления и его эффективности: это может быть 1,8 В, а также 3,3 В или 5 В логики.
На стороне высокого напряжения находится триак TR1, который защищен компонентами C3 и R4. Их значения могут быть выбраны в зависимости от нагрузки. Симисторный затвор запускается оптотриаком типа MOC3023, который не имеет схемы детектора пересечения нуля, что желательно для управления фазой. Если пользователь планирует использовать только групповое управление, можно использовать другой элемент, например MOC3063, который включает в себя детектор перехода через ноль. Последняя цифра обозначения, в данном случае 3, обозначает номинальный ток передающего диода, равный 5 мА. При использовании компонента из другой группы следует обращать внимание на более высокое энергопотребление.
Схема запуска симистора была разработана таким образом, чтобы можно было использовать одну и ту же плату для управления резистивными нагрузками (только R5 … R7), а также индуктивными (C4 все еще идет, вводя сдвиг во времени). Авторский прототип был настроен для первого варианта, поэтому R5 + R6 ограничивают ток оптотриака, а R7 выгружает затвор симистора, предотвращая самопроизвольное отключение. Если использовался C4, то вместе с R5 он вводит задержку, R6 ограничивает ток. Значения этих элементов следует выбирать для конкретного применения в соответствии с примечаниями каталога используемого симистора и оптопары.
Печатная плата для сборки устройства показана на рисунке 2.
Рис. 2
У автора размеры печатной платы составляют 76 мм × 68 мм. На расстоянии 3 мм от края были добавлены монтажные отверстия. Силовые резисторы, особенно R1 и R4, должны быть припаяны, чтобы между ними и поверхностью платы было свободное пространство, чтобы обеспечить лучшее охлаждение этих элементов. При необходимости, триак должен иметь дополнительный радиатор. Со стороны высокого напряжения схема рассчитана на питание от сети переменного тока 220 В, но нет никаких противопоказаний для ее работы при более низком напряжении. TR1 и F1 может быть выбран для конкретного применения, помня также о максимальном токе дросселя D1. При подаче сигнала от детектора пересечения нуля на управляющий вход помните, что в высоком состоянии его значение равно напряжению питания модуля. Коэффициент полезного действия тока мал, потому что он ограничен резистором R3, но следует учитывать возможное добавление подходящего защитного диода.
Рис. 3
Рис. 4
Из графиков (рис. 3, рис. 4) видно, что простота этого детектора дает небольшую ошибку в обнаружении нуля. Осциллограммы показывают измеренные значения времени начала импульса до прохождения через ноль и его окончания, после прохождения проверенного напряжения через ноль. Различия в длине импульса являются результатом различий между оптопарами. Они показывают, что при синхронизации с нарастающим фронтом импульса от детектора необходимо добавить временную границу минимального значения 0,35 мс. Тогда можно будет избежать отключения симистора в течение предыдущего полупериода напряжения.
Автор: Михал Курцела.
