Здравей Geektimes!

Управлението на мощни товари е доста популярна тема сред хората, които по някакъв начин са свързани с домашната автоматизация, и като цяло, независимо от платформата: било то Arduino, Rapsberry Pi, Unwired One или друга платформа, включете или изключете някакъв вид нагревател , вентилатор за бойлер или канал рано или късно трябва.

Традиционната дилема тук е какво всъщност да пътуваме. Както много хора са видели от тъжния си опит, китайските релета нямат необходимата надеждност - при превключване на мощен индуктивен товар контактите силно искриха и в един хубав момент те просто могат да се залепят. Трябва да сложим две релета - второто за отваряне на предпазната мрежа.

Вместо реле можете да поставите триак или полупроводниково реле (всъщност същото тиристорно или полево устройство с верига за управление на логически сигнал и оптрон в един случай), но те имат друг минус - те се нагряват. Съответно е необходим радиатор, който увеличава размерите на конструкцията.

Искам да говоря за проста и доста очевидна, но в същото време рядка схема, която може да направи това:

• Галванична изолация на входа и товара
• Превключване на индуктивни товари без пренапрежения на ток и напрежение
• Няма значително генериране на топлина дори при максимална мощност

Но първо, няколко илюстрации. Във всички случаи са използвани релета от сериите TTI TRJ и TRIL, а като товар е използвана прахосмукачка с мощност 650 W.

Класическата схема - свързваме прахосмукачката чрез конвенционално реле. След това свързваме осцилоскоп към прахосмукачката (Внимание! Осцилоскопът или прахосмукачката - или по-добре и двете - трябва да са галванично изолирани от земята! Не се качвайте в солницата с пръсти и яйца! Те не шега с 220 V!) И вижте.

Включете:

Трябваше почти да достигна максималното мрежово напрежение (опитът да вържа електромагнитно реле към нулата е катастрофална задача: твърде е бавен). Кратко изхвърляне с почти вертикални фронтове бумтеше в двете посоки, смущения летяха във всички посоки. очакван.

Изключи:

Рязката загуба на напрежение при индуктивен товар не предвещава нищо добро - пренапрежението излетя нагоре. Освен това, виждате ли тези шумове на синусоида милисекунди преди действителното изключване? Това е искренето на контактите на релето, които са започнали да се отварят, поради което те ще кипнат един ден.

Така че е лошо да превключвате индуктивен товар с "голо" реле. Какво ще правим? Нека се опитаме да добавим демпфер - RC верига от резистор 120 ома и кондензатор 0,15 uF.

Включете:

По-добре, но не много. Катапулцията се забави във височина, но като цяло се запази.

Изключи:

Същата картина. Отломките останаха, освен това искрите на контактите на релето останаха, макар и силно намалени.

Извод: със снабер е по-добре отколкото без снабер, но глобално не решава проблемите. Ако обаче искате да превключвате индуктивни товари с конвенционално реле, инсталирайте демпфер. Номиналните стойности трябва да бъдат избрани за конкретен товар, но резистор от 1 W 100-120 ома и кондензатор от 0,1 uF изглеждат като разумна опция за този случай.

Свързано четене: Agilent – ​​Бележка за приложението 1399, „Увеличаване на продължителността на живота на вашите релета“. Когато релето работи на най-лошия тип натоварване - двигателят, който освен индуктивност има и много ниско съпротивление при стартиране - добрите автори препоръчват намаляване на паспортния живот на релето пет пъти.

А сега нека направим конски ход - ще комбинираме триак, триак драйвер с детекция на нула и реле в една верига.

Какво е на тази диаграма? Вляво е входът. Когато към него се приложи "1", кондензаторът C2 се зарежда почти моментално през R1 и долната половина на D1; оптореле VO1 се включва, изчаква следващото преминаване през нулата (MOC3063 - с вграден детектор на нула) и включва триак D4. Зареждането е стартирано.

Кондензатор C1 се зарежда чрез верига от R1 и R2, което отнема приблизително t=RC ~ 100ms. Това са няколко периода на мрежово напрежение, тоест през това време триакът ще има време да се включи със сигурност. След това Q1 се отваря - и релето K1 се включва (както и LED D2, светещ с приятна изумрудена светлина). Релейните контакти шунтират триака, така че по-нататък - докато не бъде изключен - той не участва в работата. И не става горещо.

Изключване - в обратен ред. Веднага щом на входа се появи "0", C1 бързо се разрежда през горната част на D1 и R1, релето се изключва. Но триакът остава включен за около 100 ms, тъй като C2 се разрежда през 100-kilohm R3. Освен това, тъй като триакът се държи отворен от ток, дори след като VO1 е изключен, той ще остане отворен, докато токът на натоварване падне в следващия половин цикъл под тока на задържане на триака.

Включване:

Изключвам:

Красиво, нали? Освен това, когато използвате модерни триаци, които са устойчиви на бързи промени в тока и напрежението (всички големи производители имат такива модели - NXP, ST, Onsemi и др., Имената започват с "BTA"), демпферът изобщо не е необходим, под всякаква форма.

Освен това, ако си спомним умни хораот Agilent и вижте как се променя токът, консумиран от двигателя, ще получите тази картина:

Стартовият ток надвишава работния ток повече от четири пъти. За първите пет периода - времето, през което триакът води релето в нашата верига - токът пада с около половината, което също значително смекчава изискванията към релето и удължава живота му.

Да, веригата е по-сложна и по-скъпа от конвенционалното реле или конвенционалния триак. Но често си заслужава.

Инсталирането на пасивен изглаждащ филтър на изхода на токоизправителя оказва значително влияние върху физическите процеси в самия токоизправител. Индуктивният характер възниква, когато токоизправителят работи върху филтър, започвайки с индуктивност или върху намотката на реле, контактор, възбуждаща намотка електрически машинии др.. Схема на най-простия токоизправител с индуктивен товар е показана на фиг.3.34. В тези схеми по правило условието >> т.е. индуктивно съпротивлениедросел на честота на пулсации повече съпротиватовари. Известно е, че токът в индуктивността изостава от напрежението с π/2 и процесът на нарастване и спадане на тока завършва за един период.

Фигура 3.34 - Еднофазен, еднокраен токоизправител с

индуктивен характер на товара

Токът във веригата (i 2) е несинусоидален, тъй като в допълнение към ЕМП на вторичната намотка в него действа ЕМП на индукцията на дросела.

При увеличаване на тока енергията се натрупва в магнитното поле на индуктора, а при намаляване на тока тази енергия се освобождава.

По този начин резултатът от включването на индуктивността е "издърпване" на тока на портата. Ъгълът на текущия поток зависи от времевата константа, където R \u003d R H + r D + r 2, r D е съпротивлението на диода, r 2 е омичното съпротивление на вторичната намотка на трансформатора (фиг. 3.35).

Фигура 3.35 - Зависимост на ъгъла на протичане на тока от времевата константа

Трудно е да се изпълни съотношението. загубите в самия индуктор нарастват и общата ефективност намалява значително. Следователно, при индуктивен характер на товара, се използват многофазни вериги p ≥ 2, където непрекъснатостта на тока лесно се осигурява по време на периода на пулсации.

Да вземем трифазен едноциклен токоизправител (фиг. 3.36). На тази фигура L S е индуктивността на утечка на вторичната намотка; r е съпротивлението на загубите (r = r 2 + r 1 / n 2), което обикновено е r<< Rн; – угол перекрытия фаз. Поскольку >> токът в товара е постоянен, а токът през вентила има формата на правоъгълен импулс. Прехвърлянето на ток от вентил към клапан поради индуктивност на утечка не може да се случи моментално. Неговата ЕМП на самоиндукция предотвратява промяна на тока - в едната фаза намалява, а в другата се увеличава. В резултат на това токът протича едновременно в две фази. Това явление се нарича припокриване на фазовите токове. Влияе съществено на качествените и количествените съотношения в ректификационната схема.

Фигура 3.36 - Трифазен еднокраен токоизправител

В единичен цикъл еднофазна вериганяма прехвърляне на ток от един клапан към друг, така че Ls в него практически не засяга физическите процеси. AT трифазна веригаима ограничено време на преход на тока (превключване на фазите). Ако пренебрегнем съпротивлението на вентилите и трансформатора, тогава няма да има теглене на ток - превключването е мигновено. Поради припокриване на фазите, постоянният компонент U 0 се намалява с площта на триъгълника в напрежението U d .

В резултат на това наличието на r и Ls води до по-рязък спад на външната характеристика на токоизправителя (т.е. увеличаване на Rout), което е показано на фиг. 3.37.

Фигура 3.37 - Външна характеристика на токоизправителя с индуктивност

естеството на натоварването

Тук, когато товарният ток е по-малък от определена стойност I 0cr, връзката престава да се изпълнява. Токът на индуктора става прекъсващ, той се разрежда напълно и напрежението се увеличава.

За токоизправители с индуктивен характер на товара могат да се направят следните изводи:

1) Индуктивният компонент на съпротивлението и натоварването трябва да бъде съизмерим с Rn (в противен случай ефективността ще бъде ниска).

2) Формата на кривата на тока на вентила се доближава до правоъгълна форма.

3) Продължителността на всяка фаза не зависи от индуктивността в веригата на натоварване, а се определя от броя на фазите на коригиране (импулс) и индуктивността на утечка на трансформатора.

4) Наличието на индуктивност на утечка води до припокриване на фазовите токове, докато U 0 намалява, а пулсациите на входа на изглаждащия филтър се увеличават.

Капацитивен характер на товара

Капацитивният характер на товара възниква, когато токоизправителят работи на филтър, като се започне с капацитет, както е показано на фиг. 3.38.

Константата на зарядната верига е много по-малка от константата на разрядната верига, следователно времето за зареждане (ъгъл) е много по-малко от времето на разреждане на филтърния кондензатор към товара. Има прекъсване на тока на вентила. С увеличаване на R H разрядът се забавя и точката на пресичане на U 2 и U C се измества, ъгълът намалява и пулсациите на напрежението също намаляват. При ток

Фигура 3.38 - Най-простият токоизправител с капацитивен товар

натоварване равно на нула, кондензаторът не е разреден и U 0 \u003d U m 2. Обратното напрежение през вентила също е максимално и равно на . Външната характеристика е нелинейна и изходният импеданс може да се определи само в работната точка на стъпки (Фигура 3.39).

Фигура 3.39 - Външна характеристика на токоизправителя с капацитивен

натоварване

Еднофазната верига за коригиране с един край има доста висока пулсация при ниска основна честота и не използва трансформатора. Въпреки това, простотата на едноцикличните вериги ги прави по-привлекателни от двутактните вериги за получаване на високи напрежения.

Помислете за верига за удвояване на напрежението. Показано е на фиг. 3.40 и се състои от два едноциклични токоизправителя, всеки от които използва собствен

Фигура 3.40 - Верига за удвояване на напрежението (симетрична)

полувълна на мрежовото напрежение. Напрежението на товара е сумата от напреженията на кондензаторите C 1 и C 2. Ако пулсациите са малки, тогава постоянният компонент на товара

При добавяне се компенсират всички нечетни хармоници, включително първия (p = 2). Недостатъкът на схемата е липсата на обща точка между трансформатора и товара, което е неудобно от гледна точка на електрическата безопасност.

Друга схема на удвояване е показана на фигура 3.41. Нарича се асиметрична и има обща точкамрежи и товари.

Фигура 3.41 - Небалансирана верига за удвояване на напрежението

В тази схема честотата на първия хармоник на пулсациите е равна на честотата на мрежата. Кондензаторът C 1 изпълнява функцията на междинно устройство за съхранение на енергия, поради което масата и обемът на асиметричния удвоител са по-големи от тези на симетричния.

Но имаме правилна структура, която може да бъде увеличена, както е показано на фиг. 3.42.

Фигура 3.42 - Асиметрична верига за удвояване на напрежението (а) и

умножител на напрежението по шест (b)

В умножителя на напрежението товарът може да бъде свързан и към горната група кондензатори - получаваме умножител с пет. Мултипликаторите се произвеждат под формата на неразделим блок. Броят на кондензаторите е равен на коефициента на умножение. Изходният импеданс се измерва в килоома.

Управлявани токоизправители

Управляваният токоизправител е токоизправител, чието изходно напрежение може да се регулира при постоянно входно напрежение.

Можете да контролирате изходното напрежение чрез превключване на завъртанията на първичната или вторични намоткитрансформатор, лабораторен автотрансформатор (LATR) или въвеждането на реостат в токовата верига. Първият метод дава дискретност на настройката, която не винаги е приемлива, вторият, поради наличието на плъзгащи се контакти, има ниска надеждност, а третият (с помощта на реостати) има ниска ефективност. Затова се използват управлявани вентили, които се включват вместо неконтролирани в изправителната верига.

Като такива вентили се използват тиристори - четирислойни p-n-p-n структури. Фигура 3.43a,b,c показва съответно символа, еквивалентната схема и CVC на тиристора (триак). :

Фигура 3.43 - Символ, еквивалентна схема и CVC на тиристора

В нормално състояние тиристорът е заключен. Във веригата има две стабилни състояния: отворено (точка А) и затворено (точка Б).

Увеличаването на напрежението на източника от 0 до E при Iue = 0 води до преместване на работната точка по долната част на характеристиката. Ако приложите контролен токов импулс Iue, достатъчен за включване, тогава rt. ще отиде в точка А и управляващата верига ще престане да влияе на процесите в анодната верига на тиристора - управляващата верига не е необходима. Това е система с вътрешна положителна обратна връзка, така че тиристорите имат голямо усилване на мощността.

Обикновено E винаги е по-малко от напрежението на включване "по протежение на анода" (U amax) с 20 ... 30%. Можете да изключите тиристора само чрез намаляване на Ia до ниво, по-малко от задържания ток (Iud), чрез увеличаване на Rn или намаляване на E.

В отворено състояние тиристорите преминават големи токове (стотици ампери), но те са инерционни, времето за включване е 0,1 ... 10 μs, а времето за изключване е 1 ... 100 μs.

Наред с разглеждания тиристор, има група от четирислойни устройства с различни свойства, това са динистори, триаци и заключващи се тиристори. Те са показани на фиг. 3.44.

Фигура 3.44 - Символ динистор (a), триак (b)

и заключващ се тиристор (c).

Динисторът има регулирано напрежение на включване на анода. Това е двуелектродно устройство. Триакът е проектиран да работи във вериги променлив токв този случай управляващият сигнал може да бъде приложен спрямо катода или спрямо анода. Всички горепосочени устройства се изключват само чрез намаляване на анодния ток под задържания ток.

Съществуват обаче и така наречените заключващи се тиристори, т.е. чрез прилагане на ток към веригата RE в обратна посока, тиристорът може да бъде изключен. Но в същото време печалбата при изключване е с порядък по-малка от тази при включване.

Всички тези устройства се използват широко в устройства за автоматизация и захранвания като регулатори, стабилизатори и защитни устройства.

Обикновено в изправителната верига се поставя тиристор вместо неконтролиран вентил. Да вземем еднофазен мост (фиг. 3.45). На тази фигура - ъгълът на превключване на тиристора (ъгълът спрямо естествената точка на превключване на неконтролирания клапан).

Фигура 3.45 - Еднофазен управляван мост

Намерете постоянния компонент на напрежението върху товара.

Като се има предвид, че напрежението U 2 е хармонично, тогава

(3.44) Ако в (3.44) приемем , то е напрежението на изхода на неуправляемия токоизправител; ако , тогава . Зависимостта е регулиращата характеристика на управлявания токоизправител. Той е показан на фигура 3.46 и е нелинеен.

Фигура 3.49 - Небалансиран управляван токоизправител

Ето защо диодите играят ролята на нулев гейт; асиметрията може да бъде всяка (неконтролираните вентили могат да бъдат в анодната или катодната група или както на фиг. 3.49).

Тиристорите се използват и в усилвателни вериги, които в сравнение с разглежданите имат по-висока ефективност, тъй като преобразуват само част от енергията за товара. Схемата на токоизправителя с повишено напрежение е показана на фиг. 3.50. Ето минималното изходно напрежение

Фигура 3.50 - Токоизправител с повишаване на напрежението

осигурен от неконтролиран токоизправител VD1 и VD2. Увеличаването на напрежението се постига чрез включване на тиристорите VS1 и VS2. В максималния режим диодите са винаги затворени и ъгълът на превключване е . Такива вериги имат добри енергийни характеристики, но на трансформатора са необходими допълнителни намотки.