Hei Geektimes!

Gestionarea sarcinilor puternice este un subiect destul de popular în rândul persoanelor care sunt cumva legate de automatizarea locuinței și, în general, indiferent de platformă: fie că este Arduino, Rapsberry Pi, Unwired One sau altă platformă, porniți sau opriți un fel de încălzire. , boiler sau ventilator de conductă mai devreme sau mai târziu trebuie să.

Dilema tradițională aici este ceea ce, de fapt, să faci naveta. După cum mulți oameni au văzut din experiența lor tristă, releele chineze nu au fiabilitatea adecvată - atunci când comută o sarcină inductivă puternică, contactele scânteie puternic și, la un moment bun, se pot lipi pur și simplu. Trebuie să punem două relee - al doilea pentru ca plasa de siguranță să se deschidă.

În loc de releu, puteți pune un triac sau un releu solid (de fapt, același tiristor sau dispozitiv de câmp cu un circuit de control al semnalului logic și un optocupler într-un caz), dar au un alt minus - se încălzesc. În consecință, este necesar un radiator, care mărește dimensiunile structurii.

Vreau să vorbesc despre o schemă simplă și destul de evidentă, dar în același timp rară, care poate face acest lucru:

• Izolarea galvanică a intrării și sarcinii
• Comutarea sarcinilor inductive fără supratensiune și curent
• Fără generare semnificativă de căldură chiar și la putere maximă

Dar mai întâi, câteva ilustrații. În toate cazurile s-au folosit relee din seriile TTI TRJ și TRIL, iar ca sarcină a fost folosit un aspirator de 650 W.

Schema clasică - conectăm aspiratorul printr-un releu convențional. Apoi conectăm un osciloscop la aspirator (Atenție! Fie un osciloscop, fie un aspirator - sau mai bine ambele - trebuie să fie izolate galvanic de sol! Nu te urca în sare cu degetele și cu ouăle! Nu gluma cu 220 V!) Si uite.

Include:

A trebuit să ajung aproape la tensiunea maximă de rețea (încercarea de a lega un releu electromagnetic la o trecere cu zero este o sarcină dezastruoasă: este prea lent). O scurtă ejecție cu fronturi aproape verticale a bubuit în ambele direcții, interferența a zburat în toate direcțiile. așteptat.

Opriți:

O pierdere bruscă de tensiune la o sarcină inductivă nu este de bun augur - supratensiunea a zburat. În plus, vedeți aceste zgomote pe sinusoidale milisecunde înainte de oprirea efectivă? Aceasta este scânteia contactelor releului care au început să se deschidă, din cauza cărora vor fierbe într-o zi.

Așadar, este rău să comutați o sarcină inductivă cu un releu „goal”. Ce vom face? Să încercăm să adăugăm un amortizor - un circuit RC cu un rezistor de 120 ohmi și un condensator de 0,15 uF.

Include:

Mai bine, dar nu mult. Ejecția a încetinit în înălțime, dar a fost în general păstrată.

Opriți:

Aceeași imagine. Resturile au rămas, mai mult, scânteia contactelor releului a rămas, deși mult redusă.

Concluzie: cu un snubber este mai bine decât fără un snubber, dar la nivel global nu rezolvă problemele. Cu toate acestea, dacă doriți să comutați sarcinile inductive cu un releu convențional, instalați un amortizor. Evaluările trebuie selectate pentru o sarcină specifică, dar un rezistor de 1 Watt 100-120 ohmi și un condensator de 0,1 uF par a fi o opțiune rezonabilă pentru acest caz.

Lectură înrudită: Agilent - Nota de aplicare 1399, „Maximizarea duratei de viață a releelor ​​dvs.”. Când releul funcționează la cel mai rău tip de sarcină - motorul, care, pe lângă inductanță, are și o rezistență foarte scăzută la pornire - autorii buni recomandă reducerea duratei de viață a pașaportului releului cinci ori.

Și acum să facem o mișcare de cavaler - vom combina un triac, un driver triac cu detectare zero și un releu într-un singur circuit.

Ce este pe această diagramă? În stânga este intrarea. Când i se aplică un „1”, condensatorul C2 se încarcă aproape instantaneu prin R1 și jumătatea inferioară a lui D1; optoreleul VO1 se pornește, așteaptă următoarea trecere cu zero (MOC3063 - cu circuit detector de zero încorporat) și pornește triacul D4. Încărcarea este pornită.

Condensatorul C1 este încărcat printr-un lanț de R1 și R2, care durează aproximativ t=RC ~ 100 ms. Acestea sunt mai multe perioade de tensiune de rețea, adică în acest timp triacul va avea timp să se pornească cu siguranță. Apoi se deschide Q1 - și releul K1 se aprinde (precum și LED-ul D2, care strălucește cu o lumină plăcută de smarald). Contactele releului opresc triacul, așa că mai departe - până când este oprit - nu participă la lucru. Și nu se încălzește.

Oprire - în ordine inversă. De îndată ce „0” apare la intrare, C1 se descarcă rapid prin brațul superior al lui D1 și R1, releul se oprește. Dar triacul rămâne aprins timp de aproximativ 100 ms, deoarece C2 este descărcat prin R3 de 100 kilohmi. Mai mult, deoarece triacul este ținut deschis de curent, chiar și după ce VO1 este oprit, acesta va rămâne deschis până când curentul de sarcină scade în următoarea jumătate de ciclu sub curentul de menținere a triacului.

Includere:

Închide:

Frumos, nu-i așa? Mai mult, atunci când se utilizează triac-uri moderne, care sunt rezistente la schimbările rapide ale curentului și tensiunii (toți producătorii majori au astfel de modele - NXP, ST, Onsemi etc., numele încep cu „BTA”), snubber-ul nu este deloc necesar, sub orice formă.

Mai mult, dacă ne amintim oameni destepti de la Agilent și vedeți cum se modifică curentul consumat de motor, obțineți această imagine:

Curentul de pornire depășește curentul de funcționare de mai mult de patru ori. Pentru primele cinci perioade - timpul în care triacul conduce releul în circuitul nostru - curentul scade cu aproximativ jumătate, ceea ce înmoaie semnificativ cerințele pentru releu și prelungește durata de viață a acestuia.

Da, circuitul este mai complicat și mai scump decât un releu convențional sau un triac convențional. Dar de multe ori merită.

Instalarea unui filtru de netezire pasiv la ieșirea redresorului afectează în mod semnificativ procesele fizice din redresor în sine. Natura inductivă are loc atunci când redresorul funcționează pe un filtru, începând cu o inductanță sau pe înfășurarea unui releu, contactor, înfășurare de excitație mașini electriceşi altele.O diagramă a celui mai simplu redresor cu sarcină inductivă este prezentată în figura 3.34. În aceste scheme, de regulă, condiția >> i.e. reactanța inductivă accelerație la frecvența de ondulare mai multa rezistentaîncărcături. Se știe că curentul din inductanță rămâne în urma tensiunii cu π/2 și procesul de creștere și scădere a curentului se termină într-o perioadă.

Figura 3.34 - Redresor monofazat cu un capăt cu

natura inductivă a sarcinii

Curentul din circuit (i 2) este nesinusoidal, deoarece în plus față de EMF înfășurării secundare, EMF a inducției clapetei de accelerație acționează în el.

Odată cu creșterea curentului, energia se acumulează în câmpul magnetic al inductorului, iar cu o scădere a curentului, această energie este eliberată.

Astfel, rezultatul pornirii inductanței este de a „trage” curentul de poartă. Unghiul de curgere a curentului depinde de constanta de timp, unde R \u003d RH + r D + r 2, r D este rezistența diodei, r 2 este rezistența ohmică a înfășurării secundare a transformatorului (Fig. 3.35).

Figura 3.35 - Dependenţa unghiului de curgere a curentului de constanta de timp

Este greu de îndeplinit raportul. pierderile în inductor în sine cresc și eficiența globală scade semnificativ. Prin urmare, cu caracter inductiv al sarcinii, se folosesc circuite multifazate p ≥ 2, unde continuitatea curentului este ușor asigurată în perioada de ondulare.

Să luăm un redresor trifazat cu un singur ciclu (Fig. 3.36). În această figură, L S este inductanța de scurgere a înfășurării secundare; r este rezistența la pierderi (r = r 2 + r 1 / n 2), care este de obicei r<< Rн; – угол перекрытия фаз. Поскольку >> curentul din sarcină este constant, iar curentul prin supapă are forma unui impuls dreptunghiular. Transferul de curent de la supapă la supapă din cauza inductanței de scurgere nu poate avea loc instantaneu. EMF-ul său de auto-inducție previne schimbarea curentului - într-o fază scade, iar în cealaltă crește. Ca urmare, curentul curge simultan în două faze. Acest fenomen se numește suprapunerea curenților de fază. Afectează semnificativ raporturile calitative și cantitative din schema de rectificare.

Figura 3.36 - Redresor monofazat trifazat

Într-un singur ciclu circuit monofazat nu există un transfer de curent de la o supapă la alta, astfel încât L-urile din ea practic nu afectează procesele fizice. LA circuit trifazat există un timp finit de tranziție a curentului (comutație de fază). Dacă neglijăm rezistența supapelor și a transformatorului, atunci nu va exista nicio tragere de curent - comutarea este instantanee. Datorită suprapunerii de fază, componenta constantă U 0 este redusă cu aria triunghiului în tensiunea U d .

Ca urmare, prezența lui r și Ls duce la o scădere mai accentuată a caracteristicii externe a redresorului (adică o creștere a lui Rout), care este prezentată în Fig. 3.37.

Figura 3.37 - Caracteristica exterioară a redresorului cu inductiv

natura încărcăturii

Aici, când curentul de sarcină este mai mic decât o anumită valoare I 0cr, relația încetează să fie îndeplinită. Curentul inductorului devine intermitent, se descarcă complet și tensiunea crește.

Pentru redresoarele cu sarcină inductivă se pot trage următoarele concluzii:

1) Componenta inductivă a rezistenței și sarcinii trebuie să fie proporțională cu Rn (altfel randamentul va fi scăzut).

2) Forma curbei de curent a supapei se apropie de o formă dreptunghiulară.

3) Durata fiecărei faze nu depinde de inductanța din circuitul de sarcină, ci este determinată de numărul de faze de redresare (impuls) și de inductanța de scurgere a transformatorului.

4) Prezența inductanței de scurgere duce la suprapunerea curenților de fază, în timp ce U 0 scade, iar ondulația la intrarea filtrului de netezire crește.

Caracterul capacitiv al sarcinii

Natura capacitivă a sarcinii apare atunci când redresorul funcționează pe un filtru, începând cu o capacitate, așa cum se arată în Fig. 3.38.

Constanta circuitului de încărcare este mult mai mică decât constanta circuitului de descărcare, prin urmare timpul de încărcare (unghiul) este mult mai mic decât timpul de descărcare a condensatorului filtrului la sarcină. Există o întrerupere a curentului supapei. Odată cu o creștere a RH, descărcarea încetinește și punctul de intersecție al U 2 și U C se deplasează, unghiul scade și ondulația de tensiune scade și ea. La curent

Figura 3.38 - Cel mai simplu redresor cu sarcină capacitivă

sarcină egală cu zero, condensatorul nu este descărcat și U 0 \u003d U m 2. Tensiunea inversă pe supapă este, de asemenea, maximă și egală cu . Caracteristica externă este neliniară și impedanța de ieșire poate fi determinată doar în punctul de funcționare în trepte (Figura 3.39).

Figura 3.39 - Caracteristica exterioară a redresorului cu capacitiv

sarcină

Circuitul de redresare monofazat, cu un singur capăt, are o ondulație destul de mare la o frecvență fundamentală scăzută și face o utilizare proastă a transformatorului. Cu toate acestea, simplitatea circuitelor cu un singur ciclu le face mai atractive decât circuitele push-pull pentru obținerea unor tensiuni înalte.

Luați în considerare un circuit de dublare a tensiunii. Este prezentat în fig. 3.40 și constă din două redresoare cu un singur ciclu, fiecare dintre ele folosind propriile sale

Figura 3.40 - Circuit de dublare a tensiunii (simetric)

jumătate de val de tensiune de rețea. Tensiunea de pe sarcină este suma tensiunilor de pe condensatoarele C 1 și C 2. Dacă ondulațiile sunt mici, atunci componenta constantă a sarcinii

La adăugare, toate armonicile impare sunt compensate, inclusiv prima (p = 2). Dezavantajul circuitului este lipsa unui punct comun între transformator și sarcină, ceea ce este incomod din punct de vedere al siguranței electrice.

O altă schemă de dublare este prezentată în Figura 3.41. Se numește asimetric și are punct comun rețele și sarcini.

Figura 3.41 - Circuit de dublare a tensiunii dezechilibrate

În acest circuit, frecvența primei armonice a ondulațiilor este egală cu frecvența rețelei. Condensatorul C 1 îndeplinește funcția de stocare intermediară de energie, astfel încât masa și volumul unui dublator asimetric este mai mare decât cel al unuia simetric.

Dar am obținut o structură regulată care poate fi mărită, așa cum se arată în Fig. 3.42.

Figura 3.42 - Circuit de dublare asimetrică a tensiunii (a) și

multiplicator de tensiune cu șase (b)

În multiplicatorul de tensiune, sarcina poate fi conectată și la grupul superior de condensatori - obținem un multiplicator cu cinci. Multiplicatorii sunt produși sub forma unui bloc neseparabil. Numărul de condensatori este egal cu factorul de multiplicare. Impedanța de ieșire este măsurată în kilo-ohmi.

Redresoare controlate

Un redresor controlat este un redresor a cărui tensiune de ieșire poate fi reglată la o tensiune de intrare constantă.

Puteți controla tensiunea de ieșire prin comutarea spirelor primarului sau înfăşurări secundare transformator, autotransformator de laborator (LATR) sau introducerea unui reostat în circuitul de curent. Prima metodă oferă discretitatea ajustării, care nu este întotdeauna acceptabilă, a doua, datorită prezenței contactelor glisante, are o fiabilitate scăzută, iar a treia (cu ajutorul reostatelor) are o eficiență scăzută. Prin urmare, se folosesc supape controlate, care sunt incluse în locul celor necontrolate în circuitul de redresare.

Tiristoarele sunt utilizate ca astfel de supape - cu patru straturi structuri p-n-p-n. Figura 3.43a,b,c prezintă simbolul, circuitul echivalent și respectiv CVC ale tiristorului (triacului). :

Figura 3.43 - Simbol, circuit echivalent și CVC ale tiristorului

În stare normală, tiristorul este blocat. Există două stări stabile în circuit: deschis (punctul A) și închis (punctul B).

Creșterea tensiunii sursei de la 0 la E la Iue = 0 duce la deplasarea punctului de funcționare de-a lungul secțiunii inferioare a caracteristicii. Dacă aplicați un impuls de curent de control Iue suficient pentru a porni, atunci rt. va merge la punctul A și circuitul de control va înceta să influențeze procesele din circuitul anodic al tiristorului - circuitul de control nu este necesar. Acesta este un sistem cu feedback pozitiv intern, astfel încât tiristoarele au un câștig mare de putere.

De obicei, E este întotdeauna mai mică decât tensiunea de pornire „de-a lungul anodului” (U amax) cu 20 ... 30%. Puteți opri tiristorul doar prin reducerea Ia la un nivel mai mic decât curentul de menținere (Iud), prin creșterea Rn sau reducerea E.

În stare deschisă, tiristoarele trec curenți mari (sute de amperi), dar sunt inerțiale, timpul de pornire este de 0,1 ... 10 μs, iar timpul de oprire este de 1 ... 100 μs.

Alături de tiristorul considerat, există un grup de dispozitive cu patru straturi cu diferite proprietăți, acestea sunt dinistorii, triac-urile și tiristoarele blocabile. Sunt prezentate în fig. 3.44.

Figura 3.44 - Dinistor simbol (a), triac (b)

și un tiristor blocabil (c).

Dinistorul are o tensiune de pornire reglată pe anod. Acesta este un dispozitiv cu doi electrozi. Triac-ul este proiectat să funcționeze în circuite curent alternativîn acest caz, semnalul de control poate fi aplicat relativ la catod sau relativ la anod. Toate dispozitivele de mai sus sunt oprite numai prin reducerea curentului anodic sub curentul de menținere.

Cu toate acestea, există și așa-numitele tiristoare blocabile, de exemplu. prin aplicarea curentului circuitului RE în sens opus, tiristorul poate fi oprit. Dar, în același timp, câștigul de oprire este cu un ordin de mărime mai mic decât cel de pornire.

Toate aceste dispozitive sunt utilizate pe scară largă în dispozitivele de automatizare și surse de alimentare ca regulatoare, stabilizatoare și dispozitive de protecție.

De obicei, un tiristor este plasat în circuitul de redresare în loc de o supapă necontrolată. Să luăm o punte monofazată (Fig. 3.45). În această figură - unghiul de comutare a tiristorului (unghiul relativ la punctul natural de comutare al supapei necontrolate).

Figura 3.45 - Pod controlat monofazat

Găsiți componenta constantă a tensiunii pe sarcină.

Avand in vedere ca tensiunea U 2 este armonica, atunci

(3.44) Dacă în (3.44) acceptăm , atunci este tensiunea la ieșirea redresorului necontrolat; daca atunci . Dependența este caracteristica de reglare a redresorului controlat. Este prezentat în Figura 3.46 și este neliniar.

Figura 3.49 - Redresor controlat dezechilibrat

Aici, diodele joacă rolul unei porți zero, așadar; asimetria poate fi oricare (supapele necontrolate pot fi în grupul anod sau catodic sau ca în fig. 3.49).

Tiristoarele sunt utilizate și în circuitele de amplificare, care, în comparație cu cele considerate, au o eficiență mai mare, deoarece convertesc doar o parte din energia pentru sarcină. Circuitul redresor cu o creștere a tensiunii este prezentat în Fig. 3.50. Aici este tensiunea minimă de ieșire

Figura 3.50 - Redresor cu amplificare de tensiune

furnizate de redresorul necontrolat VD1 și VD2. Creșterea tensiunii se realizează prin pornirea tiristoarelor VS1 și VS2. În modul maxim, diodele sunt întotdeauna închise, iar unghiul de comutare este de . Astfel de circuite au performanțe energetice bune, dar sunt necesare înfășurări suplimentare pe transformator.