Включение и выключение нагрузки двумя разными импульсами

Схема подключения и принцип работы импульсного реле РИО-1

Здравствуйте, уважаемые гости и читатели сайта «Заметки электрика».

В последнее время вместо стандартных схем с одним выключателем все чаще стали применяться схемы управления освещением (квартир, домов, офисов и т.п.) с двух, трех и более мест.

Ведь это очень удобно, особенно в помещениях с большими площадями или при наличии длинных проходов и коридоров. Например, можно включить свет в начале коридора, а выключить в конце, не возвращаясь обратно. Или же включить свет в лестничном пролете на первом этаже, а выключить его на втором, не спускаясь вниз.

Существует несколько способов реализации управления освещением из нескольких мест:

• применение проходных выключателей (переключателей)
• применение импульсных реле
• применение дистанционных ПУ

Про схемы подключения проходных выключателей (переключателей) я уже подробно рассказывал в одной из своих статей — вот ссылочка на нее. Здесь приведу лишь один пример — это схема управления освещением с трех мест с помощью двух проходных и одного перекрестного выключателя.

Как видите, питание с автомата сначала приходит в распределительную коробку, далее от нее идет на проходные и перекрестные переключатели, и с нее же идет на лампы. Схема достаточно сложная и при ее сборке зачастую возникают ошибки. А это управление только с 3 мест. Представьте себе, как будет выглядеть схема управления освещением с 4 или 5 мест.

Весь монтаж ведется кабелями одного сечения, т.к. ток нагрузки ламп проходит через всю цепочку выключателей.

Стоимость проходных переключателей в несколько раз выше, нежели кнопочных, про которые я расскажу чуть ниже. И чем больше точек для управления светом Вы хотите сделать, тем дороже выйдет данный способ управления.

С другой стороны эта схема достаточно надежна, т.к. не содержит элементов автоматики. Но автоматикой в наше время уже никого не удивишь, а даже наоборот, ее удобство и функциональность значительно расширяет стандартные границы и возможности.

Поэтому я предлагаю рассмотреть второй способ — это применение импульсных реле, на которых и остановимся более подробно в рамках данной статьи.

Для реализации управления светильниками с помощью импульсного реле нам необходимы:

• импульсное реле
• кнопочные выключатели

Разновидности импульсных реле

Импульсные реле еще называют бистабильными реле или блокировочными. Не суть, главное, что это такие реле, которые переключают свой силовой контакт (у некоторых моделей несколько силовых контактов) при подаче на их катушку или схему управления кратковременного импульса напряжения.

В настоящее время на рынке можно приобрести импульсные реле любых производителей, например, от АВВ (ABB E 251-230), Schneider Electric (Acti 9 iTL), Legrand, F&F (Biss-411), Меандр (РИО-1) и т.п.

В устройство электромеханических импульсных реле входит катушка, контактная система, пружинные и рычажные системы — по конструкции они несколько похожи с модульными контакторами, только у включенного контактора катушка всегда должна находиться под напряжением, а у импульсного реле на катушку или схему управления подается кратковременный импульс,  о чем можно сделать вывод, что реле потребляет электроэнергию только в момент коммутации.

В электронных импульсных реле установлена печатная плата с микроконтроллером и выходным электромагнитным реле.

Первые, более надежные и не боятся различных перенапряжений в сети.

Вторые же, очень чувствительны к уровню напряжения и импульсным перенапряжениям, реагируют на малейшие помехи в сети и могут ложно срабатывать, в связи с этим у них есть некоторые ограничения по длине линий управления. Какой из них выбрать — это уже отдельная тема для разговора, но я рекомендую остановить свой выбор на электромеханических.

Импульсные реле могут иметь катушку или входной сигнал на 12 (В), 24 (В), 130(В) и 220 (В).

Также бистабильные реле могут отличаться друг от друга по количеству и типу контактов, количеству полюсов и номинальному току силовых контактов (16 А и 32 А), по способу установки (на DIN-рейку в электрический щит или навесного типа для установки под навесным потолком или в распределительной коробке).

В качестве примера я рассмотрю импульсное реле РИО-1 от компании Меандр. Его стоимость на момент написания статьи составляет около 900 рублей. РИО-1 расшифровывается следующим образом:

• Р — реле
• И — импульсное
• О — для управления освещением
• 1 — модификация (серия)

Вот его габаритные размеры.

Импульсное реле РИО-1 имеет модульное исполнение и устанавливается в электрическом щите на DIN-рейке (занимает места в один модуль). Также его можно установить и на ровную поверхность.

Технические характеристики РИО-1 (взято с официального сайта):

Кнопочные выключатели

Вот пример одноклавишного кнопочного выключателя с подсветкой.

У этого выключателя имеется один нормально-открытый контакт (замыкающий) без фиксации своего положения. По конструкции они выполнены, как обычные одноклавишные выключатели, только у них установлена возвратная пружина, которая возвращает его контакт в начальное (исходное) положение.

Помимо одноклавишных кнопочных  выключателей, в продаже имеются двуклавишные кнопочные выключатели. Все тоже самое, только в нем размещено два нормально-открытых контакта (замыкающих) без фиксации, которые можно подключить на разные импульсные реле для управления разными группами ламп.

Кнопочные выключатели бывают скрытой и открытой установки. На фотографии выше показан вариант открытой установки, который крепится непосредственно на стену (поверхность).

Кнопочные выключатели скрытой установки крепятся в подрозетники.

Схема подключения импульсного реле РИО-1

Вот схема импульсного реле РИО-1:

• 11-14 — нормально-открытый (замыкающий) контакт
• Y — вход «Вкл./Откл.» (включение и отключение реле)
• Y1 — вход «Вкл.» (только включение реле)
• Y2 — вход «Откл.» (только отключение реле)
• N — ноль

Представляю Вашему вниманию схему управления освещением с трех мест с помощью импульсного реле РИО-1.

В данной схеме защита цепей освещения и цепей управления выполнена с помощью одного автоматического выключателя 10 (А), поэтому все кабели и провода должны иметь сечение не менее 1,5 кв.мм (по меди конечно же).

Силовые контакты реле (11-14) рассчитаны на ток 16 (А) при коммутации чисто активной нагрузки. Этого для цепей освещения вполне хватит, а если и не хватит, то всегда можно использовать контактор.

Кнопочные выключатели между собой подключаются параллельно. Их можно подключать даже шлейфом, для экономии кабеля.

Фаза с автомата (провод красного цвета) подходит ко всем кнопочным выключателям и на силовой контакт реле (11). С выключателей коммутируемая фаза (провод оранжевого цвета) уходит на клемму (Y).

На клемму реле (N) подключается нулевой провод с шины (N). На клемму (14) подключается фазный провод (оранжевого цвета), который в дальнейшем идет на светильники.

Ноль на светильники берется с шины (N).

Предположим, что освещение было выключено. Нажмем на клавишу любого кнопочного выключателя. Таким образом, фаза через кнопочный выключатель кратковременно придет на клемму (Y) импульсного реле, реле замкнет свой силовой контакт (11-14) — освещение включится.

Нажмем на клавишу другого кнопочного выключателя (или этого же — разницы нет никакой), фаза придет на клемму (Y) импульсного реле и оно разомкнет свой силовой контакт (11-14) — освещение выключится. И так далее, при каждом нажатии на кнопочный выключатель, реле будет менять состояние своих силовых контактов на противоположное.

Более наглядно принцип работы импульсного бистабильного реле РИО-1 на трех кнопочных выключателях смотрите в видеоролике:

Схема гораздо проще, нежели схема с проходными и перекрестными переключателями.

С помощью импульсного реле можно собрать схему управления освещением практически с неограниченным количеством мест управления — от 2 до 20.

При этом схема нисколько не усложнится — в нее будут добавляться только кнопочные выключатели и кабели для их подключения. Ошибиться при монтаже здесь практически не возможно.

Если в такой схеме случится повреждение в виде короткого замыкания, то найти его будет чуть сложнее, нежели в схеме изображенной ниже, поэтому предлагаю такой вариант подключения импульсного реле, правда он используют гораздо реже.

Смысл такой схемы аналогичен предыдущей, только защита силовой цепи и цепи управления разделена и выполнена отдельными аппаратами защиты. В таком случае гораздо легче продиагностировать и найти неисправность.

Силовая цепь в данном примере выполнена кабелями сечением 1,5 кв.мм  и защищена автоматом на 10 (А), а цепи управления — кабелями сечением 0,5 кв.мм или 0,75 кв.мм, и защищены автоматом на 6 (А).

По сравнению с предыдущей схемой здесь идет некоторая экономия на кабельной продукции, т.к. для цепей управления используется кабель меньшего сечения, который стоит несколько дешевле, правда при этом придется приобрести дополнительный однополюсный автомат.

Если же Вы хотите установить несколько импульсных реле для разных групп освещения, то схема будет выглядеть следующим образом:

Подключение импульсных реле с централизованным управлением

На этом использование импульсных реле не заканчивается. Например, с помощью них можно собрать схему централизованного управления освещением, т.е. с одного места управлять сразу несколькими импульсными реле. Для этого нам нужно добавить в предыдущую схему два кнопочных выключателя: «Вкл.» и «Откл.».

При нажатии на клавишу «Вкл.» фаза одновременно придет на клеммы (Y1) обоих реле, они замкнут свои силовые контакты (11-14) — включится освещение 1 и 2 группы. Если еще раз нажать на клавишу «Вкл.», то реле не отключатся и останутся включенными, т.е. с помощью этой клавиши можно только включать реле.

Аналогично и с клавишей «Откл.». При нажатии на клавишу «Откл.» фаза одновременно придет на клеммы (Y2) обоих реле, они разомкнут свои силовые контакты (11-14) — отключится освещение 1 и 2 группы. Если еще раз нажать на клавишу «Откл.», то реле не включатся и останутся отключенными, т.е. с помощью этой клавиши можно только отключать реле.

Обычно такие выключатели устанавливают при входе в квартиру или дом, чтобы уходя из дома выключить одной клавишей свет во всем доме или наоборот включить его.

Если статья была Вам полезна, то поделитесь ей со своими друзьями:

Источник: http://zametkielectrika.ru/sxema-podklyucheniya-i-princip-raboty-impulsnogo-rele-rio-1/

Одна кнопка — два выхода — Community «Электронные Поделки» on DRIVE2

Продолжаем делать полезные маленькие устройства для электроники автомобиля.Данный девайс позволяет управлять одной кнопкой двумя разными нагрузками. Например подогрев зеркал — подогрев заднего стекла и т.п.

Работа устройства проста: короткое нажатие — одно действие, длительное нажатие — другое. Можно например организовать работу центрального замка: короткое нажатие — открыты двери, длительное — закрыты. Короткое нажатие — по отжатию кнопки, длительное по времени.

Схематично: кнопка и два управляемых устройства.

Для удобства введен биппер- пищалка, которая пропискивает режим работы и включения — помогает ориентироваться по звуку, не отвлекаясь от вождения. Так же есть богатые возможности по настройке работы девайса. Схема:

Микроконтроллер ATtiny13A, пищалка — от материнки компьютера или корпуса системного блока

Схема имеет вход питания +12 Вольт, вход KEY — нефиксируемая кнопка, которая замыкается на массу, и имеется два выхода: OUT1 и OUT2. Схема условная, её можно дорабатывать под себя, например можно применить логические мосфеты и т.д.

Настройки позволяют выбирать различные режимы работы выходов OUT1 и OUT2:

1. Можно настраивать тип выходного сигнала: импульс или постоянное состояние (нажали кнопку — лампочка загорелась, ещё раз нажали — лампочка потухла)2. В импульсном режиме можно настраивать длительность импульса: 0,2, 0,5, 1, 2 секунды

3. В постоянном режиме можно выбирать сохранение состояние выхода после выключения — включения питания. То есть нажали кнопку — зажглась лампочка — выключили питание схемы — включили питание схемы — лампочка будет гореть.

Для того, что бы настроить работу необходимо перед подачей питания нажать и удерживать кнопку KEY. После подачи питания попадаем в режим настройки: через две секунды начнет с периодичностью раз в секунду пикать пищалка. Считаем количество пиканий: каждый “пик” — это необходимый пункт настройки, начиная с единицы.

После того, как пропикало нужное количество раз необходимо отжать кнопку. Прозвучит трель пищалки, говорящая о том, что настройка произведена. После этого необходимо снять питание со схемы и включить в нормальном режиме или опять удерживать кнопку перед подачей питания, если необходимо настроить следующий пункт меню.

Таблица настройки:

1.OUT2 — импульсный режим выхода;
2.OUT2 — фиксируемый режим выхода;
3.OUT1 — импульсный режим выхода;
4.OUT1 — фиксируемый режим выхода;

Для фиксируемого режима выхода:
5.OUT2 — память включена
6.OUT2 — память выключена
7.OUT1 — память включена
8.OUT1 — память выключена

Для импульсного режима выхода:
9. OUT2 — длительность импульса 0.2 секунды
10.OUT2 — длительность импульса 0.5 секунд
11.OUT2 — длительность импульса 1 секунда
12.OUT2 — длительность импульса 2 секунды

13.OUT1 — длительность импульса 0.2 секунды
14.OUT1 — длительность импульса 0.5 секунд
15.OUT1 — длительность импульса 1 секунда
16.OUT1 — длительность импульса 2 секунды

В архиве прошивка, модель протеуса и фьюзы:
umat.ru/files/button_v1.0_beta.zip

Источник: https://www.drive2.com/c/292144/

062-Как подключить к микроконтроллеру нагрузку?

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, -выключено. Начнем.<\p>

1 НАГРУЗКА ПОСТОЯННОГО ТОКА.

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.

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.

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!

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.

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).
BC547.pdf – 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.

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.

Источник: http://www.GetChip.net/posts/062-kak-podklyuchit-k-mikrokontrolleru-nagruzku/

Новая технология управления моментом переключения твердотельных реле

Переключение переменного тока было проблемой еще во времена Эдисона, более 125 лет назад. Теперь в твердотельных реле (SSR – Solid State Relay) используется минимизирующая электромагнитные помехи (ЭМП) запатентованная технология коммутации при прохождении переменного напряжения через ноль.

Чтобы увидеть, как работает эта технология, мы должны внимательно рассмотреть методы переключения переменного тока. Полупроводниковые приборы все больше вытесняют электромеханические реле.

Полупроводники, используемые в SSR, обычно бывают двух типов: несимметричные и симметричные тиристоры (симисторы), и транзисторы (биполярные, MOSFET, IGBT и т. д.).

Тиристоры открываются и остаются открытыми, пока их не выключит нулевой ток, в то время как транзисторы включаются и выключаются в любой момент сигналами управления.

Используемые в SSR тиристоры могут переключать переменный ток, но для этого потребуются два тиристора, соединенных встречно-параллельно для управления токами обоих направлений. Это усложняет задачу выключения тиристора в середине цикла, так как он защелкивает себя во включенном состоянии и должен выключаться принудительно.

Кроме того, параллельному объединению тиристоров, необходимому для разделения тока и уменьшения рассеивания тепла, препятствует их свойство увеличения тока с ростом температуры. И, наконец, тиристоры чувствительны к скорости нарастания напряжения сети (dv/dt), и необходимо заботиться о том, чтобы они не включались случайно.

Применение в SSR симисторов сокращает количество элементов, поскольку симистор – это, фактически, два тиристора, включенных встречно-параллельно.

Однако симисторы могут быть выключены только в очень узком интервале времени при переходе через ноль, из-за чего в более высокочастотных решениях они используются нечасто.

Для предотвращения этого часто используются снабберные цепи, снижающие dv/dt. Симисторы также труднее соединять параллельно, по тем же причинам, что и тиристоры.

В приложениях переменного тока все чаще используются MOSFET, поскольку их легко объединять в параллельные группы, и, таким образом, уменьшать падение напряжение и снижать тепловыделение по сравнению с тиристорами или симисторами. Вдобавок, транзисторы можно включать и выключать в любой момент, и, кроме того, у них нет таких проблем с dv/dt, как у тиристоров и симисторов.

Электромагнитные помехи

Переключение реле в цепях переменного тока генерирует нежелательные ЭМП. Электромеханическое реле может порождать большое количество шума из-за дребезга контактов, поэтому при ограничениях по допустимому уровню помех часто выбирают SSR. Однако при фазовом управлении и SSR могут быть источниками ЭМП.

Каждый раз, когда тиристор переключается в чисто резистивной цепи, ток нагрузки меняется от нуля до значения, ограниченного нагрузкой, менее чем за несколько микросекунд. Это создает бесконечный спектр энергии с амплитудой, обратно пропорциональной частоте.

В цепи 60 Гц с двухполупериодным фазовым управлением импульсы этого шума будут повторяться с периодичностью 120 раз в секунду.

В случаях, когда фазовое управление используется в домашней технике, это может вызывать раздражение при попадании спектра помех в частотный диапазон вещания AM радио.

ЭМП желательно устранять или, хотя бы, уменьшать. Общепринята технология переключения при нулевом напряжении (ПНН), которая, в идеале, обеспечивает замыкание цепи нагрузки в тот момент, когда напряжение на ней равно нулю, а размыкание – когда ток через нагрузку равен нулю. (Для резистивных нагрузок эти точки совпадают).

Такой подход позволяет получать наименьшие из возможных значения di/dt, и гарантирует, что уровень высокочастотных помех будет минимальным. Большинство производимых в настоящее время схем SSR не обнаруживает истинную точку прохождения через ноль, а срабатывает, когда напряжение лежит между 5 В и 12 В.

Если требуется низкий уровень ЭМП, особенно при высоком токе нагрузки, диапазон порогов 5 … 12 В может оказаться слишком грубым.

Встречно включенные MOSFET также могут использоваться для управления переменным током. Обычно мощные MOSFET переключают ток одного направления, однако при встречном включении они способны управлять обеими полуволнами переменного напряжения.

Быстро открыть MOSFET в точке ПНН силовой сети для минимизации ЭМП не очень просто. Включение MOSFET обычно происходит не в нуле, отставая от команды управления вследствие присущей MOSFET задержки.

Технология TATTOO

Решить проблему позволяет новая технология управления последовательно соединенными транзисторами с параллельными диодами, использующая преимущества естественной коммутации диодов для получения почти идеальной точки переключения.

Этот метод коммутации транзисторов при ПНН называют TATTOO (Technique of Alternate Transistor Turn On and Off – Технология попеременного включения и выключения транзистора).

Метод сравнительно нечувствителен к частоте источника питания и может быть адаптирован к многофазным электрическим цепям.

Когда цепь получает команду начать работу, основная схема включает один MOSFET, в то время как другой остается выключенным (в режиме блокировки). Это позволяет току протекать лишь в одном направлении, и не сразу, а только после того, как первая волна напряжения пересечет ноль.

Другой MOSFET откроется, когда первая волна сменит полярность, и ток получит возможность течь в противоположном направлении. Подключенные параллельно диоды позволяют току течь до тех пор, пока второй MOSFET не включится полностью, и начнет пропускать ток нагрузки.

Это снимает требования строгой привязки момента включения MOSFET к точке пересечения нуля, так как диод, включаясь естественным образом, пропускает через себя ток, пока транзистор не открылся полностью.

При отключении тока нагрузки схема работает противоположным образом, также обеспечивая коммутацию во время пересечения нуля.

Рисунок 1.

Состояние ключей K1 и K2 при выключенном SSR.

Рисунок 2.

Когда K2 замкнут, SSR включено. Фаза А положительна, D1 заперт и ток не течет.

Рисунок 1 показывает состояние цепи при выключенных полевых транзисторах (K1 и K2). Диоды заперты в обоих направлениях, поэтому ток в нагрузке (RL) отсутствует. Когда K2 замкнут, (Рисунок 2), SSR включено.

Фаза А положительна, D1 заперт и ток не течет. К2 можно включать медленно (за несколько сотен микросекунд).

Поскольку запертый диод (D1) не позволит течь току, скорость или точность момента включения К2 здесь некритичны.

Рисунок 3.

Когда фаза A становится отрицательной, ток появляется сразу, начиная с точки ПНН, и течет через К2 и D1.

Рисунок 4.

После того, как K1 закроется окончательно, ток течет преимущественно через K1 и K2 в обоих направлениях в фазе с напряжением питания.

Когда фаза A становится отрицательной (Рисунок 3), ток появляется сразу, начиная с точки ПНН, и течет через К2 и D1. В течение этого первого цикла работы K1 можно включать медленно. На Рисунке 4 показано состояние схемы после того, как K1 закроется окончательно.

Ток теперь течет преимущественно через K1 и K2 в обоих направлениях в фазе с напряжением питания. На Рисунке 5 показано состояние элементов схемы при выключенном SSR. Когда фаза А становится положительной, К2 может открываться медленно, а пропускать ток будет D2.

Это не прерывает ток до следующего этапа.

Рисунок 5.

Когда SSR выключено, и фаза А становится положительной, К2 может открываться медленно, а пропускать ток будет D2.

Рисунок 6.

Когда фаза A становится отрицательной, K2 открывается, а D2 теперь заперт. Соответственно, ток в нагрузке прекращается, и K1 может быть выключен медленно.

Когда фаза A вновь становится отрицательной (Рисунок 6), K2 открывается, а D2 теперь заперт. Соответственно, ток в нагрузке прекращается, и K1 может быть выключен медленно (например, за несколько сотен микросекунд).

Конечным результатом будет то, что ток в нагрузке появляется и прекращается без каких-либо заметных «ступенек» на участках пересечения с нулем. Еще одним ценным свойством TATTOO является «целочисленное управление», означающее, что в нагрузку подаются только полные периоды напряжения. Это исключительно полезно при работе с нагрузками, чувствительными к магнитному насыщению.

Сравнение резистивной и реактивной нагрузки

В резистивной цепи ток и напряжение находятся в фазе, и никакой проблемы с включением и выключением в точках нулевого напряжения нет, поскольку напряжение и ток равны нулю одновременно. Однако в реактивной цепи ток сдвинут относительно напряжения, поэтому коммутатор должен включаться в точке нулевого напряжения, а выключаться в точке нулевого тока.

Рисунок 7.

Реальная схема TATTOO.

На Рисунке 7 приведена практическая схема, а ее временная диаграмма показана на Рисунке 8. Плавающее питание (VCC на Рисунке 7) привязано к истокам двух MOSFET, так что любые командные сигналы будут иметь правильные уровни относительно затворов.

Диод D1 выпрямляет полуволну переменного тока, протекающего через R1, D2 и внутренний диод FET1. C1 поддерживает уровень VCC во время противоположной полуволны переменного тока.

Номиналы этих компонентов будет варьироваться в зависимости от напряжения переменного тока, частоты и допустимых пульсаций VCC.

Рисунок 8.

Временная диаграмма схемы TATTOO.

Оптрон IC1 вырабатывает импульсы («POS» и «NEG»), когда фаза A, соответственно, положительна или отрицательна по отношению к фазе В. Эти импульсы появляются на анодах D3 и D4 (на активной нагрузке транзисторов) и подаются на входы синхронизации двух триггеров IC3.

Один импульс появляется каждые пол периода переменного напряжения, поэтому триггеры тактируются поочередно, каждый своей полуволной. Пока оптрон IC2 не включен, R2 подтягивает линию данных верхнего триггера к VSS, и каждый тактовый импульс записывает «0» на выход Q1, сохраняя FET2 закрытым.

Поскольку Q1 соединен с входом данных нижнего триггера, FET1 также будет выключен.

Рисунок 9.

Осциллограммы показывают временные соотношения между командой включения ON, напряжением сети и током нагрузки.

Так будет продолжаться до тех пор, пока тумблер S1 выключен. При включении S1 оптрон IC2 открывается, и на входе D верхнего триггера устанавливается сигнал высокого уровня («ON»). Далее появляется импульс «POS», который защелкивает «ON» в триггере, устанавливая Q1 в «1» и открывая FET2.

Фаза A в это время положительна, поэтому FET1 закрыт, и ток через нагрузку не потечет. Однако, на выходе Q1 теперь высокий уровень, который подается на вход данных нижнего триггера. На следующей полуволне сетевого напряжения («NEG») «ON» будет защелкнут в нижний триггер, и установит Q2 в «1», открывая FET1.

МОП транзистор включится с задержкой, но зато сразу откроется параллельный диод, и то, что FET1 откроется окончательно лишь спустя некоторое время в этом же полупериоде, принципиального значения не имеет. Теперь схема находится в полностью включенном состоянии, а выключение будет происходить в обратном порядке, когда будет выключен основной тумблер.

Осциллограммы на Рисунке 9 показывают временные соотношения между командой «ON», напряжением силовой цепи и моментами включения и отключения тока нагрузки. Заметьте, что ток нагрузки включается и выключается в точке ПНН точно по завершении очередного полного периода напряжения переменного тока, прошедшего после команды ON.

Также обратите внимание на то, что скачок на линии «ON» не оказывает никакого влияния на ток нагрузки. Эта схема предназначена для работы в однофазной сети, но может быть повторена трижды для трехфазного SSR.

Схема TATTOO с реактивной нагрузкой

Схема на Рисунке 10 похожа на схему TATTOO для резистивной нагрузки. В исходную схему добавлены только IC2 (четыре логических элемента «2И-НЕ»), IC3 (счетверенный ОУ), шунты R7 и R8, делитель напряжения R2, R3 и схема сброса по включению питания R5, C2. Логические сигналы INEG и IPOS (и их инверсные значения) вырабатываются сразу, как только начинает течь ток.

Рисунок 10.	Для управления реактивной нагрузкой необходимо добавить четыре логических элемента «2И-НЕ» (IC2), счетверенный операционный усилитель (IC3), делители напряжения R7-R8, R2-R3, R5-C2 и цепь сброса по включению питания.

В начале импульса «ON» схема работает так же, как TATTOO для резистивной нагрузки. Это объясняется тем, что IPOS и INEG равны нулю, разрешая прохождение сигналов VPOS и VNEG через логические элементы «2И-НЕ» на входы синхронизации триггеров, как это было в резистивной схеме TATTOO.

Как только через шунты начинает течь ток, операционные усилители вырабатывают логические сигналы INEG и IPOS и их инверсии. Эти сигналы запрещают прохождение VPOS и VNEG, и лишь пропускают сигналы стробирования тока на входы триггеров.

Поэтому теперь схема отключит ток в точке его перехода через ноль, а точку ПНН проигнорирует.

Поскольку сигналы токовых шунтов зависят от величины нагрузки, предполагается, что для каждого диапазона тока шунты будут подбираться индивидуально.

Безусловно, вместо шунтов при желании можно использовать и другие токоизмерительные устройства, например, датчики Холла.

Если ток слишком мал для того, чтобы на шунтах выделилось достаточное напряжение, схема по умолчанию будет работать в обычном режиме (режиме напряжения).

Как отмечалось выше, окно напряжений переключения в точке ПНН у некоторых современных коммерческих SSR чрезмерно широко, чтобы быть приемлемым для более высоких токов нагрузки или более высоких частот.

Рисунок 11 иллюстрирует работу обычного коммерческого SSR с ПНН в сравнении с TATTOO. На первой растянутой осциллограмме представлен ток (60 Гц, 115 В), приложенный к нагрузке с использованием схемы TATTOO.

Вторая осциллограмма демонстрирует подключение той же нагрузки, но с использованием коммерческого SSR с ПНН.

Рисунок 11.

Такой точности, как от TATTOO, невозможно добиться от других схем ПНН.

На временной диаграмме коммерческого SSR с ПНН виден положительный скачок тока нагрузки, предшествующий приходу первой отрицательной полуволны напряжения. Хотя это отклонение от нулевой точки пересечения и невелико (чуть больше 2.5 В), сигнал в схеме TATTOO, показанный на соседнем графике, в момент включения оказывается гораздо ближе к нулю.

Согласно опубликованным техническим характеристикам, максимальная ширина окна ПНН для коммерческих SSR составляет 15 В. При включении схемы TATTOO отсутствует положительный выброс тока, а его изменение происходит плавно.

Это может быть важно с точки зрения электромагнитных помех, особенно при высокой частоте коммутируемого переменного тока и высоких токах нагрузки.

На Рисунке 12 показаны формы тока нагрузки для случая, когда частота повышена до 2000 Гц. Два графика позволяют сравнить качество работы TATTOO-SSR с коммерческой SSR с ПНН.

Рисунок 12.

Форма тока нагрузки с частотой 2000 Гц при использовании схемы TATTOO имеет более гладкий характер.

Схема TATTOO может быть легко модифицирована для работы в широком диапазоне частот и напряжений. Многофазная схема TATTOO также является простой модификацией, объединяющей несколько схем (по одной для каждой фазы).

В случае коммутации нескольких нагрузок, подключенных к одной фазе, повторять компоненты общие для цепи этой фазы нет необходимости.

Таким образом, цепи сигналов «POS», «NEG» и схемы плавающего питания будут общими, что позволит сэкономить компоненты.

Ссылки

1. SCR Manual, Sixth Edition, General Electric.
2. Patent 7,196,435 B2 Handles Just Purely Resistive Loads by Turning the Load On at Zero-Voltage Crossing and Turns It off Also at Zero-Voltage Crossing.
3. Patent 7,196,436 B2 Handles Reactive Loads in General by Turning the Load On at Zero-Voltage Crossing but Turns the Load Off at Zero-Current Crossing.

Источник: https://www.rlocman.ru/review/article.html?di=151231