Пользователь
0,0
рейтинг
16 мая 2014 в 21:32

Умный дом — дешево и сердито, часть 2

В жизни каждого умного дома возникает закономерный вопрос – как маленький нежный микроконтроллер своими пятью вольтами сможет коммутировать 220 вольт переменного тока?

Самый простой вариант – реле. Тут вам и гальваническая развязка, и замыкаешь что хочешь, хоть постоянный, хоть переменный, мало, много. Но и минусы у реле очень неприятные.

Первый – щелкает. Раздражает. Да, человек – штука такая, ко всему приспособится, и можно привыкнуть, но зачем привыкать к плохому?

Второй – коммутируя большой ток, в момент включения, да еще и при длинных проводах от реле до коммутируемого устройства проходит очень немаленькая помеха. Согласитесь, когда ночью включаешь свет в туалете и параллельно включается компьютер и свет в спальне – неприятно.

Поэтому хочу поделиться с вами лучшим, на мой взгляд, способом коммутировать 220 вольт переменного тока – полупроводниковый ключ переменного тока.

На хабре уже была отличная теоретическая статья на эту тему, подробно описывающая и симистор и оптопару.

Попробую рассказать как это получилось у меня.
Итак, симистор сам по себе уже ключ переменного тока. Но для управления с ножки микроконтроллера обязательна гальваническая развязка. Управляя симистором напрямую — может умереть контроллер. Действительно может. У меня умирали. Убил уже десятки AVRовских МК разными способами, но эта тема достойна отдельного поста. Чтобы сделать гальваническую развязку, используем оптопару MOC3063.

Используя ее, убьем двух зайцев, ибо она с детектором перехода коммутируемого напряжения через ноль, то есть симистор будет открываться только в момент перехода, и напряжение будет возрастать плавно, что позволит не только избавиться от помех, но и продлить жизнь, например, лампам (которые умирают в большинстве случаев как раз в момент включения).

Принципиальная схема:

Разведенная плата:

Цена вопроса:
  • Симистор — 30 рублей
  • Оптрон — 30 рублей
  • Все остальное — 30 рублей

В итоге стоимость ключа около 100 рублей, что равно стоимости аналогичной релюшки.

Плюсы:
  • Бесшумное
  • Гальваническая развязка
  • Не создает таких больших помех, как обычное реле
  • Полезнее для коммутируемых устройств

Минусы:
  • Только переменный ток

Ссылки:
разводка
принципиальная схема

P.S. Ну и напоследок отличная схема резервного источника питания
Сергей Лобарев @Mexanik
карма
20,0
рейтинг 0,0
Реклама помогает поддерживать и развивать наши сервисы

Подробнее
Реклама

Самое читаемое

Комментарии (55)

  • +2
    Спасибо большое. А почему помехи от реле? Я считал, что наоборот с ними синусоида правильная. Разве что традиционный бросок включения как для всех выключателей. Извините, если глупые вопросы задаю — я врач и это пока достаточно непростая для меня область.
    • +8
      Правильная.
      Но релюшка замыкается тогда, когда ее замкнешь, и если замкнешь ее в тот момент, когда значение напряжения близко к амплитуде — плохо, вот отсюда и бросок.
      image
      А тут умный оптрон откроет симистор в момент ноля, получается в момент открытия напряжения нет вообще, а дальше оно плавно возрастает до амплитуды, поэтому традиционного броска не будет.
      • 0
        Надо учить матчасть) я пока пытаюсь мигать светодиодами, хотя идей много. Кстати, вы бы фотографию платы с элементами не могли бы выложить?
        • +3
          фото
          • 0
            Благодарю.
      • 0
        Лично я замечал больше помех именно в момент выключения реле. У меня иногда включается свет когда выключается холодильник =) При включении холодильника (да и любых приборов) такого нет.
        • 0
          С выключением та же штука. Броска не будет, ибо симистор закроется опять же только в момент ноля, независимо от того, в какой момент пропало управляющее напряжение.
      • +1
        На самом деле, симисторы не открываются в ноле, остается участок вольт в 10-20 когда он начинает открываться, и это может сильно зависеть от нагрузки — ведь симистору нужен минимальный ток удержания чтобы остаться открытым. Некоторые виды нагрузки не обеспечивают это условие — например коллекторные двигатели.

        И кстати, такие штуки уже продаются готовые(называются SSR)
        image
        • 0
          У меня сейчас два проекта на таких реле — печь оплавления и мини-теплица для проращивания семян кактусов. С печкой все отлично, а вот с теплицей проблемы. Когда я подключил светодиодные лампы, то они стали вспыхивать раз в несколько секунд при закрытом состоянии реле!

          Нашел в интернете, что:
          • На eBay могут продаваться поддельные и некачественные твердотельные реле
          • У некоторых людей наблюдалась небольшая утечка в несколько миллиампер при закрытом состоянии. Например, один человек подключил нагревательный коврик с индикатором: коврик не греет, но индикатор горит (в выключенном состоянии реле!). Другой человек наблюдал на нагрузке 8 В и 1 мА
          • Вообще это реле хорошо работает только на резистивную нагрузку. Для индуктивной надо добавлять снаббер. Для емкостной видел предупреждение у одного продавца, что реле Fotek не годится
          • +1
            Всё это потому что это обыкновенный оптосимистор. Утечка тока, может быть даже там уже установлен снаббер и т.д. Понятное дело что симистор на емкость работать не сможет — это практически КЗ для него.
            • 0
              А почему?
              • 0
                Потому что у него есть ограничение по скорости нарастания тока. Если его превысить, то слишком большой ток пойдет когда симистор еще не до конца открылся. И он выгорит.
  • 0
    Объясните, пожалуйста, что Вы имели ввиду под фразой «Только переменный ток». Может речь о напряжении? И будет ли такая схема работать при «условно» постоянном напряжении с обрубанием минусовой амплитуды примитивным диодом и управлении тиристором? Заход на «0» тоже ведь будет…
    • 0
      Должно сработать. С постоянным током тиристор раз открылся и больше бы не закрылся. А с таким «условно» постоянным напряжением он прекрасно закроется, когда ток упадет ниже тока удержания при приближении напряжения к нулю.
      • –1
        Я конечно не специалист, но мне всегда казалось, что тиристор будет открытым пока есть управляющее напряжение. Переход к нулю здесь вроде ни при чем…
        • 0
          Пока есть управляющее напряжение он конечно будет открытым. Но даже когда управляющее пропадет, он останется открытым пока ток анод-катод превышает ток удержания.

          Поэтому то симистором очень удобно рулить переменным напряжением — как только пропадет управляющее — симистор тут же закроется, благо там ноль случается 50 раз в секунду.
          • 0
            100 раз в секунду, по идее
          • 0
            а не 100 раз? (т.е. имеет ли значение направление перехода через ноль?)
            • 0
              Да, ошибся, 100 раз. Для симистора направление значения не имеет, нет тока — закрывается.
              • –1
                Небольшое уточнение: 100 раз — это в Европе и СНГ. А вот в других странах неплохо бы и уточнять.
    • +1
      На постоянном токе есть ЗАПИАЕМЫЕ тиристоры, да и при желании обычный тиристор тоже можно запереть — это чисто инженерное решение.
      Когда-то сталкивался со схемой токарного станка, там очень много тиристорных узлов на постоянном токе и они там запираются очень просто — на тиристор замыкается электролитический конденсатор, который в момент подключения берет ток нагрузки на себя а тиристору ничего не перепадает и он закрывается. Напряжение 48 вольт всего, поэтому электролиты вполне годное решение. На более высоком напряжении имеет смысл применять узлы на полевиках или IGBT.
  • –1
    «Минусы: Только переменный ток», НЕ ТОЛЬКО!
    • 0
      Строго говоря, да, не только. Такой, чтобы симистор смог закрыться.
    • 0
      Если оптопара с детектором перехода через ноль, то при постоянном напряжении ноль не происходит. В этом случае надо просто ставить оптопару без детектора.
  • 0
    Спасибо за информацию. Подскажите, пожалуйста, а какова предельная нагрузка может комутироваться таким решением? Скажем, ТЭН на 2 кВт, может управляться? Или смотпеть в сторону SSR?
    • 0
      Современные симисторы вроде BT-139 с корпусом TO-220 могут протащить через себя долговременный ток 16А и пиковый что-то около 150А. Правда, его следует тогда снабдить радиатором.

      На 220В мощность, которую выдержит симистор — порядка 3 кВт. Так что ТЭНом управлять можно. В крайнем случае можно поискать симостор чуть помощнее.
    • 0
      Можно. Только греться он будет довольно сильно, порядка ватта на каждый ампер проходящего тока. В подрозетник схему уже не засунешь. SSR — это тот же симистор и оптрон в одном корпусе. Иногда с небольшой дополнительной логикой.
    • 0
      SSR и есть тот самый тиристор с оптроном, схема аналогичная посту только на небольшом алюминиевом теплоотводе размещена.
      А если такое же только на полевиках, то ценник сразу вырастает в 10-100 раз.
      Сразу опережая возможный вопрос могу сказать что большинство высоковольтных полевиков на больших токах проигрывают по характеристикам мощным симисторам, а те что выигрывают — стоят в 10 раз больше.
  • 0
    Я так понимаю, что схема коммутирует только один проводник? Вообще, по-хорошему, надо бы оба разрывать, как нормальные реле и делают…
    • +2
      Зачем? Фазу разрываем, а ноль не трогаем. Вы ни одного выключателя (бытового, который на стенку дома ставится) с возможностью разрыва двух проводников не найдете.
      • 0
        Это если он стационарно установлен…
    • 0
      Даже в промышленных системах автоматики ноль никто никогда не разрывает. Только фазу/все три. И экономия, и большая безопасность: если выключатель вдруг стал не вполне исправен, и разрывает только фазу, но не ноль — электроприёмник выключен, но остаётся под напряжением.
  • 0
    Я бы добавил в минусы: Сгорает при КЗ в нагрузке.
    • 0
      Ога. Поэтому, в некоторых поделках, имеет смысл ставить в кроватку.
      • 0
        А предохранитель?
        • 0
          А про предохранители я в своей статье когда-то писал. Они стоят дороже новых симисторов, поэтому выгоднее дать выгореть симистору. А если он выгорит до замкнутого состояния, то пусть отрабатывает обычный нескоростной предохранитель.
  • 0
    Я так понял есть два варианта исполнения:
    1) Ключ через оптопару;
    2) Ключ через трансформатор

    Какие плюсы / минусы, а также каково их КПД?
    • 0
      Через трансформатор не вариант. Трансформатор развязывает только переменный ток, и постоянный сигнал через него не пройдёт. Оптопара же будет всегда открыта, пока есть управляющий сигнал.
      • 0
        Перед трансформатором можно поставить dc->ac.
        Мне здесь интересен именно КПД разных вариантов гальванической развязки.
        • 0
          Ну вперед, МК -> транзистор (чтобы выдать большой ток) -> dc-ac -> трансформатор -> диодный мост -> конденсатор.

          И при чем тут КПД? В оптопару пришло пара вольт 15мА, а с другой стороны компоненты подбираются так, чтобы выдать не более 1А при напряжении 320В (это ограничение MOC).
    • 0
      Вы что-то неправильно поняли.
      Во-первых, КПД чего вы хотите измерить? Что вы считаете полезным действием?

      Чтобы открыть симистор (ключ) надо подать напряжение на затвор. Это напряжение отсчитывается от силового электрода 1. Можно и напрямую с ноги микроконтроллера подать напряжение (даже есть специальные logic level тиристоры). Но тогда земля МК будет напрямую соединена с нулем сети 220 (а если не повезет, то с фазой). Поэтому подключить такой МК проводом к чему-либо, например к компьютеру по USB, не получится. Только беспроводная связь.

      Проблему можно решить добавив гальваническую развязку между микроконтроллером и тиристором. В данном случае с помощью отптопары. Причем ток для отпирания тиристора берется из сети 220. А чем больше будет ток, тем быстрее откроется тиристор. При этом сигнал от микроконтроллера может быть слабеньким — 10-15 мА.
      А трансформатор для этой задачи плохо годится. Да и помехи из сети через него могут легко попадать в низковольтную часть.
      • +1
        Там все куда сложнее с трансформаторами. Не зря их применяют в промышленности в силовой аппаратуре и только не так давно и не очень широко применяют оптотиристоры. Есть такая фиговина как ограничение скорости роста напряжения на тиристоре/симисторе — если его превысить то из-за емкости оно проникает на управляющий электрод и тиристор самопроизвольно отпирается.
        Данная схема не препятствует такому эффекту, поэтому помехи в сети могут стать причиной самопроизвольного отпирания симистора!
        В случае с трансформаторной развязкой, трансформатор шунтирует управляющий электрод и нужна уже более серьезная помеха чтобы отпереть его за счет этого эффекта.
        • 0
          Там все куда сложнее с трансформаторами. Не зря их применяют в промышленности в силовой аппаратуре и только не так давно и не очень широко применяют оптотиристоры.

          Согласен. Я не знаком с областью промышленной силовой аппаратуры и про трансформаторы не знал. То есть я понимал, что схему с ним построить можно, но это будет сложнее, чем с оптотиристором: последним можно управлять напрямую ногой микроконтроллера, а на трансформатор надо подать довольно мощный импульс. Значит на низковольтной стороне будет транзистор и шунт. Ну и занимать места такая схема будет намного больше. Поэтому в сегменте «помигать лампочками» в основном используют оптотиристоры.
          Есть такая фиговина как ограничение скорости роста напряжения на тиристоре/симисторе — если его превысить то из-за емкости оно проникает на управляющий электрод и тиристор самопроизвольно отпирается.
          Данная схема не препятствует такому эффекту, поэтому помехи в сети могут стать причиной самопроизвольного отпирания симистора!
          В случае с трансформаторной развязкой, трансформатор шунтирует управляющий электрод и нужна уже более серьезная помеха чтобы отпереть его за счет этого эффекта.

          С этим можно бороться добавляя RC цепочку параллельно с тиристором (snubber). В datasheet'е к MOC она указана. Также они предлагают еще ставить параллельно варистор, чтобы он сглаживал выбросы от расчетного напряжения. Ну и еще можно выбирать 3Q тиристоры, которые менее чувствительны к помехам. То есть использование оптотиристора не запрещает добавить шунтов снаружи.
          • 0
            да… цепочка возможна, но она создает ненужную проводимость! лампочка накаливания в принципе не заметит, но напряжение на выходе будет, особенно это приятно когда меняешь лампочку и любая помеха от выкручивания — тиристор может открыться, и если случайно замкнуть выход при отключенном казалось бы тиристоре получаем вспышку и КЗ.

            Использование трансформаторов не сложнее чем оптрона. Трансформатор имеет КПД 95%, тиристор(к примеру ВТ139) открывается импульсами током в 5...10мА этого будет достаточно чтобы раскачать выходом контроллера. Но если не хватает — ставим полевик(SOT23 и парочка резисторов 0805 и один конденсатор тоже размера 0805 чтобы импульсные токи замкнуть в минимальный контур) и качаем ампер без проблем(если конечно трансформатор позволит)… просто импульсные трансформаторы среди радиолюбителей не так уж распространены.
    • 0
      Трансформатор используют там где использовать сеть нагрузки для отпирания симистора не представляется возможным. Например мощные тиристорные инверторы на мегаваты. И надежность. Огромная надежность трансформатора ни в какое сравнение с надежностью оптрона… что будет с вашей схемой если тиристор по какой-то причине не откроется(потеря контакта, деградация полупроводника)? Да оптрон просто разнесет в клочья!
      • 0
        А почему оптрон должно разнести? Он подключен через токоограничительный резистор, поэтому ток через него не превысит допустимые пределы. А если использовать MOC без детектора нуля, то там в схеме R1 вообще нет. Он одной ногой подключен к затвору, а второй к сети. Если тиристор не откроется, то ток вообще течь не будет.
  • 0
    Бывает ещё оптореле
    • 0
      Оптореле — оптопара+симистор
  • 0
    Можете объяснить откуда вы взяли значение сопротивлений R2, R3? Сколько ни встречал схем диммеров на симисторе, везде стоят разные номиналы, и никак не коррелирующие с тем, что указано в даташите на используемую MOC. Вот и у вас 500к и 200 Ом, а в даташите 360 Ом оба резистора. Как их правильно вычислять?
    • 0
      Принцип расчета R2 есть в даташите на MOC. По крайней мере в даташите на MOC3051. Он ограничивает ток, которым будет открываться симистор. Чем больше ток — тем быстрее он откроется и тем меньше будут потери в переходном состоянии. Ток будет течь очень небольшой период времени, пока симистор не откроется.
      Но MOC рассчитан максимум на ток 1А. Берем пиковое напряжение сети — 400 вольт (с запасом, учитывая допустимое отклонение на 10%, а лучше и больше) и ставим такое сопротивление, чтобы ток был не более 1A.

      А R1 нужен потому, что используется вариант MOC с детекцией ноля, чтобы затвор не плавал в воздухе и MOC видел текущее напряжение. Про принцип выбора номинала сейчас не скажу. :-)
  • 0
    Подскажите, пожалуйста,

    * есть ли какие-то требования к резисторам? Или рядовые на четверть ватта сгодятся?
    * на что заменить симистор BT138X-600, использованный вами, если мне нужно коммутировать не 12А, а 16А? (хотелось бы, чтобы корпус был изолированным). У вас используется с маркировкой TO-220F, кажется, что это редкий зверь. Такой вот может быть заменой — BTA16-600BRG, Симистор 16А 600В, 50мА Standard [TO-220AB]?
    • 0
      Сопротивления на четверть ватта не подходят по напряжению. Насколько помню, для них допустимый максимум 250 вольт.
      на что заменить симистор BT138X-600, использованный вами, если мне нужно коммутировать не 12А, а 16А?

      BTA16. Цифра в конце — максимальный ток. Есть варианты и на большие токи. Буква A — изолированный. Но учтите, что это будет 16 ваттная грелка и без мощного радиатора он сгорит.
      • +1
        Надо смотреть уже тиристоры «под винт». Если вам реально надо коммутировать 16А то необходим симистор минимум на 30А, работа в предельных режимах сильно изнашивает полупроводники, темболее что 16А симистор сможет выдержать 16А безопасно только при температуре корпуса в 20 градусов цельсия, но ведь при этом он будет греться как утюг а с ростом температуры кристалла падает максимальный ток практически до нуля в точке Tj=125 градусов.
        Под винт видел тиристоры на 120А а в виде шайбы — на 300А и 500А. В сварочных аппаратах работают замечательно.
  • 0
    Простейшим вариантом использования, полагаю, является управление освещением. Делали ли вы какой-либо резервный вариант управления, на случай если электроника откажет? Если да, то как реализовывали? Желательно со схемой, пожалуйста.
    • 0
      Как вариант — сторожевой таймер, на дубовой логике, который если что — либо перезаружает контроллер, либо переводит всю автоматику в отключенное состояние, к примеру — освещение переключает на обычные выключатели, а в каком они состоянии — это уже как попадется. Вообще, по-хорошему, каждый агрегат надо дополнительно защищать термопредохранителем, или дубовыми датчиками давления, уровня воды и т.п.

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.