Симистор как вкл/выкл #
Симистор - радиоэлемент, похожий на транзистор, но может работать на переменном токе. Высокое напряжение - штука опасная, поэтому для управления симистором используется оптопара с симисторным выходом. Простейшая схема подключения выглядит вот так:
Для управления нагрузкой только в режиме вкл/выкл желательно ставить оптопару с детектором нуля (например MOC306x), она будет сама отключать и включать нагрузку только в моменты перехода напряжения в сети через 0, что сильно уменьшает помехи в сети. Также здесь стоят резисторы: 220 Ом - для ограничения тока на светодиод оптопары (см. характеристики оптопары). Резистор между оптопарой и симистором: 220-470 Ом с мощностью 1-2 Вт (будет греться). Симистор нужно брать с хорошим запасом по току, чтобы меньше грелся. Также симисторы бывают серии BTA и BTB, у BTA корпус (металлическая часть) изолирован и рекомендуется брать именно их, чтобы не било током от радиатора.
Распиновка компонентов:
У китайцев есть готовые модули с симистором и всей обвязкой:
Cимистор греется под нагрузкой! Наличие радиатора обязательно, начиная с 200 Ватт
Симистор как диммер #
Для плавного управления нагрузкой переменного тока задача сильно усложняется: нужно ловить момент переключения напряжения, засекать время и выключать симистор, отсекая часть синусоиды, это называется фазовым управлением:
Для этой схемы нужна оптопара без детектора нуля, например серии MOC302x. Схема такой поделки может выглядеть вот так:
Резисторы 51к обязательно мощные, так как на них будет выделяться 1 Ватт: гасим лишнее напряжение, чтобы не сжечь светодиод оптопары детектора нуля.
Также готовый модуль можно купить на Aliexpress. Выглядит он вот так и имеет пины питания, пин контроля симистора и вывод детектора нуля. Как со всем этим работать - смотрите видео ниже:
Для использования такого диммера я написал библиотеку GyverDimmer, см. описание и примеры на странице библиотеки.
Твердотельное реле (SSR AC) #
Твердотельное реле для переменного тока - SSR AC (купить на Aliexpress) выглядит и подключается точно так же, как твердотельное для постоянного. Единственное отличие в том, что нет полярности:
По сравнению с электромагнитным реле работает бесшумно, а также имеет неограниченный ресурс переключений. Но есть и минус: твердотельные реле основаны на полупроводниковых симисторах и греются под нагрузкой, а нижняя часть корпуса представляет собой толстую алюминиевую пластину. При большой нагрузке (больше 1 кВт) желательно брать SSR с хорошим запасом по току и крепить на радиатор.
Также существуют твердотелки чуть другого формата в виде Ардуино-модулей:
Такие модули бывают низкого и высокого уровня (High/Low level trigger), подключаются точно так же как модули реле: к питанию GND-VCC и отдельно пин на управление. Сами SSRки здесь стоят маленькие и слабые: всего 2А (в районе 500 Ватт). Но для управления например освещением этого более чем достаточно.
Комбинированный способ #
Электромагнитное реле и симистор (твердотельное реле) имеют недостатки при работе с большими токами, которые взаимно устраняются:
- Электромагнитное реле плохо работает в момент замыкания и размыкания нагрузки, потому что физически изнашиваются контакты и вообще могут "залипнуть". В то же время оно не греется в процессе протекания большого тока
- Симистор без проблем, искр и износа замыкает мощную цепь, но сильно греется во время протекания тока
Существует отличная идея комбинирования этих двух устройств для коммутации мощных цепей: симистор (или SSR) ставится параллельно электромагнитному реле. Сначала цепь замыкается симистором, затем через несколько миллисекунд замыкается реле. Всё, симистор можно отключать, ток будет идти через реле. Для отключения нагрузки снова активируем симистор, отключаем реле и через несколько миллисекунд выключаем симистор. Такая схема используется например в хороших компьютерных блоках питания.
Плавное управление (SSR LA) #
Есть ещё один вариант плавного управления нагрузкой переменного тока: твердотельное реле со встроенным фазовым управлением и токовым входом, называется оно SSR LA. Нужно брать реле, у которого входное сопротивление в районе 250 Ом, чтобы можно было подавать на него 0-5 Вольт и получить заветные 0-20 мА. Я брал вот такие, работают отлично.
Чтобы подать с Arduino 0-5 Вольт нам понадобится ШИМ и RC цепь (ссылка на проект симуляции в EasyEDA), на схеме это будет выглядеть вот так:
// Простой пример, в котором также подключен потенциометр на A0
void setup() {
pinMode(3, OUTPUT);
// https://alexgyver.ru/lessons/pwm-overclock/
// Пины D3 и D11 - 8 кГц
TCCR2B = 0b00000010; // x8
TCCR2A = 0b00000011; // fast pwm
}
void loop() {
analogWrite(3, analogRead(0) / 4);
delay(10);
}Защита от помех #
Момент выключения #
Напряжение в сети является синусоидой, которая 100 раз в секунду пересекает значение 0. Если выключить нагрузку в тот момент, когда напряжение в сети равно нулю - это сильно уменьшит выброс. Для этих целей проще всего использовать твердотельные реле (SSR) с детектором нуля (Zero-Crossing Detector): такие реле сами отключают и включают нагрузку в нужный момент. Детектор нуля есть почти во всех моделях SSR, но лучше уточнить в документации. Для самодельных симисторных ключей, работающих в режиме вкл/выкл (без диммирования) рекомендуется ставить управляющую оптопару с детектором нуля: она тоже будет включать и выключать нагрузку в лучший для этого момент, то есть в ближайшем нуле.
Искрогасящие цепи #
Выбросы ЭДС после отключения нагрузки присутствуют также и в цепях переменного тока, особенно если нагрузка может быть выключена в случайный момент времени. Выброс напряжения может проявляться искрой между контактами в момент отключения нагрузки, что плохо для контактов и опасно в целом. Для гашения этих выбросов используются снабберные цепи из резистора и конденсатора. Теорию по расчёту искрогасящих цепей для переменного тока можно посмотреть в этой статье, а для большинства применений подойдёт резистор 39 Ом 0.5 Вт и конденсатор 0.1 мкФ 400V, установленные вот по такой схеме:
Также обратите внимание на то, что в некоторых твердотельных реле уже стоит снабберная цепь, об этом можно узнать из даташита на конкретную модель. На самодельный симисторный диммер такую цепь тоже желательно ставить, чтобы уменьшить помехи в сети.