Управление устройствами переменного тока
Управление устройствами переменного тока
Коммутация устройств переменного тока требует четкого понимания возникающих при этом опасностей и принятия специальных мер, направленных на обеспечение безопасности при работе с высоким напряжением. В этой главе мы рассмотрим способы безопасного управления устройствами переменного тока с использованием электромеханических и твердотельные реле, а также таких технических приемов, как коммутация при пересечении синусоидой переменного тока нулевого значения (zero-crossing switching).
ВЫСОКОЕ НАПРЯЖЕНИЕ ОПАСНО ДЛЯ ЖИЗНИ!
Каждый год от бытовых электроприборов только в Соединенных Штатах гибнут сотни людей. Неисправности электропроводки приводят к многочисленным возгораниям и пожарам в жилых домах, при которых люди часто страдают от ожогов. В бытовой электросети используется высокое напряжение переменного тока, и она рассчитана на выдачу больших мощностей
При проработке практических разделов этой главы никогда ничего не делайте под напряжением. Лично я, когда работаю над схемой, предпочитаю видеть выдернутую из стенной розетки вилку перед собой, чтобы быть уверенным, что она в любом случае ни в какую розетку не включена.
При работе над проектом следует пользоваться розеткой переменного тока, подключенной к автомату защиты от коротких замыканий, и никогда не оставлять оголенные провода или печатные платы любого проекта, управляющие цепями питания переменным током, вне изолированного корпуса и не закрепленными в нем.
И не пытайтесь использовать в конструкциях переменного тока макетные платы - они не рассчитаны на такое напряжение и силу тока.
Короче говоря, если вы не прошли обучение по работе с бытовой электросетью переменного тока, используйте готовые к использованию модули типа PowerSwitch Tail.
ВЫСОКОЕ НАПРЯЖЕНИЕ ОПАСНО ДЛЯ ЖИЗНИ!
Каждый год от бытовых электроприборов только в Соединенных Штатах гибнут сотни людей. Неисправности электропроводки приводят к многочисленным возгораниям и пожарам в жилых домах, при которых люди часто страдают от ожогов. В бытовой электросети используется высокое напряжение переменного тока, и она рассчитана на выдачу больших мощностей
При проработке практических разделов этой главы никогда ничего не делайте под напряжением. Лично я, когда работаю над схемой, предпочитаю видеть выдернутую из стенной розетки вилку перед собой, чтобы быть уверенным, что она в любом случае ни в какую розетку не включена.
При работе над проектом следует пользоваться розеткой переменного тока, подключенной к автомату защиты от коротких замыканий, и никогда не оставлять оголенные провода или печатные платы любого проекта, управляющие цепями питания переменным током, вне изолированного корпуса и не закрепленными в нем.
И не пытайтесь использовать в конструкциях переменного тока макетные платы - они не рассчитаны на такое напряжение и силу тока.
Короче говоря, если вы не прошли обучение по работе с бытовой электросетью переменного тока, используйте готовые к использованию модули типа PowerSwitch Tail.
Теоретические основы коммутации цепей переменного тока
В этом разделе мы рассмотрим некоторые теоретические основы коммутации цепей переменного тока и различные конструкции электрических схем и компонентов, используемых в этой области электроники. Практической работе по коммутации цепей переменного тока в этой главе также будет посвящен отдельный раздел.
Что такое переменный ток?
В отличие от постоянного тока (DC), который всегда течет в одном направлении, переменный ток (АС) не сохраняет такое постоянство. Направление его течения в некоторых странах (включая Соединенные Штаты) меняется на противоположное 120 раз в секунду и 100 раз в секунду во всем остальном мире. Такое изменение направления тока сопровождается соответствующим изменением напряжения на нагрузке (рисунок ниже). Каждый полный цикл состоит из двух перемен направления тока, поэтому частота переменного тока равна либо 60, либо 50 Гц (циклов в секунду). Герц - это единица измерения частоты, и 1 Гц равен одному циклу в секунду.
В Соединенных Штатах и еще в некоторых странах напряжение в сети переменного тока составляет 120 В, а в большей части остального мира в розетках переменного тока присутствует куда более опасное для жизни напряжение в 220-230 В.
Рис. 13.1. Напряжение переменного тока
На рис. 13.1 видно, что пик положительной и отрицательной фаз напряжения на самом деле существенно выше 120 В. Дело в том, что значение 120 В переменного тока фактически является некой усредненной величиной, представляющей собой эквивалент напряжению постоянного тока, способному поставлять нагрузке такой же объем мощности. Следовательно, постоянный ток напряжением 120 В заставит старомодную лампу накаливания светиться с той же яркостью, что и при ее питании от сети 120 В переменного тока.
Peлe
Вы уже работали с реле при изучении разд. «Управление двигателем постоянного тока при помощи реле» там реле использовалось для включения двигателя постоянного тока. Обмотка реле изолирована от той части, где находятся коммутирующие контакты, что играет весьма важную роль для безопасности коммутирования цепей переменного тока. Коммутационные возможности большинства релейных устройств указаны на их корпусах. Так, обычное реле типа "кубик сахара" может иметь маркировку с указанием возможности коммутирования переменного тока силой 10 А при напряжении 250 В и постоянного тока силой 10 А при напряжении 24 В.
На рисунке ниже показано, как реле может использоваться для коммутации нагрузки переменного тока. Следует помнить, что для управления с цифрового выхода Arduino или Raspberry Pi обмотке реле требуется ток, существенно превышающий тот, который обеспечивается на этом выходе, поэтому в цепь управления реле включается небольшой транзистор Q1.
Линии управляющего сигнала, 5 В и заземления подключаются к платам Arduino или Raspberry Рі. Когда в линии управления выставляется высокий уровень напряжения, транзистор Q1 открывается, запитывая обмотку реле, которая замыкает его контакты, соединяющие провод фазы переменного тока с одним из концов нагрузки (коммутируемого устройства). Другой же конец нагрузки подключен к нулевому проводу переменного тока.
Оптрон
На смену стремительно устаревающим реле во многих конструкциях коммутационных устройств переменного тока приходят твердотельные реле (solid-state relays, ЅЅК), рассматриваемые далее в разд. «Твердотельные реле (SSR)». Одним из основных компонентов твердотельных реле является оптрон - построенный на основе транзисторной технологии компонент, главная цель которого - отделение низковольтной цепи управления, используемой в проекте, от опасной высоковольтной цепи переменного тока нагрузки.
Оптрон объединяет в едином пластмассовом корпусе светодиод и светочувствительный элемент (обычно это фототранзистор).
Ключевым моментом в конструкции оптрона является отсутствие электрического соединения между светодиодом и фототранзистором связь между ними исключительно оптическая: проводящая цепь фототранзистора открывается, когда светодиод начинает излучать свет. Фототранзистор представляет собой устройство маломощное, и прежде чем управлять каким-либо агрегатом переменного тока, ему нужна дополнительная электронная обвязка.
Оптроны весьма чувствительные устройства, и их светодиодной цепью можно управлять непосредственно с вывода Arduino и даже с универсального контакта ввода/вывода (GPIO) Raspberry Рі - при использовании развязывающего резистора в 1 кОм, ограничивающего ток до нескольких миллиампер.
Оптроны и симисторы с переключением при переходе нулевого значения
Оптроны, разработанные для коммутации цепей переменного тока, обладают рядом особенностей. Во-первых, на светочувствительной стороне у них стоит не обычный биполярный фототранзистор, а устройство, называемое фотосимистором (photo- TRIAC от англ. TRIode for AC, триод для работы в цепях переменного тока). Внутреннее устройство фотосимистора (к примеру, типа МОС3031) показано на рисунке ниже, а паспорт этого изделия в PDF-формате можно загрузить по адресу http://www.farnell.com/datasheets/1639837.pdf.
Симистор представляет собой специализированный тип транзистора, разработанный для коммутации тока, идущего в обоих направлениях, что, собственно, и нужно для управления цепями переменного тока.
Еще одна из особенностей симистора заключается в том, что, открыв цепь, он так и остается в открытом состоянии. И будет находиться в нем, пока проходящий через него ток не окажется сведенным практически к нулю. Это делает его совершенно бесполезным для управления устройствами постоянного тока, однако учитывая, что переменный ток меняет свою полярность 120 раз в секунду, у симистора появляется возможность те же 120 раз в секунду выключаться.
Преимущество фиксации симистора в открытом состоянии заключается в том, что он закрывается только тогда, когда проходящий через него ток (а следовательно, и напряжение на нем) падает, тем самым снижается ток коммутации, который в иных случаях имел бы весьма большие значения. Такая коммутация тока На его минимальных значениях - снижает еще и электрические помехи. «Мягкость» коммутации усиливается за счет использования схемы перехода через нуль, включаемой в некоторые оптроны. Эта схема откладывает включение симистора до момента перехода напряжения через нуль, гарантируя тем самым мягкость не только его выключения, но и включения.
Симистор, встроенный в оптрон типа МОС3031- устройство слаботочное, и предназначен исключительно для использования в схемах управления более мощным симистором, который и занимается фактической коммутацией цепей переменного тока.
Типовая электрическая схема использования оптрона со схемой переключения при переходе через нуль для управления симистором высокой мощности показана на рисунке.
Управление высокой нагрузкой с Arduino или Raspberry Pi в таких цепях превраща ется в выдачу всего лишь одного-двух миллиампер на светодиод, находящийся внутри оптрона.
Резисторы R2 и R3 ограничивают силу тока, протекающего через маломощный фотосимистор, находящийся в оптроне, а резистор R4 и конденсатор С1 предназначены для «сглаживания» любых скачков напряжения, иногда возникающих в цепи, несмотря на мягкое переключение.
Что такое переменный ток?
В отличие от постоянного тока (DC), который всегда течет в одном направлении, переменный ток (АС) не сохраняет такое постоянство. Направление его течения в некоторых странах (включая Соединенные Штаты) меняется на противоположное 120 раз в секунду и 100 раз в секунду во всем остальном мире. Такое изменение направления тока сопровождается соответствующим изменением напряжения на нагрузке (рисунок ниже). Каждый полный цикл состоит из двух перемен направления тока, поэтому частота переменного тока равна либо 60, либо 50 Гц (циклов в секунду). Герц - это единица измерения частоты, и 1 Гц равен одному циклу в секунду.
В Соединенных Штатах и еще в некоторых странах напряжение в сети переменного тока составляет 120 В, а в большей части остального мира в розетках переменного тока присутствует куда более опасное для жизни напряжение в 220-230 В.
Рис. 13.1. Напряжение переменного тока
На рис. 13.1 видно, что пик положительной и отрицательной фаз напряжения на самом деле существенно выше 120 В. Дело в том, что значение 120 В переменного тока фактически является некой усредненной величиной, представляющей собой эквивалент напряжению постоянного тока, способному поставлять нагрузке такой же объем мощности. Следовательно, постоянный ток напряжением 120 В заставит старомодную лампу накаливания светиться с той же яркостью, что и при ее питании от сети 120 В переменного тока.
- Напряжение переменного тока
Вы уже работали с реле при изучении разд. «Управление двигателем постоянного тока при помощи реле» там реле использовалось для включения двигателя постоянного тока. Обмотка реле изолирована от той части, где находятся коммутирующие контакты, что играет весьма важную роль для безопасности коммутирования цепей переменного тока. Коммутационные возможности большинства релейных устройств указаны на их корпусах. Так, обычное реле типа "кубик сахара" может иметь маркировку с указанием возможности коммутирования переменного тока силой 10 А при напряжении 250 В и постоянного тока силой 10 А при напряжении 24 В.
На рисунке ниже показано, как реле может использоваться для коммутации нагрузки переменного тока. Следует помнить, что для управления с цифрового выхода Arduino или Raspberry Pi обмотке реле требуется ток, существенно превышающий тот, который обеспечивается на этом выходе, поэтому в цепь управления реле включается небольшой транзистор Q1.
- Коммутация переменного тока с помощью реле
Оптрон
На смену стремительно устаревающим реле во многих конструкциях коммутационных устройств переменного тока приходят твердотельные реле (solid-state relays, ЅЅК), рассматриваемые далее в разд. «Твердотельные реле (SSR)». Одним из основных компонентов твердотельных реле является оптрон - построенный на основе транзисторной технологии компонент, главная цель которого - отделение низковольтной цепи управления, используемой в проекте, от опасной высоковольтной цепи переменного тока нагрузки.
- Оптрон
Ключевым моментом в конструкции оптрона является отсутствие электрического соединения между светодиодом и фототранзистором связь между ними исключительно оптическая: проводящая цепь фототранзистора открывается, когда светодиод начинает излучать свет. Фототранзистор представляет собой устройство маломощное, и прежде чем управлять каким-либо агрегатом переменного тока, ему нужна дополнительная электронная обвязка.
Оптроны весьма чувствительные устройства, и их светодиодной цепью можно управлять непосредственно с вывода Arduino и даже с универсального контакта ввода/вывода (GPIO) Raspberry Рі - при использовании развязывающего резистора в 1 кОм, ограничивающего ток до нескольких миллиампер.
Оптроны и симисторы с переключением при переходе нулевого значения
Оптроны, разработанные для коммутации цепей переменного тока, обладают рядом особенностей. Во-первых, на светочувствительной стороне у них стоит не обычный биполярный фототранзистор, а устройство, называемое фотосимистором (photo- TRIAC от англ. TRIode for AC, триод для работы в цепях переменного тока). Внутреннее устройство фотосимистора (к примеру, типа МОС3031) показано на рисунке ниже, а паспорт этого изделия в PDF-формате можно загрузить по адресу http://www.farnell.com/datasheets/1639837.pdf.
- Оптрон со схемой перехода через нуль
- Оптроны и симисторы с переключением при переходе нулевого значения.jpg (22.99 КБ) 2396 просмотров
Еще одна из особенностей симистора заключается в том, что, открыв цепь, он так и остается в открытом состоянии. И будет находиться в нем, пока проходящий через него ток не окажется сведенным практически к нулю. Это делает его совершенно бесполезным для управления устройствами постоянного тока, однако учитывая, что переменный ток меняет свою полярность 120 раз в секунду, у симистора появляется возможность те же 120 раз в секунду выключаться.
Преимущество фиксации симистора в открытом состоянии заключается в том, что он закрывается только тогда, когда проходящий через него ток (а следовательно, и напряжение на нем) падает, тем самым снижается ток коммутации, который в иных случаях имел бы весьма большие значения. Такая коммутация тока На его минимальных значениях - снижает еще и электрические помехи. «Мягкость» коммутации усиливается за счет использования схемы перехода через нуль, включаемой в некоторые оптроны. Эта схема откладывает включение симистора до момента перехода напряжения через нуль, гарантируя тем самым мягкость не только его выключения, но и включения.
Симистор, встроенный в оптрон типа МОС3031- устройство слаботочное, и предназначен исключительно для использования в схемах управления более мощным симистором, который и занимается фактической коммутацией цепей переменного тока.
Типовая электрическая схема использования оптрона со схемой переключения при переходе через нуль для управления симистором высокой мощности показана на рисунке.
- Коммутация цепей переменного тока с помощью оптрона имеющего схему переключения при переходе через нуль
Резисторы R2 и R3 ограничивают силу тока, протекающего через маломощный фотосимистор, находящийся в оптроне, а резистор R4 и конденсатор С1 предназначены для «сглаживания» любых скачков напряжения, иногда возникающих в цепи, несмотря на мягкое переключение.