Управление тиристорами: способы, схемы и подключение к микроконтроллеру

Преобразователь тока в напряжение для незаземленного источника

Такой преобразователь отличается наличием второго токочувствительного резистора в цепи прохождения сигнального тока, который заземлен. Схема симметричного преобразователя ток-напряжение это подобие дифференциального усилителя.

В следствии падения напряжения так же и на заземленном резисторе, потенциал входа ОУ падает ниже потенциала земли, а на выходе устанавливается напряжение:

U_вых= −2 × i_вх× R

Симметричный преобразователь тока в напряжение — пример операционной схемы, которой необходим незаземленный (плавающий) источник сигнала. Таким источником может послужить все тот же фотодиод. При этом фотодиод может быть вынесен за пределы платы. Для еще большей минимизации помех, желательно использовать экранированный кабель, экран которого должен быть соединен с землей.

Недостатки

Кроме положительных качеств твердотельных реле, стоит выделить и ряд недостатков:

В открытом виде происходит нагрев изделия из-за высокого сопротивления в цепи p-n перехода. Чтобы избежать негативных последствий в приборах, пропускающих через себя повышенные токи, требуется предусмотреть охлаждение.
В закрытом виде сопротивление увеличивается, и появляется обратный ток утечки (измеряется в мА).
При съеме вольтамперной характеристики заметен ее нелинейный характер.
Некоторые виды твердотельных реле требуют строго соблюдения полярности при подключении выходных цепей. Это касается тех приборов, которые рассчитаны на работу в условиях постоянного тока.
В случае поломки высок риск перекрытия контактов на входе. Причиной может стать пробой силового ключа. Для сравнения контакты классических реле (при выходе из строя) остаются в разомкнутом виде.
Требуется защита от ошибочных срабатываний, вызванных бросками напряжения. Это обусловлено высокой скоростью срабатывания.
Твердотельные реле пропускают ток по обратному пути с небольшой задержкой, что обусловлено применением полупроводниковых элементов в схеме.

Конструктивные особенности и принцип работы

Из нескольких способов преобразования напряжения для питания электронных компонентов, можно выделить два, получивших наибольшее распространение:

Аналоговый, основным элементом которого является понижающий трансформатор, помимо основной функции еще и обеспечивающий гальваническую развязку.
Импульсный принцип.

Рассмотрим, чем отличаются эти два варианта.

БП на основе силового трансформатора

Упрощенная структурная схема аналогового БП

Следующий блок играет выполняет две функции: сглаживает напряжение (для этой цели используется конденсатор соответствующей емкости) и стабилизирует его. Последнее необходимо, чтобы напряжение «не проваливалось» при увеличении нагрузки.

Приведенная структурная схема сильно упрощена, как правило, в источнике данного типа имеется входной фильтр и защитные цепи, но для объяснения работы устройства это не принципиально.

Все недостатки приведенного варианта прямо или косвенно связаны с основным элементом конструкции – трансформатором. Во-первых, его вес и габариты, ограничивают миниатюризацию. Чтобы не быть голословным приведем в качестве примера понижающий трансформатор 220/12 В номинальной мощностью 250 Вт. Вес такого агрегата – около 4-х килограмм, габариты 125х124х89 мм. Можете представить, сколько бы весила зарядка для ноутбука на его основе.

Понижающий трансформатор ОСО-0,25 220/12

Во-вторых, цена таких устройств порой многократно превосходит суммарную стоимость остальных компонентов.

Импульсные устройства

Как видно из структурной схемы, приведенной на рисунке 3, принцип работы данных устройств существенно отличается от аналоговых преобразователей, в первую очередь, отсутствием входного понижающего трансформатора.

Рисунок 3. Структурная схема импульсного блока питания

Рассмотрим алгоритм работы такого источника:

Теперь, как и обещали, рассмотрим принцип работы основного элемента данного устройства – инвертора.

Здесь мы поговорим об импульсных блоках питания (ИБП), которые на сегодняшний день получили самое широкое распространение и с успехом используются во всех современных радиоэлектронных устройствах.

Прежде всего, эта статья посвящена для начинающих специалистов по ремонту электронной техники, поэтому материал будет изложен в упрощенной форме и поможет понять основные принципы работы ИБП.

Основной принцип, положенный в основу работы ИБП заключается в преобразовании сетевого переменного напряжения (50 Гц) в переменное высокочастотное напряжение прямоугольной формы, которое трансформируется до требуемых значений, выпрямляется и фильтруется.

Преобразование осуществляется с помощью мощного транзистора, работающего в режиме ключа и импульсного трансформатора, вместе образующих схему ВЧ преобразователя. Что касается схемного решения, то здесь возможны два варианта преобразователей: первый –выполняется по схеме импульсного автогенератора (например, такой использовался в ИБП телевизоров 3 – 4 УСЦТ) и второй – с внешним управлением (используется в большинстве современных радиоэлектронных устройств).

Поскольку частота преобразователя обычно выбирается от 18 до 50 кГц, то размеры импульсного трансформатора, а, следовательно, и всего блока питания достаточно компактны, что является немаловажным параметром для современной аппаратуры.

В ИБП используются два принципа реализации цепей слежения – «непосредственный» и «косвенный». Выше описанный метод называется «непосредственный», так как напряжение обратной связи снимается непосредственно с вторичного выпрямителя. При «косвенном» слежении напряжение обратной связи снимается с дополнительной обмотки импульсного трансформатора (рисунок 2).

Уменьшение или увеличение напряжения на обмотке W2, приведет к изменению напряжения и на обмотке W3, которое через резистор R2 также приложено к выводу 1 ШИМ контроллера.

Определение

Твердотельное реле — устройство электронного типа, один из видов реле, в котором нет движущихся элементов. Изделие применяется для подачи тока или разрыва цепи путем внешнего управления (действием небольшого напряжения).

Твердотельное реле (сокращено — ТТР) имеет внутри датчик, реагирующий на подачу управляющего сигнала. Кроме того, в составе изделия имеется твердотельная электроника, в том числе включающая цепочка, способная коммутировать большие I.

Устройство может устанавливаться в цепях переменного и постоянного тока, часто применяется как обычное реле. Главная разница в том, что в ТТР нет механических контактов.

Твердотельные реле серий SSR и TSR

Сегодня в продаже встречаются модели TSR и SSR. Рассмотрим их подробнее.

Особенности

Изделия имеют сопротивление изоляции от 50 Мом и более при проверке мегаомметром на напряжение 500 Вольт. Изоляция на входе и выходе отличается прочностью, равной 2 500 Вольт. Мощность управления небольшая — 12 Вольт*7,5А.

Стоит выделить минимальное излучение ЭМ помех, что гарантируется коммутацией при переходе через ноль, а также высокий параметр перегрузки по I. Допускается превышение номинального I в десять крат на время до одного периода.

Расшифровка

Название изделия имеет следующий вид — SSR (1) — 40 (2) D (3) A (4) — Н (5). Цифры в скобках соответствуют номеру расшифровки:

SSR или TSR — твердотельное реле (однофазное или трехфазное соответственно).
Нагрузочный I. Цифра соответствует параметру тока. В нашем случае — 40 А.
Сигнал на входе. Здесь возможны следующие варианты:
- L — от 4 до 20 мА (линейное ТТР).
- D — от 3 до 32 В постоянного I (включения и отключения).
- V — переменное сопротивление.
- A — от 80 до 250 Вольт переменного I (включения и отключения).
Напряжение на выходе:
- D — постоянное.
- A — переменное.
Диапазон напряжения на выходе:
- H — от 90 до 480 Вольт (переменное).
- Нет — от 24 до 380 Вольт (переменное).

Конструктивные особенности

В основе твердотельного реле лежит электронная плата, в состав которой входит три главных элемента — узлы управления и развязки, а также силовой ключ. В роли силовых элементов применяются такие детали:

Для постоянного I — транзисторы полевого типа, простые транзисторы, модульные элементы класса IGBT, а также MOSFET-транзисторы.
Для переменного I — сборки на базе тиристоров, а также симисторы.

Развязка цепи обеспечивается оптронами — изделиями, состоящими из излучающего и принимающего свет устройства. Между ними установлен диэлектрик, имеющий прозрачную структуру.

Управляющий узел выполнен в виде стабилизирующей схемы, обеспечивающей оптимальные уровни тока и напряжения для излучающего свет элемента. Напряжение на входе схемы должно быть от 70 до 280 Вольт.

Что касается напряжения нагрузки, его величина — до 480 Вольт. Расположение электроприбора (до или после ТТР) не имеет значения.

Как правило, устройство монтируется после нагрузки с последующим подключением к «земле». При таком варианте схемы удается защитить внутренние элементы от протекания тока КЗ (он потечет через заземляющий провод).

Защита от коротких замыканий

В случае повреждения изоляции в цели и по другим причинам может возникнуть КЗ. Чтобы избежать повреждения ТТР используются специальные предохранители. Они разработаны для применения в комплексе с твердотельными изделиями.

Их легко распознать по следующим спецификациям:

gR — вставки плавки, работающие в широком диапазоне I. Они используются для защиты полупроводников. На сегодня это одни из наиболее быстродействующих приборов.
gS — как и прошлые предохранители, могут работать во всех диапазонах I. Применяются в случае высокой нагрузки, а также для защиты полупроводников.
aR — вставки плавки, не имеющие ограничений по I работы. Они устанавливаются для защиты полупроводников от КЗ. Недостатком таких изделий является высокая цена. Вот почему многие отдают предпочтение более доступным автоматам B-класса.

Отличия импульсного блока питания от обычного трансформаторного Схема трансформаторного стабилизированного источника питания.

Традиционный «трансформаторный» блок питания строится по схеме: трансформатор — выпрямитель с фильтром — стабилизатор выходного напряжения (может отсутствовать). Схема несложна и отработана годами, но у нее есть существенный недостаток – при увеличении мощности опережающими темпами растут габариты и вес.

В первую очередь растут размеры и масса трансформатора. Для повышения тока надо увеличивать сечение обмоток, но главный вклад в массогабаритные характеристики вносит сердечник. Не вдаваясь в физические подробности, можно отметить, что эту проблему можно обойти, увеличив частоту, на которой происходит трансформация. Чем выше частота, тем меньшим сердечником можно обойтись. Не зря в авиации и кораблестроении используются электросети на частоту 400 Гц. Многие элементы получаются гораздо легче и компактнее. Но в быту негде взять повышенную частоту. 50 Гц в розетке – все, что доступно потребителю. Поэтому блоки питания на большие токи строят по другому принципу. В них переменное напряжение сети выпрямляется, а затем из него «нарезаются» импульсы более высокой (до нескольких десятков килогерц) частоты. За счет этого трансформатор получается маленьким и легким без потери мощности. Это главное, чем отличается любой импульсный блок питания от обычного.

Еще один источник повышенных размеров и габаритов – стабилизатор. В традиционных БП применяются линейные стабилизаторы. Они требуют повышенного входного напряжения, а разница между входом и выходом, умноженная на ток нагрузки, бесполезно рассеивается. Это ведет к дополнительному увеличению массы трансформатора, который должен обеспечивать необходимый бесполезный запас по мощности, а также требует больших и тяжелых теплоотводящих радиаторов. В ИИП это делается по другому принципу. Напряжение стабилизируется методом изменения ширины импульсов. Это позволяет повысить КПД и не требует отвода излишнего тепла в таком количестве.

В видео-сравнение линейного и импульсного блоков питания.

К недостаткам импульсников можно отнести усложненную схемотехнику и повышенные требования к надежности элементов. Эти минусы сходят на нет с ростом мощности. Считается, что для выходных токов до 2..3 ампер подходят трансформаторные блоки с линейными стабилизаторами, а чем выше нагрузка, тем ярче начинают проявляться преимущества ИИП. При токах от 10 А обычно о трансформаторных БП речь уже не идет.

Экспоненциальный преобразователь

Схема экспоненциального преобразователь получается из логарифмического преобразователя путём перемены места диода и резистора в схеме. А работа такой схемы так же как и логарифмического преобразователя основана на логарифмической зависимости между падение напряжения на диоде и током протекающим через диод. Схема экспоненциального преобразователя показана ниже

Экспоненциальный преобразователь.

Работа схемы описывается известными выражениями

Таким образом, выходное напряжение составит

Также как и логарифмический преобразователь, простейший экспоненциальный преобразователь с диодом на входе применяют редко, вследствие вышеописанных причин, поэтому вместо диодов на входе используют биполярные транзисторы в диодном включении или с общей базой.

Схемы включения операционных усилителей, описанные выше, не являются исчерпывающими, а лишь только призваны дать основные понятия. Более подробно схемы включения операционных усилителей я рассмотрю в следующих статьях. Всем удачи.

Подключение твердотельного реле

Принцип подключения прост. В приборе предусмотрены управляющие входы (на них подается напряжение с четким соблюдением полярности) и выход для подключения нагрузки. Важный момент — качество соединения. Здесь применяется винтовой способ (пайка исключена).

Чтобы избежать повреждения ТТР, важно исключить попадание на контакты пыли, а также посторонних механических элементов. Стоит предусмотреть меры, препятствующие негативному воздействию на кожух прибора (во включенном или отключенном состоянии)

После включения запрещено прикасаться к корпусу, который может быть горячим

Обратите внимание, чтобы ТТР не располагалось вблизи легковозгораемых материалов. Кроме того, в процессе подключения убедитесь, что коммутация выполнена без ошибок

Если после включения изделие набирает температуру выше 60 градусов Цельсия, установите на него радиатор для охлаждения (причины и особенности этой защитной меры рассмотрены выше).

Если ничего не предпринять, при достижении 80 градусов Цельсия прибор перестанет работать. Управление осуществляется при помощи цепочки с различными вариантами исполнения.

Функциональная схема и принцип работы импульсного блока питания телевизора ЗУСЦТ

Рис. 1. Функциональная схема импульсного блока питания телевизора ЗУСЦТ:

1 — сетевой выпрямитель; 2 — формирователь импульсов запуска; 3 — транзистор импульсного генератора, 4 — каскад управления; 5 — устройство стабилизации; 6 — устройство защиты; 7 — импульсный трансформатор блока питания телевизоров 3усцт; 8 — выпрямитель; 9 — нагрузка

Пусть в начальный момент времени в устройстве 2 будет сформирован импульс, который откроет транзистор импульсного генератора 3. При этом через обмотку импульсного трансформатора с выводами 19, 1 начнет протекать линейно нарастающий пилообразный ток. Одновременно в магнитном поле сердечника трансформатора будет накапливаться энергия, значение которой определяется временем открытого состояния транзистора импульсного генератора. Вторичная обмотка (выводы 6, 12) импульсного трансформатора намотана и подключена таким образом, что в период накопления магнитной энергии к аноду диода VD приложен отрицательный потенциал и он закрыт. Спустя некоторое время каскад управления 4 закрывает транзистор импульсного генератора. Так как ток в обмотке трансформатора 7 из-за накопленной магнитной энергии не может мгновенно измениться, возникает ЭДС самоиндукции обратного знака. Диод VD открывается, и ток вторичной обмотки (выводы 6, 12) резко возрастает. Таким образом, если в начальный период времени магнитное поле было связано с током, который протекал через обмотку 1, 19, то теперь оно создается током обмотки 6, 12. Когда вся энергия, накопленная за время замкнутого состояния ключа 3, перейдет в нагрузку, то во вторичной обмотке достигнет нулевого значения.

Из приведенного примера можно сделать вывод, что, регулируя длительность открытого состояния транзистора в импульсном генераторе, можно управлять количеством энергии, которое поступает в нагрузку. Такая регулировка осуществляется с помощью каскада управления 4 по сигналу обратной связи — напряжению на выводах обмотки 7, 13 импульсного трансформатора. Сигнал обратной связи на выводах этой обмотки пропорционален напряжению на нагрузке 9.

Если напряжение на нагрузке по каким-либо причинам уменьшится, то уменьшится и напряжение, которое поступает в устройство стабилизации 5. В свою очередь, устройство стабилизации через каскад управления начнет закрывать транзистор импульсного генератора позже. Это увеличит время, в течение которого через обмотку 1, 19 будет течь ток, и соответственно возрастет количество энергии, передаваемой в нагрузку.

Момент очередного открывания транзистора 3 определяется устройством стабилизации, где анализируется сигнал, поступающий с обмотки 13, 7, что позволяет автоматически поддерживать среднее значение выходного постоянного напряжения.

Применение импульсного трансформатора дает возможность получить различные по амплитуде напряжения в обмотках и устраняет гальваническую связь между цепями вторичных выпрямленных напряжений и питающей электрической сетью. Каскад управления 4 определяет размах импульсов, создаваемых генератором, и при необходимости отключает его. Отключение генератора осуществляется при уменьшении напряжения сети ниже 150 В и понижении потребляемой мощности до 20 Вт, когда каскад стабилизации перестает функционировать. При неработающем каскаде стабилизации, импульсный генератор оказывается неуправляемым, что может привести к возникновению в нем больших импульсов тока и к выходу из строя транзистора импульсного генератора.