Jednou jsem pro malý domácí projekt potřeboval regulátor výkonu vhodný pro úpravu otáček střídavého elektromotoru. Jako základ jsme použili takovou desku založenou na mikrokontroléru STM32F103RBT6. Deska byla vybrána jako s poctivým rozhraním RS232 a s minimem přídavných součástek. Deska nemá slot pro lithiovou baterii pro napájení hodin, ale její instalace trvá patnáct minut.
Začněme tedy teorií. Každý zná tzv. pulsně šířkovou modulaci, která umožňuje řídit proud v zátěži (nebo vzácněji napětí na) s maximální účinností. Přebytečný výkon v tomto případě prostě nebude spotřebován, místo aby byl odveden ve formě tepla, jako u lineární regulace, což není nic jiného než komplikovaná verze reostatu. Z mnoha důvodů však taková kontrola, prováděná “na čele”, není vždy vhodná pro střídavý proud. Jedním z nich je větší složitost obvodů, protože k napájení výkonové části na tranzistorech MOSFET nebo IGBT je nutný diodový můstek. Tyto nedostatky jsou zbaveny triakového řízení, které je modifikací PWM.
Triak (v anglické literatuře TRIAC) je polovodičová součástka, modifikace tyristoru, navržená tak, aby fungovala jako klíč, to znamená, že může být otevřená nebo uzavřená a nemá lineární režim činnosti. Hlavním rozdílem od tyristoru je obousměrné vedení v otevřeném stavu a (s jistými výhradami) nezávislost na polaritě proudu (tyristory a triaky jsou řízeny proudem, jako bipolární tranzistory) řídicí elektrodou. To usnadňuje použití triaku ve střídavých obvodech. Druhým rysem společným s tyristory je schopnost zachovat vodivost, když řídicí proud zmizí. Triak se uzavře, když se vypne proud mezi hlavními elektrodami, to znamená, když střídavý proud prochází nulou. Vedlejším efektem je snížení hluku při odpojení. K otevření triaku tedy stačí, když na řídicí elektrodu přivedeme otevírací puls malého trvání, řádově desítky mikrosekund, a ta se na konci půlcyklu střídavého proudu sama sepne. .
Řízení triaku zohledňuje výše uvedené vlastnosti tohoto zařízení a spočívá v odblokování triaku při každém půlcyklu střídavého proudu s konstantním zpožděním vzhledem k bodu překročení nuly. Z každého půlcyklu se tedy odřízne “výřez”. Stínovaná část na obrázku je výsledkem tohoto postupu. Na výstupu tedy místo sinusoidy budeme mít něco, co do jisté míry připomíná pilu:
Nyní je naším úkolem odemknout triak včas. Tento úkol zadáme mikrokontroléru. Níže uvedené schéma je výsledkem analýzy dostupných řešení a dokumentace k optočlenům. Zejména výkonová část je převzata z dokumentace k triakovému optočlenu vyráběnému společností Texas Instruments. Obvod není bez nevýhod, jednou z nich je výkonný drátový rezistor, přes který je připojen optočlen, který detekuje průchod nulou.
Jak to funguje? Zvažte kresbu.
Během kladného půlcyklu, kdy proud přes optočlen překročí určitou prahovou hodnotu, se optočlen otevře a napětí na vstupu mikrokontroléru klesne téměř na nulu (křivka „ZC“ na obrázku). Když proud opět klesne pod tuto hodnotu, mikrokontrolér opět obdrží jedničku. To se děje v časech, které jsou dz daleko od aktuální nuly. Tento dz je znatelný, v mém případě je to cca 0.8 ms a je třeba s tím počítat. To není obtížné: známe periodu T a dobu trvání vysokoúrovňového pulsu h, z čehož dz = (h – T / 2) / 2. Potřebujeme tedy otevřít triak přes dz + dP z vedoucího okraj signálu z optočlenu.
Fázový posun dP by měl být diskutován samostatně. V případě DC PWM bude průměrná hodnota výstupního proudu lineárně záviset na pracovním cyklu řídicího signálu. Ale to je jen proto, že integrál konstanty dává lineární závislost. V našem případě je nutné vycházet z hodnoty sinusového integrálu. Řešením jednoduché rovnice získáme požadovaný vztah: pro lineární změnu průměrné hodnoty proudu je nutné změnit fázový posun podle arc cosinus zákona, k čemuž stačí zadat tabulku do řídicího programu LUT.
Vše, o čem budu v budoucnu mluvit, přímo souvisí s architekturou mikrokontrolérů řady STM32, zejména s architekturou jejich časovačů. Mikrokontroléry této řady mají různý počet časovačů, v STM32F103RBT6 jich je sedm, z toho čtyři jsou vhodné pro zachycení a generování PWM. Časovače lze kaskádovat: pro každý časovač lze jednu z vnitřních událostí (přetečení, reset, změna úrovně na jednom ze vstupních nebo výstupních kanálů atd.; podrobnosti odkazuji na dokumentaci) prohlásit za den volna a odeslat k jinému časovači přiřazením k němu má konkrétní akci: start, stop, reset atd. Potřebujeme tři časovače: jeden z nich, pracující v tzv. Vstupní režim PWM měří periodu vstupního signálu a dobu trvání pulzu vysoké úrovně. Na konci měření se po každé periodě vygeneruje přerušení. Současně se spustí časovač spánku spojený s touto událostí. Událost přetečení tohoto časovače vynutí reset časovače, který generuje výstupní řídicí signál do triaku, takže fáze řídicího signálu se upraví každý celý cyklus střídavého proudu. Pouze první časovač generuje přerušení a úkolem handleru je upravit fázový posun (registr ARR časovače čekání) a periodu PWM časovače (také registr ARR) tak, aby se vždy rovnala polovině cyklu AC. Veškeré ovládání tedy probíhá na hardwarové úrovni a vliv softwarových prodlev je zcela eliminován. Ano, to šlo udělat programově, ale byl hřích nevyužít takové příležitosti, jako jsou kaskádové časovače.
Nevidím smysl zveřejňovat kód celého projektu ke kontrole, kromě toho není zdaleka kompletní. Uvedu pouze fragment obsahující výše popsaný algoritmus. Je zcela nezávislý na ostatních částech a lze jej snadno přenést do jiného projektu na kompatibilním mikrokontroléru.
Co je to triak, princip jeho fungování, stejně jako referenční charakteristiky některých populárních zařízení, jsme pečlivě zvážili na stránce Odkaz na stránku.
Také jsme tam zaznamenali, že triak nahradil pracant tyristor a téměř úplně jej nahradil ze střídavých elektrických obvodů.
Připomeňme si probraný materiál.
Charakteristickým rysem triaku je to, že když je na jeho řídicí elektrodu přiveden proud (napětí), zařízení přejde do vodivého stavu, uzavře zátěž a vede proud bez ohledu na polaritu napětí aplikovaného na zátěž.
Polarita otevíracího napětí musí být buď záporná pro obě polarity napětí na podmíněné anodě, nebo se shodovat s polaritou „anodového“ napětí (tj. být kladná v okamžiku průchodu kladné půlvlny a záporná v okamžik průchodu záporné půlvlny).
Tak. Důležitou výhodou triakových obvodů ve střídavých elektrických obvodech je absence usměrňovacích zařízení a bipolarita napětí v zátěži, což umožňuje jejich připojení mimo jiné jak k transformátorům, tak k střídavým motorům.
Seznámíme se s běžnými obvody triakových regulátorů.
Nejprve se podívejme na nejjednodušší, ale docela funkční obvod triakového regulátoru výkonu s fázově pulzním řízením, který umožňuje pracovat se zátěží až 1200 wattů.
Při výměně triaku za jiný s vyšším přípustným proudem lze zatěžovací výkon zvyšovat téměř neomezeně.
A teď – jak to celé funguje?
Na začátku kladného půlcyklu je triak uzavřen. S nárůstem síťového napětí se kondenzátor C1 nabíjí přes sériově zapojené odpory R1 a R2. Kromě toho se nárůst napětí na kondenzátoru C1 zpožďuje (posune ve fázi) ze sítě o hodnotu, která závisí na celkovém odporu rezistorů a kapacitním hodnocení C1. Čím vyšší jsou hodnoty rezistorů a kondenzátoru, tím větší je fázový posun.
Nabíjení kondenzátoru pokračuje, dokud napětí na něm nedosáhne prahové hodnoty průrazu dinistoru (asi 35 V). Jakmile se otevře dinistor (tedy se otevře i triak), bude zátěží protékat proud určený celkovým odporem otevřeného triaku a zátěže.
V tomto případě zůstává triak otevřený až do konce půlcyklu, tzn. okamžik, kdy se půlvlna síťového napětí blíží nule.
Proměnný odpor R2 nastavuje okamžik otevření dinistoru a triaku, čímž upravuje výkon dodávaný do zátěže.
Při působení negativní půlvlny je princip fungování zařízení podobný.
Diagramy zatěžovacího napětí pro různé hodnoty proměnného odporu jsou na obr. 1 vpravo.
Aby se zabránilo falešnému spouštění triaků způsobeným přechodovými jevy v indukčních zátěžích (například v elektromotorech a vinutích transformátorů), musí mít triaky další ochranné součásti. Obvykle se jedná o RC odlehčovací obvod mezi výkonovými elektrodami triaku, který se používá k omezení rychlosti změny napětí (na schématu na obr. 1 znázorněno modře).
V některých případech, kdy má zátěž výrazný kapacitní charakter, je nutná indukčnost mezi výkonovými elektrodami, aby se omezila rychlost změny proudu během spínání.
Existují různé modifikace výše uvedeného nejjednoduššího obvodu stmívače.
Přídavný obvod R3 C2 (obr. 2 vlevo) je určen ke zvýšení maximálního dosažitelného fázového posunu mezi síťovým napětím a napětím přiváděným na levý výstup dinistoru, což zase umožňuje hlubší nastavení dodávaného výkonu. k nákladu.
V obvodu znázorněném na obr. 2 vpravo zajišťuje obvod tvořený diodami D1, D2 a rezistorem R1 plynulé nastavení při minimálním výstupním výkonu. Bez ní má regulační charakteristika regulátoru hysterezi, která se projeví prudkým nárůstem regulovaného výkonu z nuly na 3 % maxima.
Řetězec dioda-odpor vybíjí kondenzátor při přechodu síťového napětí ze záporné na kladnou půlvlnu a tím eliminuje vliv náhlého počátečního zvýšení výkonu v zátěži.
Občas se můžete setkat se zařízeními, ve kterých je řízení výkonu prováděno pomocí samostatného obvodu, který generuje impulsy s nastavitelnou dobou trvání pro ovládání triaku.
Takové stmívače mají výrazně lepší vlastnosti než ty uvedené výše, nevýhodou je však zvýšená složitost zařízení a potřeba samostatného napájení obvodu. Výjimkou jsou zařízení vyrobená na specializovaných IO. Příkladem takového mikroobvodu je fázový regulátor KR1182PM1.
Použití KR1182PM1 ve výkonových regulátorech (obr. 3) umožňuje dosáhnout jak dobré opakovatelnosti, tak širokého rozsahu ladění a vysoké teplotní stability.
A pokud jsme se již rozhodli obtěžovat vytvořením samostatného obvodu pro generování řídicích impulsů, pak má smysl opustit metodu řízení fázovými impulsy a obrátit se na výkonové regulátory, které pracují na principu průchodu určitého celočíselného počtu period síťového napětí. za jednotku času během zatížení.
S tímto způsobem regulace je možné zapnout triak v blízkosti bodu, kde střídavé síťové napětí překročí nulový potenciál, v důsledku čehož je úroveň rušení zavedeného do elektrické sítě radikálně snížena.
S takovým stmívačem nelze napájet osvětlení kvůli znatelnému blikání, ale pro bezhlučnou regulaci výkonu elektrických topných zařízení je to akorát.
Tento obvod (obr. 4) byl migrován ze stránky https://www.radiokot.ru/circuit/power/converter/50/ a je modifikací regulátoru výkonu popsaného v časopise Radio, 2009, č. 9, str. . 40–41 “V. Molchanov Triac power controller”. Toto píše autor.
„Přístroj je určen pro bezhlučnou regulaci výkonu elektrických topných zařízení napájených ze sítě 220 V AC.
Kromě snížení úrovně spínacího rušení regulátor implementuje princip předávání celočíselného počtu period síťového napětí zátěži. Při tomto způsobu regulace je s vysokou přesností zajištěna nepřítomnost konstantní složky napětí na zátěži, v důsledku čehož se dále snižuje úroveň zkreslení zaváděného do elektrické sítě. To je důležité zejména v případě velkých nákladů.
Maximální zátěžový výkon připojený k regulátoru je 1 kW. Proud odebíraný regulátorem ze sítě nepřesahuje 4 mA (efektivní hodnota), typický odběr je 3,5 mA.
Na čipu DD1 a prvcích R1, C1, VD1, VD2 je vyroben obdélníkový generátor impulzů synchronizovaný se sítí. Perioda impulsů generovaných generátorem je asi 1,3 s. Rezistor R1 reguluje pracovní cyklus impulsů. Prvky DD1.1, DD1.2 a DD1.3, DD1.4 jsou zařazeny jako dva RS-klopné obvody, jejichž vstupy (piny 1 a 9 mikroobvodu) přijímají část síťového napětí přes dělič R7R6. Tranzistory VT1 a VT2 plní funkci výkonného invertoru logického signálu pro řízení triaku. Zařízení je napájeno přes parametrický stabilizátor, který využívá předřadný odpor R7, zenerovu diodu VD3 a vyhlazovací kondenzátor C3. Když je napětí na horním výstupu sítě podle obvodu záporné vzhledem k dolnímu, zenerova dioda VD3 prochází proud v propustném směru, když je kladný, omezuje napětí na pinech 1 a 9 čipu DD1 na 10 V. Proud procházející těmito piny a vnitřními ochrannými diodami mikroobvodu nabíjí kondenzátor C3 na napětí asi 9,2 V, které slouží k napájení nízkonapěťové části zařízení. Použití ochranných diod mikroobvodu nevede k jeho prasknutí, protože hodnota amplitudy proudu rezistorem R7 je omezená a je asi 5 mA.
Při kontrole regulátoru výkonu je vhodné připojit jako zátěž žárovku (nejlépe 100 W nebo více). Zařízení obvykle není třeba seřizovat, ale pokud se ukázalo, že triak VS1 se otevírá nespolehlivě (kontrolka v zátěži se nerozsvítí nebo bliká), můžete zkusit snížit odpor rezistoru R4 nebo zvolit triak například s nižším otevíracím proudem. Rezistor R4 umožňuje nastavit okamžité síťové napětí, při kterém se triak rozepne. Toto napětí lze vypočítat podle vzorce Upor ≈ Upit∙R7/(2∙R4), kde Upit ≈ 9,2 V je napětí na kondenzátoru C3, odpory rezistorů R6 a R7 musí být stejné. Snížení odporu rezistoru R4 poskytuje spolehlivější otevření triaku, ale zvyšuje úroveň generovaného šumu, takže je nežádoucí, aby jeho odpor byl menší než 30 kOhm.
A samozřejmě by bylo zcela špatné nezmínit se o tak významném představiteli triakové rodiny, jako je optosimistor.
Optomistor se zapíná osvětlením polovodičové vrstvy a je kombinací optoemitoru a triaku v jednom pouzdru. Výhodou je jednoduchý unipolární řídicí obvod a galvanické oddělení řídicích obvodů od fází síťového napětí.
Optosimistory mohou přepínat zátěž tak, jak jsou (obr. 5),
a ovládat výkonnější triaky (obr. 6).
Vzhledem k úplnému galvanickému oddělení řídicích obvodů optosimistoru je jeho hlavním účelem řízení výkonu zátěže pomocí logických zařízení nebo mikrokontrolérů s vlastními silovými obvody.
Jako příklad je na obr. 7 znázorněno schéma regulátoru výkonu páječky.
Zde je návod, jak respektovaný Falconist popisuje fungování tohoto schématu na stránce http://forum.cxem.net.
„Optomistor řady MOS204x/306x/308x obsahuje v sobě obvod průchodu nulou s napájecím napětím, tzn. otevírá pouze v bodě nulové hodnoty sinusového síťového napětí, bez ohledu na okamžik, kdy řídicí napětí dorazí na jeho LED. Tím je zajištěn režim připojení klíčové zátěže s téměř úplnou absencí RF rušení pronikajícího do sítě 220 V. Proto je jeho nahrazení optosimistory MOS302x/305x, které takový obvod nemají, krajně nežádoucí, protože diskredituje samotný princip regulace bez rušení.
Kondenzátor C1 je předřadná reaktance. Proud, který jím prochází, je spolu s paralelně k němu připojeným rezistorem R1 přibližně 16 mA. Tento proud se používá k napájení časovače DA1 a infračervené LED optočlenu DA2.
Činnost časovače, který generuje řídicí signál pro optotyristor, je podobná činnosti DD1 na obr. 4 a spočívá ve vytváření pulsů s proměnným pracovním cyklem.
