Коммутация мощных нагрузок: схема без искрения и перегрева

Управление мощными нагрузками — достаточно популярная тема среди людей, так или иначе касающихся автоматизации дома, причём в общем-то независимо от платформы: будь то Arduino, Raspberry Pi, Unwired One или иная платформа, включать-выключать ей какой-нибудь обогреватель, котёл или канальный вентилятор рано или поздно приходится. Для тех, кто ищет простые решения по управлению энергией, может быть полезна статья про простой ограничитель мощности паяльника на одном диоде.

Традиционная дилемма здесь — чем, собственно, коммутировать. Как убедились многие на своём печальном опыте, китайские реле не обладают должной надёжностью — при коммутации мощной индуктивной нагрузки контакты сильно искрят, и в один прекрасный момент могут попросту залипнуть. Приходится ставить два реле — второе для подстраховки на размыкание.

Вместо реле можно поставить симистор или твердотельное реле (по сути, тот же тиристор или полевик со схемой управления логическим сигналом и опторазвязкой в одном корпусе), но у них другой минус — они греются. Соответственно, нужен радиатор, что увеличивает габариты конструкции. В контексте усиления мощности, где также важна эффективность, стоит обратить внимание на усилитель мощности «Practice» от Рода Эллиотта.

Я же хочу рассказать про простую и довольно очевидную, но при этом редко встречающуюся схему, умеющую вот такое:

• Гальваническая развязка входа и нагрузки
• Коммутация индуктивных нагрузок без выбросов тока и напряжения
• Отсутствие значимого тепловыделения даже на максимальной мощности

Но сначала — чуть-чуть иллюстраций. Во всех случаях использовались реле TTI серий TRJ и TRIL, а в качестве нагрузки — пылесос мощностью 650 Вт.

Классическая схема — подключаем пылесос через обычное реле. Потом подключаем к пылесосу осциллограф (Осторожно! Либо осциллограф, либо пылесос — а лучше оба — должны быть гальванически развязаны от земли! Пальцами и яйцами в солонку не лазить! С 220 В не шутят!) и смотрим.

Включаем:

Пришлось почти на максимум сетевого напряжения (пытаться привязать электромагнитное реле к переходу через ноль — задача гиблая: оно слишком медленное). В обе стороны бабахнуло коротким выбросом с почти вертикальными фронтами, во все стороны полетели помехи. Ожидаемо.

Выключаем:

Резкое пропадание напряжения на индуктивной нагрузке не сулит ничего хорошего — ввысь полетел выброс. Кроме того, видите вот эти помехи на синусоиде за миллисекунды до собственно отключения? Это искрение начавших размыкаться контактов реле, из-за которого они однажды и прикипят.

Итак, «голым» реле коммутировать индуктивную нагрузку плохо. Что сделаем? Попробуем добавить снаббер — RC-цепочку из резистора 120 Ом и конденсатора 0,15 мкФ.

Включаем:

Лучше, но не сильно. Выброс сбавил в высоте, но в целом сохранился.

Выключаем:

Та же картина. Мусор остался, более того, осталось искрение контактов реле, хоть и сильно уменьшившееся.

Вывод: со снаббером лучше, чем без снаббера, но глобально проблемы он не решает. Тем не менее, если вы желаете коммутировать индуктивные нагрузки обычным реле — ставьте снаббер. Номиналы надо подбирать по конкретной нагрузке, но 1-Вт резистор на 100-120 Ом и конденсатор на 0,1 мкФ выглядят разумным вариантом для данного случая.

Литература по теме: Agilent — Application Note 1399, «Maximizing the Life Span of Your Relays». При работе реле на худший тип нагрузки — мотор, который, помимо индуктивности, при старте имеет ещё и очень низкое сопротивление — добрые авторы рекомендуют уменьшить паспортный ресурс реле в пять раз.

А теперь сделаем ход конём — объединим симистор, симисторный драйвер с детектированием нуля и реле в одну схему.

Что есть на этой схеме? Слева — вход. При подаче на него «1» конденсатор C2 практически мгновенно заряжается через R1 и нижнюю половину D1; оптореле VO1 включается, дожидается ближайшего перехода через ноль (MOC3063 — со встроенной схемой детектора нуля) и включает симистор D4. Нагрузка запускается.

Конденсатор C1 заряжается через цепочку из R1 и R2, на что уходит примерно t=RC ~ 100 мс. Это несколько периодов сетевого напряжения, то есть, за это время симистор успеет включиться гарантированно. Далее открывается Q1 — и включается реле K1 (а также светодиод D2, светящий приятным изумрудным светом). Контакты реле шунтируют симистор, поэтому далее — до самого выключения — он в работе участия не принимает. И не греется.

Выключение — в обратном порядке. Как только на входе появляется «0», C1 быстро разряжается через верхнее плечо D1 и R1, реле выключается. А вот симистор остаётся включённым примерно 100 мс, так как C2 разряжается через 100-килоомный R3. Более того, так как симистор удерживается в открытом состоянии током, то даже после отключения VO1 он останется открытым, пока ток нагрузки не упадёт в очередном полупериоде ниже тока удержания симистора.

Включение:

Выключение:

Красиво, не правда ли? Причём при использовании современных симисторов, устойчивых к быстрым изменениям тока и напряжения (такие модели есть у всех основных производителей — NXP, ST, Onsemi, etc., наименования начинаются с «BTA»), снаббер не нужен вообще, ни в каком виде.

Более того, если вспомнить умных людей из Agilent и посмотреть, как меняется потребляемый мотором ток, получится вот такая картинка:

Стартовый ток превышает рабочий более чем в четыре раза. За первые пять периодов — то время, на которое симистор опережает реле в нашей схеме — ток падает примерно вдвое, что также существенно смягчает требования к реле и продлевает его жизнь.

Да, схема сложнее и дороже, чем обычное реле или обычный симистор. Но часто она того стоит. Для сравнения, высококачественный усилитель мощности «ОМ 2.5» с гибридным питанием 2х100 Вт/4 Ом также требует внимательного подхода к коммутации и питанию, что можно изучить в статье про высококачественный усилитель мощности «ОМ 2.5» с гибридным питанием.

По материалам: geektimes.ru

Автор: Олег Артамонов