Коммутатор нагрузки своими руками

Тиристорный коммутатор нагрузки — двухполюсник

Central Semiconductor 2N6073

Михаил Шустов, г. Томск

Приведена схема несложного двухполюсного бистабильного коммутатора нагрузки с использованием тиристора

Описываемая ниже система коммутации представляет собой источник постоянного тока GB1 (батарею, аккумулятор или иной, например, сетевой источник питания напряжением от единиц до десятков вольт), последовательно ему включенные цепочку нормально замкнутых контактов (кнопок SB1–SBn), сопротивление нагрузки, например, лампу накаливания EL1, и, собственно, тиристорный коммутатор нагрузки (Рисунок 1).

Рисунок 1.	Бистабильный тиристорный коммутатор нагрузки постоянного тока.

В состав тиристорного коммутатора нагрузки входит накопитель энергии – конденсатор С1, заряжаемый от источника питания GB1 через цепочку нормально замкнутых кнопок SB1–SBn, сопротивление нагрузки EL1 и диод VD1. Транзистор VT1 выполняет роль управляющего элемента, запертого в случае, когда ток через сопротивление нагрузки минимален. Светодиод HL1 индицирует готовность устройства к работе.

При разрыве цепи питания одной из кнопок SB1–SBn конденсатор С1 через транзистор VT1 BC557 разряжается на управляющий переход тиристора VS1 2N6073, открывая его. Нагрузка EL1 подключается к источнику питания. Повторный разрыв цепи питания любой из кнопок SB1–SBn выключает тиристор и, соответственно, отключает нагрузку. Конденсатор С1 вновь зарядится, устройство вернется в состояние готовности.

Таким образом, кратковременное нажатие на нормально замкнутую кнопку, включённую последовательно с нагрузкой, подключает ее к источнику питания. Повторное нажатие на кнопку отключает нагрузку.

Максимальный ток через нагрузку для тиристора 2N6073 не должен превышать 4 А. Если необходимости в светодиодной подсветке нет, цепочку R1, HL1 можно заменить резистором сопротивлением 10–100 кОм.

Источник

Сетевой коммутатор мощных нагрузок

Одним из многих преимуществ применения схем с микроконтроллерами, является возможность точного по времени подключения нагрузок к однофазной или трехфазной сети. Устройство, схема которого изображена на рис 1 предназначалось для автоматизации работы испытательного стенда подключения к сети мощной (до 35 КВт) индуктивной нагрузки на строго определенное количество полупериодов сетевого напряжения. Поскольку, в реальности, испытуемая нагрузка могла быть подключена в произвольный момент времени, предполагалось фазу первого полупериода сделать также регулируемой для изучения всех возможных переходных процессов, связанных с такой коммутацией. Естественно, при необходимости, возможно охватить фазоимпульсным регулированием не только первый полупериод, но и все остальные, что может обеспечить необходимую гибкость, например, при реализации сварочных процессов, работающих непосредственно от сети или через мощный трансформатор без дополнительного сварочного инвертора.

Технические характеристики устройства:
Длительность подключения нагрузки — 255 полупериодов сети (2550 мс)
Дискретность настройки времени подключения – 1 полупериод (10 мс)
Длительность задержки первого полупериода –1-10мс
Дискретность задержки — 1 мс

Принцип работы схемы основан на подсчете синхроимпульсов, формируемых в момент перехода напряжения сети через нулевой уровень. Для выделения синхроимпульсов, служит отдельная цепь, запитанная непосредственно от сети 220В, состоящая из микросхемы DD3 и оптрона типа PC817, служащего для гальванической развязки синхроимпульсов от низковольтных цепей схемы. Возможно, что здесь можно было обойтись и более простыми решениями, например, исключить микросхему DD3 из этой цепи, но, видимо, здесь сказалось желание автора следовать в фарватере другой, более ранней разработки [1 ], зарекомендовавшей себя, как весьма надежная.

На другой дополнительной микросхеме DD2 собран генератор импульсов в качестве имитатора синхроимпульсов, служащий для отладочных целей, чтобы можно было оценить работоспособность устройства без подключения сетевой нагрузки. Подключение имитатора, в случае необходимости проводится через разъем (джемпер).

Оба параметра настройки, а именно длительность подключения нагрузки и длительность задержки первого полупериода можно откорректировать кнопками на управляющем блоке (рис 2), ориентируясь , при этом, по LCD индикатору популярной марки WH1602D-NGG ( на схеме не показан). Кнопка Shift должна быть нажата, если подлежит замене параметр задержки первого полупериода. Кроме этого, параметры можно настроить и через com порт из ПК, посредством любой терминальной программы. Старт процесса коммутации начинается нажатием кнопки Start. Светодиод LD1 сигнализирует о коммутации нагрузки. В процессе отработки задания коммутации, блок возвращает через com порт текущие параметры настройки, тем самым сигнализируя о факте самой коммутации. Также, отработка цикла коммутации может быть проведена посылкой специальной команды устройству от ПК через com порт

Как и в случае схемы [2 ] для прототипа блока послужила плата от OLIMEX [3], которая уже имела в своем составе цепь формирования питания +5В на интегральном стабилизаторе LM7805 микросхему формирователь уровней интерфейса RS232 MAX232.. Для удобства пользователя плата была встроена в корпус от автоматов подходящего размера (рис 3) с фрезеровкой окон для доступа к разъему DB9 интерфейса RS232 и разъему питания. Коммутирующий силовой блок, состоящий из пары встречно-параллельно включенных тиристоров V1 и V2 типа Т142-80-12 смотнирован в отдельном боксе из пластика (рис 4). При этом сами силовые тиристоры разделены деревянной перегородкой. Включение этой тиристорной пары осуществляется замыканием их управляющих электродов менее мощным симистором V3 типа ВT134-600 (через резистор 100 Ом /1 Вт), который, в свою очередь, управляется от элемента MOC3023 (размещен, в целях удобства в бело-голубой капсуле (см. рис 4)) с коммутацией на произвольной фазе. Номиналы прочих сопротивлений и конденсаторов указаны на схеме. Каких то особых требований к ним нет. То же касается и кнопок. Переключатель SW, как и трансформатор Т показаны условно. Они должны быть рассчитаны на соответствующую мощность.

Фьюз- биты микроконтроллера ATMega 8515 – заводские. Прошивка приведена во вложении.

Ссылки:

Автор выражает благодарность компании SuperOX за содействие в реализации данного проекта.

Источник

Электронный коммутатор нагрузок

Иногда возникает необходимость в поочередной коммутации нескольких нагрузок электронными ключами вместо механического переключателя. Поиск в литературе привел к интересному схемотехническому решению, опубликованному в Радио №12 1989г. Доработанная схема показана на рисунке. Электронный коммутатор нагрузок работает следующим образом. При подаче питания конденсатор С1 начинает заряжаться через резистор R4. Низкое напряжение на конденсаторе С1 в первый момент времени устанавливает на выходе элемента DD1.4 лог. «0». На выходах элементов DD2.1, DD2.2, DD3.1 устанавливается лог. «1», на выходах DD1.1, DD1.2, DD1.3 также устанавливается лог. «1», на выходе элемента DD3.2 -лог. «0». Зажигается светодиод HL4, сигнализирующий о готовности устройства, но при этом ни одна нагрузка не включена. Чтобы включить, например, нагрузку Rн1, необходимо нажать кнопку SB 1. При этом на выходе элемента DD1.1 устанавливается лог. «0», на выходе элемента DD3.2 — лог. «1», и светодиод HL4 гаснет; на выходе элемента DD1.4 устанавливается лог. «1», так как С1 уже заряжен; на выходе элемента DD2.1 устанавливается лог. «0», на выходе элемента DD4.1 — лог. «0». Светодиод HL1 зажигается и сигнализирует о включении нагрузки. Оптронный ключ VU1 открывает симистор VS1, а тот, в свою очередь, коммутирует нагрузку Rн1. Элементы микросхемы D4 используются как повторители с высокой нагрузочной способностью. При нажатии, например, кнопки SB3, в первую очередь выключится нагрузка Rн1, так как на выходе элемента DD1.3 устанавливается лог. «0», на выходе элемента DD2.1 — лог. «1», и нагрузка Rн1 отключается. На выходе элемента DD3.1 устанавливается лог. «0», на выходе элемента DD4.3 — тоже лог. «0», светодиод HL3 зажигается, и включается нагрузка Rн3. Схемотехническое построение схемы исключает даже кратковременное включение двух нагрузок. Отключить любую из нагрузок можно нажатием кнопки SB4. При желании можно включать четвертую нагрузку, добавив в цепь светодиода HL4 цепь из оптоключа и симистора, аналогично рассмотренным выше цепям. Мощность коммутируемой нагрузки определяется только максимальным током примененного симистора. Таким образом, нажимая на слаботочную кнопку SB, можно коммутировать нагрузку от сотни ватт до нескольких киловатт.

Детали. Для питания схемы используется трансформатор с мостовым диодным выпрямителем и фильтром, с выходным напряжением 9 В. Напряжение питания микросхем стабилизируется микросхемой DA1 типа 7805. Указанные на схеме микросхемы можно заменить отечественными аналогами: 74LS08 — К555ЛИ1, 74LS10 -К555ЛА4, 7407 — К155ЛИ4, 7805 — КР142ЕН5А. Кнопки SB1-SB4 типа SWT2-7 можно заменить любыми отечественными.

По материалам журнала Радіоаматор.

Источник

Тиристорные коммутаторы нагрузки (10 схем)

Для включения и отключения нагрузки (ламп накаливания, обмоток реле, электродвигателей и т.п.) зачастую используют тиристоры. Особенность этого вида полупроводниковых приборов и основное их отличие от транзисторов заключается в том, что они обладают двумя устойчивыми состояниями, без каких-либо промежуточных.

Это состояние «включено», когда сопротивление полупроводникового прибора минимально, и состояние «выключено», когда сопротивление тиристора максимально. В идеале эти сопротивления приближаются к нулю или бесконечности.

Для включения тиристора на его управляющий электрод достаточно хотя бы кратковременно подать управляющее напряжение. Отключить тиристор (запереть) можно кратковременным выключением питания тиристора, сменой полярности питающего напряжения либо уменьшением тока в нагрузке ниже тока удержания тиристора.

Обычно включают и отключают тиристорные коммутаторы двумя кнопками. Значительно меньшее распространение получили однокнопочные схемы управления тиристорами.

Здесь подробно рассмотрены методы однокнопочного управления тиристорными коммутаторами. Принцип работы тиристорных однокнопочных управляющих устройств основан на динамических зарядно-разрядных процессах в цепи управления тиристора [EW 4/01-299].

Схема однокнопочного управления тиристором

На рисунке 1 показана одна из простейших схем однокнопочного управления тиристорным коммутатором. В схеме (здесь и далее) используют кнопки без фиксации положения. В исходном состоянии нормально замкнутые контакты кнопки шунтируют цепь управления тиристором.

Сопротивление тиристора максимально, ток через нагрузку не протекает. Диаграммы основных процессов, протекающих в схеме на рис. 1, рассмотрены на рис. 2.

Для включения тиристора (ON) нажимают на кнопку SB1. При этом нагрузка оказывается подключенной к источнику питания через контакты кнопки SB1, а конденсатор С1 заряжается через резистор R1 от источника питания.

Скорость заряда конденсатора определяется постоянной времени цепи R1C1 (см. диаграмму). После того как кнопку отпустят, конденсатор С1 разряжается на управляющий электрод тиристора. Если напряжение на нем равно или превышает напряжение включения тиристора, тиристор отпирается.

Рис. 1. Принципиальная схема управления тиристором с помощью одной кнопки.

Рис. 2. Диаграммы основных процессов, протекающих в схеме с тиристором.

Отключить нагрузку (OFF) можно кратковременным нажатием на кнопку SB1. При этом конденсатор С1 не успевает зарядиться. Поскольку контакты кнопки шунтируют электроды тиристора (анод — катод), это равноценно отключению источника питания тиристора. В результате нагрузка будет отключена.

Следовательно, для включения нагрузки необходимо с большей продолжительностью нажать на управляющую кнопку, для отключения — еще раз кратковременно нажать ту же кнопку.

Простые силовые ключи на тиристорах

На рис. 3 и 4 показаны варианты схемной идеи, представленной на рис. 1. На рис. 3 использована цепочка последовательно соединенных диодов VD1 и VD2 для ограничения максимального напряжения заряда конденсатора.

Рис. 3. Вариант схемы управления тиристором одной кнопкой.

Это позволило заметно снизить рабочее напряжение (до 1,5. 3 В) и емкость конденсатора С1. В следующей схеме (рис. 4) резистор R1 включен последовательно с нагрузкой, что позволяет создать двухполюсный коммутатор нагрузки. Сопротивление нагрузки должно быть намного ниже, чем сопротивление R1.

Рис. 4. Схема электронного ключа на тиристоре с последовательным подключением нагрузки.

Тиристорный коммутатор с двумя кнопками

Тиристорное устройство управления нагрузкой (рис. 5) может быть использовано для включения и выключения нагрузки любой из нескольких последовательно включенных кнопок, работающих на разрыв цепи. Принцип действия тиристорного коммутатора заключается в следующем.

При включении устройства напряжение, подаваемое на управляющий электрод тиристора, недостаточно для его включения. Тиристор, и, соответственно, нагрузка отключены. При нажатии на любую из кнопок SB1 — SBn (и удержании ее нажатой) конденсатор С1 заряжается через резистор R1 от источника питания. Цепь управления тиристора и сам тиристор при этом отключены.

Рис. 5. Схема простого тиристорного коммутатора нагрузки с двумя кнопками.

После отпускания кнопки и восстановления цепи питания тиристора накопленная конденсатором С1 энергия оказывается приложенной к управляющему электроду тиристора. В результате разряда конденсатора через управляющий электрод тиристор включается, подсоединяя тем самым нагрузку к цепи питания.

Для отключения тиристора (и нагрузки) кратковременно нажимают на любую из кнопок SB1 — SBn. При этом конденсатор С1 не успевает зарядиться. В то же время цепь питания тиристора размыкается, тиристор запирается.

Величина резистора R2 зависит от напряжения питания устройства: при напряжении 15 В его сопротивление — 10 кОм при 9 В — 3,3 кОм при 5 6-1,2 кОм.

Схема с эквивалентом тиристора на транзисторах

При использовании вместо тиристора его транзисторного аналога (рис. 6) величина этого резистора меняется, соответственно, от 240 кОм (15 В) до 16 кОм (9 В) и до 4,7 кОм (5 В).

Рис. 6. Схема электронного коммутатора нагрузки с транзисторным эквивалентом тиристора.

Аналог многокнопочного переключателя на тиристорах

Тиристорное устройство, позволяющее создать аналог многокнопочного переключателя с зависимой фиксацией положения и использующее для управления кнопочные элементы, работающие без фиксации, показано на рис. 7. В схеме может быть использовано несколько тиристоров, однако, для упрощения схемы, на рисунке показано лишь два канала. Другие каналы коммутации могут быть подключены аналогично предыдущим.

Рис. 7. Принципиальная схема аналога многокнопочного переключателя с использованием тиристоров.

В исходном состоянии тиристоры заперты. При нажатии на кнопку управления, например, кнопку SB1, конденсатор С1 относительно большой емкости оказывается подключенным к источнику питания через диоды VD1 — VDm и сопротивления нагрузки всех каналов.

В результате заряда конденсатора возникает импульс тока, приводящий к кратковременному замыканию анодов всех тиристоров через соответствующие диоды VD1 — VDm на общую шину.

Любой из тиристоров, если он был включен, отключается. В то же время конденсатор накапливает энергию. После отпускания кнопки конденсатор разряжается на управляющий электрод тиристора, отпирая его.

Для включения любого другого канала нажимают соответствующую кнопку. Происходит отключение (сброс) ранее задействованной нагрузки и включение новой нагрузки. В схеме предусмотрена кнопка SB0 общего отключения всех нагрузок.

Многокнопочный переключатель с транзисторным аналогом тиристоров

Вариант схемы, выполненный на транзисторных аналогах тиристоров и диодно-емкостных зарядных цепочках с использованием малогабаритных конденсаторов, показан на рис. 8, 9.

Рис. 8. Схема эквивалентной замены тиристора транзисторами.

В схеме предусмотрена светодиодная индикация включенного канала. В этой связи максимальный ток нагрузки каждого из каналов ограничен значением 20 мА.

Рис. 9. Схема многокнопочного переключателя с транзисторным аналогом тиристоров.

Устройства, аналогичные представленным на рис. 7 — 9, а также на рис. 10 — 12, можно использовать для систем выбора программ радио- и телеприемников.

Недостатком схемных решений (рис. 7 — 9) является то, что в момент нажатия на любую из кнопок все нагрузки оказываются хотя бы на мгновение подключенными к источнику питания.

Схемы многопозиционных переключателей

На рис. 10 и 11 показан тиристорный коммутатор разрывного типа с неограниченным количеством последовательно включенных элементов.

При нажатии на одну из кнопок управления цепь питания аналогов тиристоров размыкается по постоянному току. Конденсатор С1 оказывается включенным последовательно с аналогом тиристора.

Рис. 10. Схема базового элемента для самодельного многопозиционного коммутатора нагрузки.

Рис. 11. Принципиальная схема самодельного многопозиционного коммутатора нагрузки.

Одновременно управляющее напряжение (нулевого уровня) через задействованную кнопку и резистор R2 (рис. 10) подается на управляющий электрод аналога тиристора.

Поскольку в первые мгновения при нажатии кнопки последовательно с аналогом тиристора оказывается включенным полностью разряженный конденсатор, такое включение равносильно короткому замыканию в цепи питания соответствующего тиристора. Следовательно, тиристор отпирается, включая тем самым соответствующую нагрузку.

При нажатии на любую другую кнопку ранее задействованный канал отключается, и включается другой канал. При длительном (порядка 2 сек) нажатии на любую из кнопок конденсатор С1 заряжается, что равнозначно размыканию цепи и приводит к запиранию всех тиристоров.

Схема усовершенствованного электронного переключателя

Рис. 12. Принципиальная схема тиристорного коммутатора для множества нагрузок.

В ряду тиристорных коммутаторов наиболее совершенной представляется схема, показанная на рис. 12. При нажатии кнопки управления возникает бросок тока, эквивалентный короткому замыканию.

Происходит отключение ранее задействованных тиристоров и включение тиристора, соответствующего нажатой кнопке. В схеме предусмотрена светодиодная индикация задействованного канала, а также кнопка общего сброса.

Вместо конденсаторов большой емкости могут быть использованы диодно-конденсаторные цепочки (рис. 12). Принцип действия схемы сохраняется. В качестве нагрузки можно использовать низковольтные реле, например, РМК 11105 сопротивлением 350 Ом на рабочее напряжение 5 В.

Резистор R1 ограничивает ток короткого замыкания и ток максимального потребления величиной 10. 12 мА. Количество каналов коммутации не ограничено.

Литература: Шустов М.А. Практическая схемотехника (Книга 1), 2003 год.

Источник