Симисторная оптопара. Управление симистором.
Симисторная оптопара (оптосимистор) принадлежат к классу оптронов и обеспечивают отличную гальваническую развязку между низковольтной управляющей частью схемы и силовой нагрузкой, посредством оптического канала. Они состоят из инфракрасного светодиода на основе арсенида галлия, соединенного посредством оптического канала с двунаправленным кремниевым симистором. Последний может быть дополнен отпирающей схемой, срабатывающей при переходе через нуль питающего напряжения и размещенной на том же кремниевом кристалле.
Эти радиоэлементы особенно незаменимы при управлении более мощными симисторами, например, при реализации реле высокого напряжения или большой мощности.
Оптосимистор может размещаться в малогабаритном DIP-корпусе с шестью выводами. Цоколевка и внутренняя структура показана на рисунке.
Ниже приведена таблица классификации симисторных оптопар МОС3009-МОС3083
| Ток светодиода оптосимистора, (мА) | Типы оптосимисторов | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 30 | МОС 3009 | МОС3020 | ||||
| 15 | МОС 3010 | МОС3021 | МОС3031 | МОС3041 | МОС3061 | МОС3081 |
| 10 | МОС 3011 | МОС3022 | МОС3032 | МОС3042 | МОС3062 | МОС3082 |
| 5 | МОС 3012 | МОС3023 | МОС3033 | МОС3043 | МОС3063 | МОС3083 |
| Напряжение на нагрузке | 110/120В | 220/240В | 110/120В | 220/240В | 220/240В | 220/240В |
| Схема обнаружения нуля | Нет | Нет | Да | Да | Да | Да |
| Максимальное обратное напряжение | 250 В | 400 В | 250 В | 400 В | 600 В | 800 В |
| Максимальное падение прямого напряжения на светодиоде оптосимистора | 1,5В | 1,5В | 1,5В | 1,5В | 1,5В | 1,5В |
| Максимально допустимое обратное напряжение светодиода оптосимистора | 3 В | 3 В | 3 В | 6 В | 6 В | 6 В |
| Максимально допустимый ток светодиода оптосимистора, не более мА | 60 | 60 | 60 | 60 | 60 | 60 |
Для снижения помех желательно использовать симисторы, открывающиеся при переходе через ноль напряжения питания. Оптосимисторы без обнаружения нуля чаще используются с резистивной нагрузкой или в случаях, когда напряжение питания должно отключаться.
Когда симистор находится в проводящем состоянии, максимальное падение напряжения на его выводах обычно равно 1,8в (максимум 3 вольта) при токе до 100 мА.
Ток удержания, поддерживающий проводимость выходного каскада оптосимистора, равен 100 мкА, каким бы он ни был (отрицательным или положительным) за полупериод питающего напряжения.
Ток утечки выходного каскада в закрытом состоянии варьируется в зависимости от модели симисторной оптопары. Для оптосимисторов с обнаружением нуля ток утечки может достигать 0,5 мА, если светодиод находится под напряжением.
У инфракрасного светодиода обратный ток утечки равен 0,05 мкА (максимум 100мкА), и максимальное падение прямого напряжения 1,5 вольт для всех моделей оптосимисторов.
Максимальный импульсный ток в проводящем состоянии переключателя выходного каскада – не более 1 А.
Полная рассеиваемая мощность оптосимистора не должна превышать 250 мВт (максимум 120 мВт для светодиода и 150 мВт для выходного каскада при температуре 25 градусов.)
Типичная схема подключения, расчеты элементов.
Сопротивление ограничительного резистора Rдиода зависит от минимального прямого тока инфракрасного светодиода, необходимого для отпирания симистора.
Для примера рассчитаем Rдиода для оптосимистора МОС3083 и напряжения питания +5 вольт. В нашем случае максимальный ток, который может пропустить через себя светодиод оптосимистора 60 мА, рабочий ток 5 мА. Следует принять ток светодиода 10 мА с учетом снижения эффективности светодиода в течении срока службы, постепенного ослабления силы тока (запас 5 мА).
Таким образом Rдиода = (5-1,5)/0,01 = 350 Ом (ближайшее 360 Ом).
При использовании транзисторного ключа, следует учитывать падение напряжения на транзисторе в режиме насыщения – порядка 0,3 вольта и расчеты проводить не для 5 вольт, а 4,7 вольт. В таком случае Rдиода составит 320 Ом (ближайшее 330 Ом).
Рассмотрим типичную схему подключения симисторной оптопары.
Резистор R на схеме включать необязательно, если нагрузка чисто резистивная. Однако, если симистор защищен цепочкой Rзащ-Cзащ (смотрите подробнее — защита симистора), резистор R позволяет ограничить ток через управляющий электрод оптосимистора.
В случае индуктивной нагрузки проходящий через симистор ток и напряжение находятся в противофазе. Так как симистор перестает быть проводником, когда ток проходит через ноль, конденсатор Сзащ может разряжаться через оптосимистор. Тогда резистор R ограничит этот ток разряда. Зная, что максимально допустимый ток для оптосимистора 1 ампер и, приняв за максимальное значение действующего напряжения в сети 260 вольт, рассчитаем минимальное значение сопротивления R:
R = 260 х √2 / 1 = 368 Ом (ближайшее 360 Ом).
Слишком большая величина может привести к нарушению работы.
Значение резистора Rупр может быть в диапазоне от 100 до 500 Ом. Резисторы R и Rупр вводят задержку отпирания симистора, которая будет тем значительнее, чем выше сопротивления этих резисторов.
Защитная цепочка для симистора просто необходима. Для оптосимисторов с обнаружением нуля, такой как МОС3083, — желательна. Для высокоиндуктивной нагрузки значение Rзащ необходимо увеличить до 360 Ом.
Практические замечания
В выше приведенной схеме нагрузка подключается к аноду А1. Если подключить к аноду А2, схема работать не будет, нагрузка будет подключаться сразу и не будет управляться электродом.
Глядя на структурную схему симистора, можно заметить, что управляющий электрод находится рядом с анодом А1. И сопротивление между ними невелико. Так, например для симистора ВТА41 оно составляет 60 Ом. Положение анодов для симистора ВТА41 приведено на рисунке ниже.
Как видно из рисунка теплоотводящая часть симистора может быть изолированной или может служить дополнительным выводом анода А2. Это нужно учитывать перед креплением на радиатор.
Радиатор для симистора следует выбирать в зависимости от рабочего тока, который будет протекать через нагрузку, и от падения напряжения на переходе между анодами А1 и А2. Так в открытом состоянии падение напряжения Ua1a2 на симисторе ВТА41 составляет 0,9 вольт. Мощность, выделяемую в качестве тепла на радиаторе, вычислить просто.
P = Ua1a2 х Iнагр
Если мощность нагрузки 1 кВт, то ток, проходящий через симистор, составит приблизительно 4,5 ампера. Следовательно, симистор должен рассеять примерно 4 Вт тепла. И чем больше ток, проходящий через симистор, тем больший необходимо установить радиатор.
Так, если на симистор ВТА41 посадить радиатор 14х14 мм и нагрузку в 1 кВт, симистор долго не протянет, температура будет обжигающей. При размере радиатора 60х66 мм (что в 20 раз больше) — температура уже 60 градусов и он сможет обеспечить стабильную работу симистора в вентилируемом корпусе. Увеличив нагрузку до 2 кВт, придется увеличить площадь радиатора. Нагрев — это проблема симистора и никуда от этого не денешься.
Переключение нагрузок управляющим сигналом
Иногда нужно не просто отключать или включать нагрузки с помощью симистора, а еще и переключать их. Самые распространённые реле обычно так и работают. Если через катушку реле проходит достаточный ток, замыкаются контакты, если нет – автоматически замыкаются другие контакты. Происходит переключение.
Чтобы заставить переключаться нагрузки на симисторе необходимо создать условия, при которых нагрузки будут управляться одним сигналом. При этом если подача напряжения (например, +5 вольт) открывает один оптосимистор, второй должен тут же закрыться. Такую схему легко реализовать, если использовать на входе второго оптосимистора простой инвертор на транзисторе.
Транзистор работает в ключевом режиме. При открытии создает на светодиоде оптрона фактически нулевое напряжение. Ток через второй оптосимистор не протекает, он закрыт. Первый оптрон работает как обычно. Все поменяется при отсутствии управляющего сигнала. Произойдет переключение как в обычном реле.
Схема может работать даже от маломощного источника сигнала. Например, можно использовать выходы элементов логики или микроконтроллеров.
Второй вариант схемы проще, но зависит от реализации схемы источника сигнала. Если, например, внутри микросхемы триггера «нулевой» выходной сигнал означает заземление выходного контакта, то схема будет работать. Нужно смотреть внутреннюю структуру конкретного источника.
