При коммутации мощных нагрузок, особенно имеющих индуктивный характер, например, электродвигателей, возникает вопрос, чем этой нагрузкой управлять. Если это контактный выключатель или реле, неизбежно искрение, мощные помехи, быстрый износ контактов, возможно залипание. Использование симистора в качестве ключа, особенно при его включении в моменты прохождения напряжения сети через нуль, позволяет обойти эти трудности, однако возникает необходимость использования теплоотвода, тем более громоздкого и тяжёлого, чем больше мощность нагрузки. В статье рассматривается возможность объединения полезных свойств симистора и реле и устранения их недостатков на примере построения узла управления двигателем компрессора бытового холодильника.
Домашние холодильники советской разработки весьма надёжны и во многих семьях до сих пор исправно "трудятся". К сожалению, в них есть относительно часто выходящий из строя элемент - контактный термовыключатель компрессора, выполняющий функцию стабилизатора температуры.
В интернет-магазинах можно приобрести различные варианты настраиваемых термостабилизаторов - W1209, W3001, W3230 и другие. Все термостабилизаторы содержат микроконтроллер с аналого-цифровым преобразователем, цифровой индикатор температуры, кнопки настройки. Выносной датчик температуры - терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления с номинальным значением 10 кОм при температуре 20 оС. Питание таких термостабилизаторов может осуществляться или от источника постоянного напряжения 12 В или 24 В, или от сети 110...230 В, в зависимости от варианта исполнения.
В Интернете нетрудно найти инструкции по их использованию, по установке температуры стабилизации, гистерезиса включения и выключения реле. На выходе этих устройств установлено малогабаритное электромагнитное реле с надписями, обещающими коммутацию нагрузок до 5 или 10 А при напряжении 250 В, что, мягко говоря, является преувеличением. Эти реле выдерживают 250 В, выдерживают некоторое время ток 5 или 10 А, но долго коммутировать такой ток при таком напряжении, конечно, не могут.
Обычно в отзывах об этих термостабилизаторах для коммутации больших нагрузок рекомендуют дополнять их более мощным реле - контактором, но он обладает указанными выше недостатками и требует дополнительного источника питания.
Самое простое решение управления мощной нагрузкой на переменном токе - использование симистора, управляемого контактами реле электронного термостабилизатора, например, по схеме на рис. 1.
Рис. 1.
На этой схеме А1 - плата термостабилизатора, VS1 - практически любой симистор, подходящий для коммутации используемой нагрузки по току и напряжению. Устройство по такой схеме много лет работает у автора в качестве замены термостата небольшой морозильной камеры. Недостатки устройства - заметный уровень помех из-за включения симис-тора при произвольной фазе сетевого напряжения и необходимость установки симистора на теплоотвод, который увеличивает габариты конструкции.
Привязать момент включения к моменту прохождения сетевого напряжения через нуль можно, например, как это сделано в конструкции [1], но теплоотвод по-прежнему необходим.
Однажды автор встретил описание довольно интересного устройства [2], в котором мощный электродвигатель пылесоса включается и выключается в две ступени - при включении вначале при переходе сетевого напряжения через нуль включается симистор, затем симистор шунтируют контактами реле. При выключении вначале размыкаются контакты реле, затем выключается включённый симистор. В результате напряжение на замыкающихся или размыкающихся контактах реле не превышает двух-четырёх вольт и износ контактов практически отсутствует, симистор не греется и теплоотвод не нужен. Кроме того, благодаря включению симистора и его выключению при прохождении напряжения через нуль практически отсутствуют наводимые помехи.
Схема показалась автору сложной, требовался отдельный источник питания напряжением 5 В, управление включением производилось логическим уровнем, поэтому автор решил разработать аналогичное устройство без дополнительного источника питания и с управлением парой контактов.
Рис. 2.
Схема предлагаемого устройства приведена на рис. 2.
При срабатывании термостабилизатора А1 замыкаются его контакты. Выпрямленное диодным мостом VD1 напряжение постепенно заряжает конденсатор С2. Напряжение на этом конденсаторе в начале зарядки нарастает со скоростью, определяемой выходным током моста (IМ ≈ 62 мА в соответствии с [3]) и ёмкостью конденсатора С2, которая равна:
ΔU/ΔT = IM/C2 = 62мА/100мкФ = 0,62 В/мс.
Примерно через 10 мс (один полупериод сетевого напряжения) напряжение на конденсаторе С2 достигнет 6 В, его будет достаточно для управления оптроном U1. При первом прохождении сетевого напряжения через нуль включится симистор оптрона U1, а также симистор VS1, и будет подано напряжение на компрессор холодильника.
Далее напряжение на конденсаторе С2 будет возрастать с меньшей скоростью, когда напряжение на нём достигнет 10 В, и через стабилитрон VD3 начнёт протекать ток, скорость нарастания ещё больше уменьшится.
Спустя примерно 60 мс (три периода сетевого напряжения) от включения оптрона сработает реле K1 и замкнёт своими контактами симистор VS1, в таком состоянии элементы устройства будут находиться до размыкания контактов термостабилизатора А1. Ток через симистор практически отсутствует, теплоотвод для него не нужен.
При размыкании контактов термостабилизатора А1 конденсатор С2 начнёт разряжаться. При снижении напряжения на нём примерно до 11...12 В отпустит реле K1. Поскольку через излучающий диод оптрона ещё протекает ток, в момент размыкания контактов реле напряжение между выводами 4 и 6 оптрона близко к нулю, симистор оптрона U1 включён и включится симистор VS1. Ток нагрузки будет протекать через симистор VS1.
Напряжение на конденсаторе С2 продолжит снижаться, ток через излучающий диод оптрона упадёт до значения, при котором во время очередного прохождения сетевого напряжения через нуль симистор оптрона уже не включится, не включится и симистор VS1.
Ёмкость конденсатора С1 обеспечивает срабатывание реле K1 при уменьшении напряжения сети до 170 В, а для того, чтобы реле не перегревалось при превышении напряжением сети номинального значения, установлен стабилитрон VD2.
устройстве использованы резисторы МТ и МЛТ и их импортные аналоги указанной на схеме мощности, конденсатор С1 - К73-17, С2 - К50-35. Диодный мост VD1 можно заменить на любой малогабаритный мост с допустимым импульсным током не менее 2 А и номинальное напряжение не менее 40 В или на четыре диода серии 1N400х или КД243 с любым буквенным индексом. При отсутствии стабилитрона на 22 В (VD2) можно последовательно соединить два, суммарно обеспечивающих необходимое напряжение.
Симисторный оптрон U1 должен иметь свойство включаться при прохождении напряжения на нём через нуль и иметь ток включения не более 5 мА, подойдут, кроме указанного на схеме, МОС3063, МОС3083. Симистор VS1 - на номинальное напряжение не менее 400 В и требуемый нагрузкой ток.
В устройстве использовано реле SMIH-12VDC-SL-C на рабочее напряжение 12 В с двумя группами контактов на переключение (используемые контакты соединены параллельно), сопротивление обмотки - 270 Ом, ток срабатывания - 30 мА. В справочных данных на это реле указано, что его контакты в разомкнутом состоянии могут выдерживать напряжение 240 В переменного тока. При резистивной нагрузке оно может коммутировать ток 16 А при напряжении переменного тока 125 В, а при резистивно-индуктивной (cos ф = 0,4) - 5 А при 125 В переменного тока. Таким образом, в соответствии с паспортными данными, сколь-нибудь мощную нагрузку с питанием от сети 230 В коммутировать им нельзя. В описываемом устройстве замыкание и размыкание контактов реле происходит при напряжении на них в разомкнутом состоянии, не превышающем нескольких вольт, что исключает искрение и не даёт контактам разрушаться.
Устройство собрано на печатной плате из фольгированного с одной стороны стеклотекстолита толщиной 1 мм. Чертёж платы и расположение элементов приведены на рис. 3, а общий вид смонтированной платы - на рис. 4.
Рис. 3.
Рис. 4.
Резисторы R1 и R3 припаяны со стороны печатных проводников. Для подключения к цепям холодильника в плату впаяны клеммники KLS2-128-5.00, для подсоединения к термостабилизатору А1 установлены два штыревых контакта диаметром 1 мм от разъёма 2РМ.
Устройство вместе с термостабилизатором W1209 помещено в пластмассовый корпус с габаритами 134x75x50 мм.
Для проверки работы устройство было нагружено на конвектор мощностью 2 кВт. Параллельно контактам реле K1 и симистору VS1 был подключён делитель-ограничитель напряжения по схеме рис. 5, сигнал с него подан на осциллограф.
Рис. 5.
Подключение осциллографа через такую цепь не только защищает осциллограф от высокого напряжения, но и позволяет на осциллограмме видеть фазовые соотношения высокого напряжения сети и небольшого падения напряжения на открытом симисторе. Для подачи команды на включение нагрузки использовалась кнопка серии КМ1. На время измерений устройство было подключено к сети через разделительный трансформатор соответствующей нагрузке мощности для обеспечения электробезопасности.
Рис. 6.
На рис. 6 приведена осциллограмма подачи напряжения на нагрузку. В левой части осциллограммы - ограни-ченное стабилитроном до уровня ±6 В напряжение сети, проходящее через нагрузку и приложенное к контактам реле и симистору VS1. Момента замыкания кнопки на осциллограмме не видно. Справа на осциллограмме после замыкания кнопки при прохождении напряжения через нуль, точнее, при достижении на разомкнутых контактах, симисторе VS1 и симисторе оптрона U1 напряжения около 4 В происходит включение симисторов. Падение напряжения на включённом симисторе при токе нагрузки 8,7 А - около 1 В. Симисторы остаются включёнными примерно 3,3 периода напряжения сети, после чего замыкаются контакты реле. Момент замыкания контактов не привязан к фазе напряжения сети.
Рис. 7.
На рис. 7 - осциллограмма снятия напряжения с нагрузки. В началеосциллограммы видно размыкание контактов реле и открывание симисторов, также не привязанные к фазе напряжения сети, далее симисторы открываются в моменты прохождении напряжения сети через нуль. Спустя 5,3 периода напряжения сети при очередном прохождении напряжения через нуль симисторы не включаются и напряжение сети с нагрузки снимается.
Интересно разобраться, почему при работе симистора как при включении, так и при выключении наблюдаются выбросы напряжения с амплитудой 2...4 В. По-видимому, происходит следующее. При подходе напряжения сети к нулю ток нагрузки уменьшается и при напряжении сети около 4 В становится меньше тока удержания симистора, который закрывается. Уменьшающееся напряжение сети (от 4 В до нуля) проходит через нагрузку и даёт на осциллограмме выброс напряжения, совпадающий по знаку с напряжением на симисторе перед прохождением через нуль.
После прохождения через нуль увеличивающееся напряжение сети (от нуля до 4 В) проходит через нагрузку и даёт на осциллограмме выброс напряжения, совпадающий по знаку с напряжением на симисторе после прохождения через нуль. При напряжении на симисторе около 4 В он открывается и падение напряжения на нём становится при данной нагрузке чуть менее 1 В.
Как и было задумано, замыкание и размыкание контактов реле происходит при напряжении на них (в разомкнутом состоянии), не превышающем нескольких вольт, что позволяет рассчитывать на длительный срок службы реле.
Литература
1.Бирюков С. Управление симистором с помощью геркона. - Радио, 2021, №12, с. 39-41.
2.Артамонов О. Щёлкаем реле правильно: коммутация мощных нагрузок. - URL: https://habr.com/ru/company/unwds/blog/ 390601/(19.12.22).
3.Бирюков С. Расчёт сетевого источника питания с гасящим конденсатором. - Радио, 1997, № 5, с. 48-50.
Автор: С. Бирюков, г. Москва