Рано или поздно проект любого автоматического устройства выходит на стадию, когда все датчики опрошены, логика продумана и пора переходить к тому, ради чего всё и затевалось - к действию. Но вот незадача, логическая часть и исполнительные устройства оказываются на разных концах шкалы. Первые - умные, но слабые. Вторые - сильные, но не способны к самостоятельным действиям. Вот в способах связать их между собой мы и разберёмся. Иначе говоря, речь пойдёт о коммутации мощной нагрузки.
Поскольку, в качестве примеров, наверняка будут вполне продающиеся образцы конкретных устройств, в соответствии с правилами Дзена, нарекаю сию статью - Партнёрский материал.
Итак, с одной стороны у нас датчики, микросхемы, токи в миллиамперах, напряжения в пределах пары десятков вольт и крайне отрицательное отношение к нестабильности питающего напряжения в целом и отдельным помехам в частности. С другой - нагревательные элементы, двигатели, электромагниты и прочее добро, потребляющие киловатты электроэнергии и создающие те самые помехи, просадки и скачки напряжения. В качестве вишенки на торт, напомню о кнопках, тумблерах и прочих управляющих элементах. Если они есть, то стоит задуматься о гальванической развязке между частями устройства.
При написания статьи, пришло понимание, что материала слишком много и в сколько-нибудь разумный размер уложится не получается. Так что пришлось сокращать до некого дайджеста по коммутации нагрузки, а всё безжалостно вырезанное оформлять аж в несколько статей. По мере публикации оных, добавлю ссылки на них, а пока - подписывайтесь на канал, чтобы не пропустить.
Ключ номер один - Реле электромагнитное.
Впервые реле было использовано в 1830 году Павлом Львовичем Шиллингом для вызывного устройства своего телеграфа, а изобретено было несколько позже в 1835 Джозефом Генри, тем самым, который индуктивность. Вот такой исторический казус. Не буду отбирать хлеб у конспирологов - в рамках данной статьи куда важнее, что на рубеже своего двухсотлетия это устройство вполне актуально. Более того, не смотря на наличие боле совершенных устройств, сдавать свои позиции вовсе не собирается. Казалось бы - сплошные недостатки - и медленное, и ресурс не велик. Транзистор, работая на частоте в 1 МГц, выберет 100 000 переключений, отведённых на весь жизненный цикл реле, меньше, чем за секунду. И рабочая обмотка реле, сама по себе, уже является "мощной нагрузкой", да ещё и индуктивной к тому же, что требует определённых схемотехнических решений для нормального функционирования устройства. Как минимум, нужен "предварительный ключ" - транзистор, управляющий работой реле. А ещё, как и любые другие механические переключатели, контакты реле искрят.
Как так получилось, что реле не вымерли вслед за аудио кассетами и компакт-дисками?
Лично мне, реле просто нравятся. Немного стим-панка сделает любой проект лучше.
А если серьёзно, то "плюсов" у реле ничуть не меньше, чем "минусов". Оно гальванически развязывает нагрузку и управляющую схему. С одинаковым успехом коммутирует как переменный, так и постоянный ток. Имеет около нулевое сопротивление (в коммутируемой цепи) и никак не влияет на проходящий сигнал. Отсекает управляющую схему от бросков напряжения и помех при запуске/выключении мощных двигателей и другой подобной нагрузки, а методы борьбы с негативным влиянием самого реле давно отработаны. И, наконец, реле дешевые. Вполне подходящий для большинства самодельных устройств готовый "электронный кубик" вроде этого, стоит меньше 100 рублей, а "голое", без обвязки реле и вовсе рублей в 20 обойдётся.
На сегодняшний день реле применяются в бытовой технике (холодильники, стиральные машины и тому подобное), для коммутации аудио канала в усилителях, в автомобилях и много где ещё.
Ключ номер два - транзистор
Транзисторы бывают двух основных типов, биполярные и полевые. Если очень упрощённо, то любой транзистор это управляемый переменный резистор в цепи питания нагрузки. Как биполярные, так и полевые транзисторы имеют одностороннюю проводимость и не подходят для коммутации переменного тока.
Биполярный транзистор имеет смысл использовать для "аналогового" управления нагрузкой, когда требуется не просто включать и выключать что-то, а плавно управлять. Следует помнить, что даже полностью открытый биполярный транзистор имеет заметное сопротивление, соответственно часть мощности источника питания будет выделятся на нём в виде тепла. Возможно, понадобится радиатор для охлаждения, ну и наличие "дополнительного" сопротивления в цепи нужно учитывать.
Полевой транзистор лучше всего подходит для управления нагрузкой в том случае, когда требуется обеспечить только два состояния - вкл и выкл. В открытом состоянии обладает очень малым сопротивлением - от единиц, до долей ома. Очень чувствителен по входу. Достаточно прикоснутся пальцем к затвору, чтобы транзистор открылся. Во избежание ложных срабатываний вход (затвор) подтягивается к питанию.
Даже такую вполне доступную к повторению схему можно раздобыть в виде готового "кубика". "Кубик" на 1 ключ или "кубик" на 4 ключа.
Тиристор и симистор - ключи для переменного тока.
Может всё-таки реле? Нет? Ну, я предупреждал, если что...
Тиристор не столько ключ, сколько диммер. Имеет одностороннюю проводимость, соответственно отрезает, как минимум, пол волны в полностью открытом состоянии. Не обеспечивает гальваническую развязку. Не применим для коммутации постоянного тока, поскольку тиристор нельзя "выключить" просто сняв управляющий сигнал с затвора. Он будет оставаться открытым, пока ток, протекающий через него не упадёт ниже определённой величины.
Подходит для управления лампами накаливания, нагревательными элементами и потребителями, не критичными к отсутствию "отрезанной" полуволны. Не дорогой, в качестве примера BT151-500R - 60 рублей за 5 штук.
Симистор это, по сути, два включённых навстречу тиристора. Соответственно данный полупроводниковый прибор способен пропускать обе полуволны переменного тока. Открывается подачей импульса на управляющий электрод. Закрывается при падении тока,проходящего через него ниже определённой величины (так называемый ток удержания), либо при смене полярности, что в сети переменного тока происходит по окончанию каждого полупериода.
Не стоит использовать симистор (или тиристор) с большим запасом по мощности, поскольку при токе ниже, чем ток удержания он просто не откроется.
Существует ещё один способ открыть симистор (или тиристор), - подать на его рабочие электроды достаточно высокое напряжение. Казалось бы, в сети переменного тока постоянная амплитуда и взяться этому самому, высокому напряжению, вроде как, неоткуда. Однако индуктивная нагрузка,
а в частности электро двигатели, является прекрасным поставщиком высоковольтных импульсов. По амплитуде раза в четыре превосходящих рабочее напряжение. Бороться с этим явлением предполагается с помощью снаббера или R-C цепочки, а по простому - цепочки из конденсатора и резистора, подключаемой параллельно симистору. Справляется со своей задачей эта конструкция откровенно плохо, но с ней всё же лучше, чем без неё. Управление мощными электродвигателями конечно же имеет решение, но это тема для отдельной большой статьи с графиками, формулами, осцилограмами и решение это не будет бюджетным.
А пока вопрос - вас всё ещё смущают щёлкающие контакты электромагнитного реле? Да? Продолжим...
Для гальванической развязки, а коль уж речь о сетевом питании, то наличие этой самой развязки будем считать обязательным, идеально подойдёт симисторный драйвер. Представляет он из себя оптопару из инфракрасного светодиода и фотосимистора.
По цене симистор мало отличается от тиристора. Например BTA41-600B , а это 40 ампер нагрузки порядка 110 рублей за 5 штук.
И, наконец,
Твердотельное реле
Твердотельное реле бывают двух типов - постоянного и переменного тока. Несмотря на то, что они практически идеально вписываются в концепцию электронного кубика, однозначно рекомендовать их к использованию во всех возможных устройствах я не могу. Начнём с того, что твердотельное реле постоянного тока, представляет из себя всё тот же транзисторный ключ, плюс оптопара для гальванической развязки в едином корпусе. Реле переменного тока гораздо интереснее, поскольку имеются образцы специально разработанные для управления мощными двигателями, с учётом всех вышеописанных сложностей. Вот только цена... Даже на всем известном китайском сайте, ценник приличного образца легко преодолевает планку в 10 000 рублей. Нечто более менее приемлемое будет стоить от 1000 до 3000 рублей. То что можно купить за 300 рублей, не что иное, как симистор с оптопарой, залитый компаундом в общий корпус. Сложно тут что-то посоветовать. Возможно, обещанная чуть выше статья посвященная управлению мощной индуктивной нагрузкой поможет в этом вопросе. Подписывайтесь, чтобы не пропустить.
А на сегодня, всё.