Schalten der Netzspannung mittels Triacs. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik

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In der Praxis des Amateurfunks hat man es häufig mit dem Problem zu tun, die Netzwechselspannung umzuschalten. Früher wurden elektromagnetische Relais zum Ein- und Ausschalten der Netzlast verwendet, aber wie die Zeit gezeigt hat, ist dies nicht die zuverlässigste Methode: Die Relaiskontakte sind sehr anfällig für Verschleiß, insbesondere beim Einsatz in Wechselstromkreisen und insbesondere bei induktiver Last . Darüber hinaus werden zum Einschalten leistungsstarker Verbraucher große Relais mit einem erheblichen Steuerstrom in der Wicklung benötigt.

Glücklicherweise ermöglicht die moderne Elementbasis die Verwendung nur von Halbleiterbauelementen, ohne elektromechanische Bauelemente zu verwenden. Daher ist es sehr komfortabel, verschiedene Netzwerklasten mithilfe von Triacs zu schalten. Diese Halbleiterbauelemente ermöglichen es, unter dem Einfluss von Steuerleistungen in der Größenordnung von 40–50 mW eine Netzlast von bis zu mehreren zehn Kilowatt (je nach Gerätetyp) zu schalten. Als nächstes betrachten wir die bequemsten Schaltungslösungen zur Steuerung von Triacs. Die allgemeinen Prinzipien der Ansteuerung eines Triacs sind ungefähr die gleichen wie bei herkömmlichen Thyristoren: Wenn ein Gleichstrom von einigen bis mehreren zehn Milliampere durch die Steuerelektrode in die Kathode des Thyristors fließt, dann entsteht, sobald eine Potentialdifferenz von etwa 1.2- Zwischen Anode und Kathode des Thyristors entstehen 1.5 V, er öffnet und bleibt im geöffneten Zustand, bis der Strom durch ihn auf nahezu Null (genauer gesagt auf den Haltestrom) abfällt.

Das Öffnen des Triacs ist etwas schwieriger, da die Polarität der Steuerspannung relativ zur „Kathode“ (nicht mit dem Ausgangskörper verbunden) mit der Polarität der Spannung an der Anode (Körper) des Triacs übereinstimmen muss Gerät. Wenn also ein Triac zum Schalten von Netzwechselspannung verwendet wird, muss das Steuergerät in der Lage sein, eine Wechselsteuerspannung zu erzeugen, was bei der Verwendung von Steuergeräten auf logischen ICs recht problematisch ist. Eine Lösung für dieses Problem ist die Verwendung eines Optokopplers. Der Strom durch die Optokoppler-LED kann jederzeit in die gleiche Richtung fließen, und die Richtung des Stroms durch den Fotowiderstand ändert sich mit jeder Halbwelle der Netzspannung, wodurch das Öffnen des Triac sichergestellt wird. Wenn es sich bei dem Optokoppler um eine Diode oder einen Transistor handelt, müssen zwei davon zur Steuerung eines Triacs verwendet werden.

Abb.1. Triac-Steuerung mit einem Optokoppler

Ich kann auch nicht umhin, Optothyristoren zu erwähnen. Ein Gehäuse enthält einen Thyristor und eine LED. Leider stellen sie aus irgendeinem Grund keine Optrosimistoren her, sondern es handelt sich tatsächlich um ein „bürgerliches“ Halbleiterrelais – ein ideales Gerät zum Schalten der Netzspannung. Mit Optothyristoren lässt sich also auch die Netzspannung ganz einfach umschalten (Abb. 2)

Abb.2. Netzspannungsschaltung mit Optothyristoren

Der Triac kann auch durch Impulse gesteuert werden: Die Steuerspannung liegt nur für 5-50 μs an der Steuerelektrode an, in dem Moment, in dem die Netzspannung nach dem Nulldurchgang zu steigen beginnt. Darüber hinaus kann durch Änderung der zeitlichen Lage des Steuerimpulses Innerhalb von 0–0 ms relativ zum Beginn jedes Halbzyklus kann die Leistung angepasst und an die Last im Bereich von 10 bis 100 Prozent abgegeben werden. Durch die Impulssteuerung ist es außerdem möglich, das Steuergerät wirtschaftlicher zu machen, und durch den Einsatz von Impulstransformatoren ist auch eine galvanische Trennung des Netzes vom Steuergerät möglich. Der Einsatz von Transformatoren hat noch einen weiteren Vorteil: Durch Selbstinduktionsstöße unter dem Einfluss eines unipolaren Impulses entsteht ein kurzes Paket schnell gedämpfter, natürlich unterschiedlich polarer Schwingungen, das jeden Triac leicht öffnet. Wenn das zu entwerfende Gerät nicht dazu gedacht ist, die Leistung zu regulieren, sondern nur die Netzlast ein-/ausschalten soll, sind die Steuerimpulse möglicherweise nicht mit dem Durchgang der Netzspannung durch 0 synchronisiert.

Es genügt, sie der Steuerelektrode des Triacs mit ausreichend hoher Frequenz zuzuführen, damit die Spannung am geschlossenen Triac unter ungünstigsten Bedingungen vor dem Steuerimpuls keine Zeit hat, auf mehr als einige Volt anzusteigen kommt. Seltsamerweise ist bei dieser Steuerungsmethode der Grad der in das Netzwerk eingebrachten Störungen deutlich geringer als bei der synchronisierten Steuerung. Ein praktischer Schaltplan eines Netzspannungsschalters, bei dem das oben beschriebene Prinzip zum Einsatz kommt, ist in Abb. 3 dargestellt.

Abb. 3. Schematische Darstellung eines Triac-Schalters mit Impulssteuerung

Der Transformator T1 besteht aus einem Ferritring der Größe K1000X2000X10 mit 6-4 NM und enthält zwei identische Wicklungen mit jeweils etwa 50 Windungen. Draht zum Wickeln in Emaille-Isolierung mit einem Durchmesser von 0,1–0,2 mm. Die gegenseitige Isolierung der Wicklungen ist sehr gründlich! Die Phasenlage der Wicklungen ist gleichgültig, da dank der Diode VD2 mehrpolige Impulse in die Sekundärwicklung induziert werden. Durch Auswahl des Widerstands R2 wird die Dauer des Steuerimpulses eingestellt. Je kleiner es ist, desto geringer ist der Stromverbrauch des Steuergeräts. Bei einem sehr kurzen Impuls haben jedoch nicht alle Thyristoren Zeit zum Öffnen. Wenn daher eine höhere Effizienz erforderlich ist, muss R2 an der Grenze der freien Öffnung ausgewählt werden des Triacs. Es ist möglich, den Stromverbrauch der Steuerung auf weniger als 10 mA zu reduzieren, was bei der Verwendung von Netzteilen mit kapazitivem Vorschaltgerät sehr praktisch ist.

Mit der in Abb. 3 gezeigten Steuerschaltung kann die Netzlast mit einem Paar herkömmlicher Thyristoren eingeschaltet werden. Sie müssen lediglich den Transformator durch eine weitere ähnliche Wicklung ergänzen und den Triac durch Thyristoren ersetzen, wie in Abb. 4. Sie können auch einen Thyristor verwenden, diesen jedoch in die Diagonale einer Diodenbrücke entsprechender Leistung einbauen.

Abb.4. Triac-Ersatz

Heutzutage stehen Funkamateuren viele im Ausland hergestellte elektronische Komponenten zur Verfügung. Darunter sind auch Triacs, die sich perfekt zum Ein- und Ausschalten von Netzwerklasten eignen. Am zugänglichsten und gebräuchlichsten sind heute die von Philips hergestellten Triacs der Typen BT134-500 und BT136-500. Diese Geräte werden in Kunststoffgehäusen hergestellt: BT134 – wie die KT815-Transistoren, jedoch ohne Loch, und BT136 – wie die KT805-Transistoren, mit Montageflansch.

Laut Verkäufern ist BT134 für einen Strom von 6 A und BT136 für 12 A ausgelegt. Auf vielen Websites kann man jedoch sehen, dass beide Triacs für einen Strom von nicht mehr als 4 A ausgelegt sind und im geschlossenen Zustand einer Spannung von 500 V standhalten. Leider konnte der Autor die Dokumentation nicht auf der Philips-Website einsehen, da alle Dokumente im PDF-Format vorliegen und es unter DOS keinen Viewer für die neuesten Versionen gibt. Eine Besonderheit dieser Triacs ist nicht so sehr ihre geringe Größe (inländische TS106-10-... aus Kunststoff haben die gleichen Gehäuse), sondern die Art und Weise ihrer Ansteuerung: Diese Triacs werden durch eine Steuerspannung mit negativer Polarität geöffnet zur „Kathode“ in jeder Stromrichtung durch den Triac. Dadurch können Sie auf den Einsatz von Optokopplern und passenden Impulstransformatoren verzichten.

Eine praktische Schaltung des Schalters zusammen mit einer Kondensatorstromversorgung ist in Abb. 5 dargestellt.

Abb.5. Schematische Darstellung eines Leistungsschalters mit importierten Triacs

Der Stromverbrauch des Steuergeräts beträgt im ausgeschalteten Zustand 1.2 mA und im eingeschalteten Zustand 5 mA, was die Verwendung eines sehr kleinen Kondensators von 0,2 μF 400 V in der Stromversorgung ermöglichte. Das Gerät (Abb. 5) ist eigentlich die Basis für viele elektronische Geräte, denn auf drei freien DD1-Logikelementen lassen sich viele interessante Dinge zusammenbauen. In Abb. 6(a) zeigt ein Diagramm eines Blinkers, 6(b) – ein Fotorelais, 6(c) – eine automatische Vorrichtung zum Ein-/Ausschalten der Pumpe, wenn der Sensor E1 die Wasseroberfläche berührt, 6(d) – a Zeitrelais. Es ist recht einfach, einen Touch-Schalter zu implementieren (Abb. 7).

Abb.6. Designs auf Logikelementen IC K561TL1

Abb.7. Schematische Darstellung des Berührungsschalters

Wenn Generatoren auf logischen Elementen aufgebaut werden und eine Lichtanzeige verwendet wird, kann sich zwar der Stromverbrauch erhöhen, und dann muss die Kapazität C1 erhöht werden. Die Auswahl der benötigten Kapazität ist ganz einfach: In allen Betriebsarten des Gerätes wird der Strom über die Zenerdiode gemessen; er sollte mindestens 1-2 mA und maximal 30 mA betragen. Die am häufigsten verwendete Kapazität C1 beträgt 0.47 oder 0.68 µF * 400 V. Die Leistung der von den in diesem Artikel besprochenen Geräten geschalteten Last hängt nur von der Art des Triacs (Thyristoren) und der Dicke der Drähte ab :-) siehe Tabelle 1.

Tabelle 1. Zulässige Lastleistung für verschiedene Arten von Triacs und Thyristoren

Die Tabelle zeigt auch die ungefähren Abmessungen der Kühlkörper. Unter Berücksichtigung des Spannungsabfalls an einem offenen Triac, der etwa 1 V beträgt, können wir im Allgemeinen davon ausgehen, dass die vom Triac verbrauchte Leistung numerisch gleich dem durch ihn fließenden Strom ist. Um diese Leistung abzuleiten, benötigen Sie einen Kühlkörper mit der gleichen Fläche wie eine quadratische Platte und einer Seitenlänge, die in Zentimetern der abgeführten Leistung entspricht. Der Artikel enthält keine Daten und Diagramme zur Verwendung von KU208G-Triacs. Dies ist kein Zufall, da diese Triacs ihre schlechteste Leistung zeigten und in keinem Gerät zuverlässig funktionierten.

Viele KU208G-Muster aus verschiedenen Produktionsjahren hatten im geschlossenen Zustand einen unzulässig hohen Strom, und nach längerem Aufenthalt unter Spannung wurden sie im geschlossenen Zustand sehr heiß und es kam dann zum Durchschlag. Vielleicht müssen sie auf besondere Weise einbezogen werden?

Ich halte es auch für meine Pflicht, Funkamateure an die elektrische Sicherheit zu erinnern, da viele der oben genannten Stromkreise eine galvanische Verbindung zum Netzwerk haben! Fordern Sie Ihr Glück nicht heraus und ziehen Sie den Stecker aus der Steckdose, bevor Sie mit dem Lötkolben an ihnen arbeiten.

Literatur

1. Zamyatin V. Thyristoren // Um ​​dem Funkamateur zu helfen: Sammlung. Ausgabe. 110 S. 49
2. Semiconductors.philips.com/acrobat/datasheets/BT134_SERIES_1.pdf

Autor: Andrey Shary

Siehe andere Artikel Abschnitt Uhren, Timer, Relais, Lastschalter.

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