Прямое управление симистором с микроконтроллера
Иногда возникает необходимость порулить с микроконтроллера чем-то на 220 вольт, задумчиво покручивая фазу. Стандартный способ - сделать это через симистор с оптроном. Если управляете лампочкой - вам повезло. Если чем-то вроде коллекторного мотора от стиралки (индуктивной нагрузкой) - вперед, навстречу приключениям.
Постараюсь обобщить собственный опыт подобных конструкций, полученный при проектирование регуляторов скорости бормашинок со стабилизацией оборотов. То есть, область применения - индуктивная нагрузка, без гальваноразвязки. Сразу предупреждаю, я не большой мастер объяснять совсем с нуля, поэтому если что-то непонятно - спрашивайте.
Что же не так с оптроном?
Вариант неплохой, пока с лампочкой. С мотором понадобится снаббер (либо не самый дешевый и доступный оптрон). Дело в том, что симисторы реагируют на резкий перепад напряжения в момент выключения (они выключаются при нулевом токе, а на индуктивной нагрузке фаза тока смещена). В итоге триак может самопроизвольно включаться обратно, добавляя море радости. Снаббер сглаживает броски, и загоняет симистор в предсказуемый режим работы.
- Снаббер непосредственно на сам мотор - довольно тоскливый вариант. И по размерам и по расчетам. Допустим, мы хитровывернутые, и знаем про Subberless Triac (c dV/dt 200-1000). Берем, ставим. Победа? А вот хрен! Внезапно обнаруживается, что силовой триак работает, но оптический продолжает дурить по тем же самым причинам. И если бесснабберные силовые симисторы валяются занедорого на каждом углу, то оптроны - нет.
- Ну ок, делаем snubber network непосредственно на оптрон. Подробности в Panasonic Application Note 030, Driving Triacs with Phototriacs. Все понятно, номиналы не очень большие, можно развести SMD на плате. Но все равно, SMD-резисторов понадобится несколько последовательно, и совсем компактно развести не получится.
Альтернативы
Возникает логичный вопрос - а как бы избежать этих приключений и минимизировать высоковольтные компоненты. Давайте рулить симистором напрямую? Ну ок. Только вот симистору нужны отрицательные импульсы, и тут вариантов два:
- Делать питание микроконтроллера с "общим плюсом", огребая альтернативные приключения с негативными LDO и заведением сигналов на АЦП.
- Управлять триаком импульсами через конденсатор.
Последний подход почему-то не очень распространен, но весьма интересен. Для подробностей рекомендую почитать ST AN440. Triac control with a microcontroller powered from a positive supply. Нам нужен самый простой вариант:
Я такое проверял, работает отлично. И возможно кому-то понравится даже для управления лампочкой, за счет простоты. Компоненты низковольтные, можно располагать очень компактно.
Но и у этой схемы есть ограничения - ток микроконтроллера не резиновый, да и блока питания тоже. Поэтому нам подойдут только те бесснабберные триаки, которым для управления хватает 10ма (это на ток нагрузки ~ 4А). Если вам такого достаточно - ну и отлично. Лично мне хватило. Но что делать если нужны более толстые триаки, с током управления 35-60ма? Честно скажу, сам не пробовал, но придумал вот такой вариант:
Тут добавлено всего 2 детали и разнесены цепи разряда и заряда конденсатора. Разряжаем транзистором, ток можно сделать почти любым. А для заряда используем отдельный вывод микроконтроллера. Пауза между импульсами очень большая, поэтому заряжать можно неспешно, без больших бросков тока. По сравнению с предыдущей схемой аж 5 деталей, но напоминаю - это низковольтные компоненты, которые разводятся заметно компактнее варианта с оптроном.
Тут правда тоже есть ограничение - с ростом тока надо увеличивать емкость конденсатора. Но до 60ма значения будут вменяемые, а больше вам вряд ли когда понадобится.
Что еще нужно знать
- Чтобы триак оставался включенным после управляющего импульса, это надо делать не при нулевом напряжении, а немного позже
- По тем же причинам, т.к на индуктивной нагрузке ток запаздывает, при нулевом напряжении пытаться включать триак нельзя - он все еще "на старой полу-волне".
Можно конечно начать контролировать фазу тока, но по личному опыту - просто сделайте задержку на 10% от zero cross и не заморачивайтесь. Мотор вносит задержку процентов пять, ну может семь для экзотических случаев. А если посчитать не использованную энергию - там будут единицы процентов. Так что тут оптимизировать нет смысла.
Надеюсь, это кому-нибудь пригодится или будет хотя бы интересным :).