45_48.pdf

Półprzewodnikowy przekaźnik trójfazowy

P R O J E K T Y

Półprzewodnikowy

przekaźnik trójfazowy

kit AVT−372

We wspÛ³czesnej elektronice

coraz wyraüniej jest widoczna

tendencja do zastÍpowania,

wydawa³oby siÍ

nieúmiertelnych, rozwi¹zaÒ

mechanicznych ich

elektronicznymi

odpowiednikami.

Prezentowana w†artykule

konstrukcja wspiera ten trend,

dziÍki niej moøliwe jest

bowiem zast¹pienie

mechanicznych prze³¹cznikÛw

duøej mocy stosunkowo

prostym uk³adem

elektronicznym, o†znacznie

wiÍkszej trwa³oúci i†lepszych

parametrach po³¹czeniowych.

O†tym, øe liczba urz¹dzeÒ,

znajduj¹cych siÍ w†naszych do-

mach, zasilanych z†sieci energe-

tycznej, nieustannie roúnie nie

trzeba chyba nikogo przekonywaÊ.

Do tej pory mieliúmy do czynie-

nia prawie wy³¹cznie z†urz¹dze-

niami zasilanymi z†sieci jednofa-

zowej napiÍciem 220VAC. Jedynie

posiadacze domkÛw jednorodzin-

nych stykali siÍ z†silnikami zasi-

lanymi z†sieci trÛjfazowej, naj-

czÍúciej silnikami stosowanymi

w†pompach hydroforÛw. Pozosta³e

odbiorniki pr¹du trÛjfazowego by-

³y stosowane prawie wy³¹cznie

w†zak³adach przemys³owych i†rze-

mieúlniczych oraz w†gospodars-

twach wiejskich. Naleøy jednak

s¹dziÊ, øe sytuacja ta bÍdzie siÍ

zmieniaÊ, a†to øe nie zmienia siÍ

dostatecznie szybko spowodowane

jest przede wszystkim przestarza³¹

instalacj¹ elektryczn¹ w†blokach

mieszkalnych, utrudniaj¹c¹ dopro-

wadzenie do mieszkaÒ sieci trÛj-

fazowej, czyli tzw. ìsi³yî.

Moøna wymieniÊ przynajmniej

dwa rodzaje urz¹dzeÒ zasilanych

z†zasady pr¹dem trÛjfazowym, ktÛ-

re powinny jak najprÍdzej znaleüÊ

siÍ w†naszych mieszkaniach: no-

woczesne kuchenki elektryczne,

ktÛre dawno juø powinny zast¹piÊ

nieekonomiczne i†niebezpieczne

kuchnie gazowe oraz gazowe pie-

cyki k¹pielowe, moøliwe do zast¹-

pienia ca³kowicie bezpiecznymi

w†uøyciu i†ekonomicznymi grzejni-

kami przep³ywowymi. Wszystkie

te urz¹dzenia wymagaj¹ zasilania

pr¹dem trÛjfazowym i†dlatego, jak

na razie, s¹ dostÍpne w†zasadzie

tylko dla w³aúcicieli w³asnych do-

mkÛw, do ktÛrych z†zasady taka

instalacja jest doprowadzana. Tak

czy inaczej, z†urz¹dzeniami zasila-

nymi ìsi³¹î bÍdziemy spotykaÊ siÍ

coraz czÍúciej i†juø teraz warto

pomyúleÊ, w†jaki sposÛb wszech-

obecna elektronika moøe u³atwiÊ

ich uøywanie.

Podobnie jak wszystkie inne

urz¹dzenia elektryczne trÛjfazowe

odbiorniki energii z†zasady wyma-

gaj¹ stosowania odpowiedniego

w³¹cznika. O†ile jednak w†przy-

padku instalacji jednofazowej

sprawa jest doúÊ prosta, to budo-

wa wy³¹cznika do urz¹dzeÒ trÛj-

fazowych nieco siÍ komplikuje.

Przede wszystkim musimy symul-

tanicznie w³¹czaÊ i†wy³¹czaÊ aø

trzy obwody elektryczne, z†zasady

pobieraj¹ce doúÊ duøo pr¹du. Na-

rzuca to rozbudowan¹ konstrukcjÍ

w³¹cznika oraz koniecznoúÊ wy-

posaøenia go w†styki o†duøej ob-

ci¹øalnoúci pr¹dowej.

A†przecieø stosowanie stykÛw

mechanicznych do prze³¹czania

obwodÛw pr¹dowych jest w†koÒ-

Elektronika Praktyczna 12/97

Półprzewodnikowy przekaźnik trójfazowy

cu 1997 roku zupe³nym anachro-

nizmem! Jeszcze gorzej wygl¹da

sprawa zasilania silnikÛw elekt-

rycznych pr¹du trÛjfazowego.

O†ile ìwypadniÍcieî jednej fazy

zasilaj¹cej piecyk k¹pielowy czy

kuchenkÍ nie grozi øadnymi przy-

krymi konsekwencjami, to zasile-

nie silnika trÛjfazowego dwoma

lub jedn¹ tylko faz¹ najczÍúciej

koÒczy siÍ jego powaønym uszko-

dzeniem.

Do w³¹czania urz¹dzeÒ zasila-

nych z†sieci trÛjfazowej najczÍú-

ciej s³uø¹ specjalne trÛjsekcyjne

prze³¹czniki oraz tzw. styczniki,

czyli przekaüniki o†trzech stykach

o†duøej obci¹øalnoúci pr¹dowej.

SzczegÛlnie te ostatnie sprawiaj¹

masÍ k³opotÛw: styki doúÊ szybko

siÍ wypalaj¹, a†zanieczyszczony

stycznik staje siÍ przyczyn¹ przy-

krego i†trudnego do usuniÍcia ha-

³asu. Ponadto, zastosowanie same-

go tylko stycznika nie chroni

odbiornika energii przed skutkami

zaniku jednej z†faz. Potrzebne s¹

do tego wyspecjalizowane urz¹-

dzenia elektromechaniczne lub

elektroniczne, podobnie jak same

styczniki doúÊ kosztowne.

Proponowany uk³ad ma za

zadanie rozwi¹zanie wielu prob-

lemÛw zwi¹zanych zarÛwno

z†jednoczesnym prze³¹czaniem

trzech obwodÛw elektrycznych,

jak i†z†zabezpieczeniem silnikÛw

trÛjfazowych przed uszkodze-

niem w†przypadku zaniku jednej

z†faz. Jest to jednak tylko pod-

stawowe zastosowanie naszego

uk³adu, ktÛry, jak za chwilÍ siÍ

przekonamy, ma znacznie szer-

sze moøliwoúci.

A†wiÍc wymienimy po kolei,

do czego moøemy zastosowaÊ nasz

przekaünik trÛjfazowy:

1. W³¹czanie i†wy³¹czanie od-

biornikÛw pr¹du trÛjfazowego

z†zabezpieczeniem ich przed skut-

kami zaniku jednej lub dwÛch

faz. Przekaünik moøe byÊ stero-

wany dwoma sposobami:

- przez zwarcie styku ca³kowicie

odizolowanego od sieci energe-

tycznej;

- przez doprowadzenie napiÍcia

220VAC do wejúcia uk³adu.

Ten drugi sposÛb zapewnia

ca³kowit¹ kompatybilnoúÊ naszego

uk³adu z†powszechnie dot¹d sto-

sowanymi stycznikami.

2. W³¹czanie i†wy³¹czanie od-

biornikÛw pr¹du trÛjfazowego bez

zabezpieczenia ich przed skutka-

mi zaniku jednej lub dwÛch faz.

Ten tryb pracy moøna zastosowaÊ

w†przypadku zasilania np. grza³ek

czy piecykÛw. Przekaünik moøe

byÊ sterowany dwoma sposobami:

- przez zwarcie styku ca³kowicie

odizolowanego od sieci energe-

tycznej;

- przez doprowadzenie napiÍcia

220VAC do wejúcia uk³adu.

3. W³¹czanie trzech zupe³nie

niezaleønych od siebie urz¹dzeÒ.

Do przekaünika moøe byÊ dopro-

wadzony pr¹d trÛjfazowy, lub

tylko jedna lub dwie fazy. Ste-

rowanie odbiornikami energii od-

bywa siÍ za pomoc¹ zwierania

do masy odpowiednich, ca³kowi-

cie odizolowanych od sieci wejúÊ

uk³adu.

Jak wiÍc widaÊ, moøliwoúci

proponowanego uk³adu s¹ doúÊ

duøe, a w†kaødym razie ich sto-

sunek do kosztÛw wykonania

urz¹dzenia jest wyj¹tkowo korzys-

tny. Uk³ad zosta³ zaprojektowany

z†wykorzystaniem tanich i†ogÛlnie

dostÍpnych elementÛw. O†wartoú-

Rys. 1. Schemat elektryczny układu.

Elektronika Praktyczna 12/97

Półprzewodnikowy przekaźnik trójfazowy

ci dopuszczalnego pr¹-

du, ktÛry przekaünik mo-

øe prze³¹czaÊ, decyduje

jedynie typ zastosowa-

nych triakÛw. W†uk³a-

dzie modelowym zasto-

sowano najtaÒsze triaki

o†pr¹dzie przewodzenia

6A, co pozwoli³o na ste-

rownie odbiornikiem

energii o†maksymalnej

mocy do 3,5kW (z zasto-

sowaniem sporego radia-

tora). Nic jednak nie stoi

na przeszkodzie, aby

w†wykonanym uk³adzie

zastosowaÊ triaki

o†znacznie wiÍkszym do-

puszczalnym pr¹dzie.

Kolejn¹, bardzo waø-

n¹ spraw¹ ìza³atwian¹î

przez nasz uk³ad jest

ca³kowita eliminacja za-

k³ÛceÒ radioelektrycz-

nych, tak dokuczliwych przy sto-

sowaniu tradycyjnych w³¹cznikÛw.

Triaki sterowane s¹ w†taki spo-

sÛb, øe ich w³¹czenie moøe na-

st¹piÊ jedynie przy napiÍciu sieci

bliskiemu zeru, co radykalnie wy-

klucza powstawanie jakichkolwiek

zak³ÛceÒ.

A†teraz moøe najwaøniejsza za-

leta proponowanego urz¹dzenia -

zapewnia ono uøytkownikowi pra-

wie ca³kowite bezpieczeÒstwo ob-

s³ugi! Obwody znajduj¹ce siÍ pod

napiÍciem sieci zosta³y odizolo-

wane od czÍúci steruj¹cej za po-

moc¹ optotriakÛw i†transoptorÛw

o†wytrzyma³oúci na przebicie rzÍ-

du wielu kilowoltÛw. Niemniej

nie zalecamy budowy uk³adu zu-

pe³nie pocz¹tkuj¹cym elektroni-

kom i†osobom nie obeznanym

z†zasadami bezpiecznej pracy przy

Rys. 2. Rozmieszczenie elementów na płytce drukowanej.

obwodach bÍd¹cych pod napiÍ-

ciem juø nie 220, ale 380V!

Zasilanie do³¹czonego do wyjúÊ

A', B' i†C' odbiornika moøemy

w³¹czyÊ dwoma sposobami. Po

pierwsze przez zwarcie ze sob¹

wejúÊ F i†G uk³adu. Spowoduje to

wymuszenie stanu niskiego na

drugim wejúciu bramki IC2C

i†w†konsekwencji powstanie stanu

wysokiego na jej wyjúciu. Baza

tranzystora T1 zostanie wtedy

spolaryzowana i†tranzystor ten, za

poúrednictwem diod D4, D5 i D6,

zewrze do masy katody diod

nadawczych, umieszczonych

w†strukturach optotriakÛw Q1, Q2

i†Q6. W³¹czenie tych diod spowo-

duje wyzwolenie triakÛw Q3..Q5

i†do³¹czenie zasilania do sterowa-

nego przez nasz przekaünik od-

biornika.

W drugim sposobie sterowania

przekaünikiem naleøy podaÊ na

wejúcia D†i†E†napiÍcie sieciowe

220V. Fragment uk³adu z†transop-

torem IC5 dzia³a identycznie, jak

opisane wyøej uk³ady z†transopto-

rami IC3 i†IC4. Konsekwencj¹ w³¹-

czenia diody w†strukturze trans-

optora IC5 jest takøe zwarcie do

masy wejúcia 9†bramki IC2C

i†przewodzenie tranzystora T1.

Sterowanie uk³adu napiÍciem

220V pozwala na proste zast¹pie-

nie dowolnego stycznika naszym

przekaünikiem trÛjfazowym.

Rozpatrzmy teraz, co siÍ stanie

w†momencie zaniku jednej z†faz.

Jeøeli bÍdzie to faza do³¹czona do

wejúcia C†przekaünika, to zasila-

nie uk³adu zostanie od³¹czone, co

Opis dzia³ania uk³adu

Schemat elektryczny uk³adu

przekaünika trÛjfazowego przed-

stawiony zosta³ na rys. 1 . AnalizÍ

dzia³ania uk³adu rozpoczniemy od

momentu, w†ktÛrym na wejúcia A,

B†i†C†zosta³o doprowadzone na-

piÍcie z†sieci trÛjfazowej. Konsek-

wencj¹ faktu podania na wejúcie

C†napiÍcia fazowego 220V jest

zasilenie poprzez transformator

sieciowy TR1 prostownika i†stabi-

lizatora napiÍcia z†uk³adem IC1,

a†tym samym w³¹czenie zasilania

ca³ego uk³adu.

NapiÍcie z†pozosta³ych faz jest

podawane na wejúcia dwÛch iden-

tycznych prostownikÛw zasilaj¹-

cych diody nadawcze transopto-

rÛw IC3 i†IC4. Pr¹d p³yn¹cy przez

te diody jest ograniczony za po-

úrednictwem uk³adu z†rezystorami

R14 i†R15 i†kondensatorami C8

i†C9. Diody D1 i†D2 zabezpieczaj¹

diody nadawcze transoptorÛw

przed uszkodzeniem podczas

ujemnej pÛ³fali napiÍcia.

Konsekwencj¹ w³¹czenia diod

nadawczych zawartych w†struktu-

rach transoptorÛw jest przewodze-

nie zwi¹zanych z†nimi tranzysto-

rÛw i†wymuszenie na wejúciach

bramki NOR - IC2B stanÛw nis-

kich. Stan wysoki z†wyjúcia tej

bramki, po zanegowaniu przez

IC2A zostaje podany na jedno

z†wejúÊ bramki IC2C.

Część płytki obwodu drukowanego

znajduje się pod bardzo niebezpiecz−

nym dla życia napięciem 220V,

a pomiędzy przewodami fazowymi

występuje napięcie 380V! Jeżeli więc

nie jesteście całkowicie pewni swoich

umiejętności, to lepiej poprosić

o pomoc bardziej doświadczonego

elektronika. Niedopuszczalne są

jakiekolwiek prowizorki, a przed

dołączeniem napięcia zasilającego

układ musi zostać umieszczony

w odpowiednio mocnej obudowie.

Pamiętajcie też o zasadzie “pracy

jedną ręką” przy urządzeniach

dołączonych do sieci energetycznej!

Elektronika Praktyczna 12/97

Półprzewodnikowy przekaźnik trójfazowy

WYKAZ ELEMENTÓW

Rezystory

R1, R2, R3, R4, R5, R6: 200

jednak wykorzystamy nasz prze-

kaünik np. do sterowania zasila-

nego z†sieci trÛjfazowej urz¹dze-

nie grzewczego, to ochrona przed

zanikiem fazy nie bÍdzie koniecz-

na. Moøemy wiÍc z†niej zrezyg-

nowaÊ zwieraj¹c jumpery JP1

i†JP2, co spowoduje trwa³e wymu-

szenie stanÛw niskich na wej-

úciach bramki IC2B.

Rozpatrzmy teraz dodatkowe

moøliwoúci sterownia uk³adami

wykonawczymi, jakie daje nam

nasz przekaünik. Poza dwoma wy-

øej omÛwionymi metodami w³¹-

czania odbiornika pr¹du, istnieje

jeszcze trzecia: przez zwarcie do

masy wejúcia H uk³adu. Spowo-

duje to w³¹czenie diod nadaw-

czych we wszystkich trzech tria-

kach, a w konsekwencji do³¹cze-

nie sterowanego urz¹dzenia do

zasilania. Ale uwaga: przy takim

trybie sterowania przekaünikiem

nie dzia³a zabezpieczenie przed

zanikiem fazy! Kolejn¹ moøliwoú-

ci¹ jest sterowanie trzema nieza-

leønymi odbiornikami pr¹du 220V.

Realizowana jest przez zwieranie

do masy wejúÊ I, J i†K przekaü-

nika, co powoduje uaktywnienie

jedynie wybranych triakÛw. Przy

zasilaniu z†sieci trÛjfazowej np.

pieca, t¹ metoda moøna w prosty

sposÛb regulowaÊ jego moc.

Nic nie stoi na przeszkodzie,

aby przekaünik trÛjfazowy wyko-

rzystywaÊ takøe w†obwodach pr¹-

du jednofazowego. Naleøy wtedy

zewrzeÊ ze sob¹ wejúcia A, B i†C,

zasilane uk³ady do³¹czaÊ do wyjúÊ

A', B' i†C'.

moøna je zastosowaÊ jedynie do

sprawdzenia poprawnoúci pracy

uk³adu, tak jak to zrobiono

w†uk³adzie prototypowym.

2. ZastosowaÊ ma³y radiator

umieszczony na p³ytce. W†takim

przypadku zwory oznaczone na

stronie opisowej p³ytki przez Z

musimy wlutowaÊ od strony lu-

towania. Odcinki grubej srebrzan-

ki lub miedzianego drutu naleøy

wygi¹Ê w†kszta³t litery ìUî, tak

aby zwora odstawa³a o†ok. 5mm

od powierzchni p³ytki. Po wyko-

naniu w†radiatorze otworÛw na

úrubki mocuj¹ce triaki, przykrÍca-

my je do radiatora stosuj¹c pod-

k³adki z†miki i†tulejki izolacyjne.

Nie muszÍ chyba dodawaÊ, jakie

konsekwencje poci¹gnÍ³oby za so-

b¹ niezastosowanie elementÛw

izolacyjnych! Dopiero po przykrÍ-

ceniu triakÛw do radiatora naleøy

je przylutowaÊ do p³ytki, a†radia-

tor przykleiÊ do jej powierzchni

za pomoc¹ kleju silikonowego.

3. Trzeci¹ moøliwoúci¹ jest

zamocowanie triakÛw na osobnym

radiatorze i†po³¹czenie ich z†p³yt-

k¹ odpowiednio d³ugimi przewo-

dami. To rozwi¹zanie umoøliwia

najbardziej efektywne ch³odzenie

triakÛw, a†tym samym przenosze-

nie przez przekaünik duøych ob-

ci¹øeÒ. W†tym rozwi¹zaniu moøe-

my zastosowaÊ jeden radiator

i†podk³adki izolacyjne, a takøe

trzy, odizolowane od siebie, ra-

diatory.

Czytelnicy, ktÛrzy bÍd¹ ogl¹-

daÊ p³ytkÍ obwodu drukowanego

przekaünika, zauwaø¹ z†pewnoú-

ci¹ dziwaczne wykonanie úcieøek,

przez ktÛre bÍdzie p³yn¹³ pr¹d

obci¹øenia. åcieøki te celowo nie

zosta³y pokryte mask¹ i w pro-

cesie technologicznym zosta³y po-

cynowane, podobnie jak punkty

lutownicze. Umoøliwia to przylu-

towanie do tych úcieøek odcinkÛw

grubej srebrzanki lub drutu mie-

dzianego, co pozwoli na wyko-

rzystywanie uk³adu przy duøych

pr¹dach obci¹øenia.

Uk³ad zmontowany ze spraw-

dzonych elementÛw nie wymaga

jakiegokolwiek uruchamiania ani

regulacji i†natychmiast dzia³a po-

prawnie. Aby sprawdziÊ jego dzia-

³anie nie jest nawet potrzebna

instalacja trÛjfazowa - moøemy

wejúcia A, B†i†C†uk³adu do³¹czyÊ

do jednej fazy.

Zbigniew Raabe, AVT

R7, R8, R9: 100k

Ω

R11, R12, R13: 560

Ω

R14, R15, R16: 3,3k

/2W

R17, R18, R19: 22k

Kondensatory

C1, C3: 100nF

C2: 220

F/25V

C6, C5: 22

F/16V

C7, C11, C12, C13: 2,2

F/50V

C8, C9, C10: 220nF/400V

Półprzewodniki

D1, D2, D3: 1N4005 lub

odpowiednik

D4, D5, D6: 1N4148 lub

odpowiednik

IC3, IC4, IC5: CNY17

IC1: 7809

IC2: 4001

BR1: mostek prostowniczy 1A/50V

Q1, Q2, Q6: MOC3040

Q3, Q4, Q5: BT136/500 lub

odpowiednik

T1: BC548 lub odpowiednik

Różne

JP1, JP2: dwa goldpiny + jumper

TR1: TS2/15

Z1, Z2, Z3, Z4, Z8: ARK2/500

Z5, Z6, Z7: ARK2/350

3 podkładki mikowe + tulejki

izolacyjne

Uwaga: Radiator nie wchodzi

w skład kitu.

spowoduje wy³¹czenie diod opto-

triakÛw i†natychmiastowe odciÍ-

cie dop³ywu pr¹du do sterowane-

go przez nasz przekaünik urz¹dze-

nia. Zanik napiÍcia na wejúciach

A†i/lub B†spowoduje wy³¹czenie

diod nadawczych transoptorÛw

IC3 i†IC4. Konsekwencj¹ tego fak-

tu bÍdzie powstanie stanu wyso-

kiego na jednym lub obu we-

júciach bramki IC2B i†wymuszenie

stanu wysokiego na wejúciu

8†bramki IC2C. Tranzystor T1

przestanie przewodziÊ i†diody

w†strukturach optotriakÛw zostan¹

wy³¹czone.

OmÛwiony wyøej uk³ad zabez-

pieczania odbiornika energii przed

skutkami zaniku jednej z†faz nie

zawsze jest potrzebny. Naleøy go

wykorzystywaÊ g³Ûwnie przy ste-

rowaniu trÛjfazowymi silnikami

pr¹du przemiennego, np. silnika-

mi od pomp hydroforÛw. Jeøeli

Montaø i†uruchomienie

Na rys. 2 przedstawiono roz-

mieszczenie elementÛw na p³ytce

drukowanej, ktÛrej mozaika znaj-

duje siÍ na wk³adce wewn¹trz

numeru. Montaø uk³adu wykonu-

jemy w†typowy, wielokrotnie oma-

wiany sposÛb, rozpoczynaj¹c od

elementÛw o†najmniejszych gaba-

rytach, a†koÒcz¹c na wlutowaniu

w†p³ytkÍ transformatora sieciowe-

go. Problemy wyst¹pi¹ jedynie

przy montaøu triakÛw. Elementy

te moøemy zamontowaÊ na trzy

sposoby:

1. WlutowaÊ je w p³ytkÍ bez

stosowania radiatora, tak jak

w†uk³adzie modelowym. Jest to

rozwi¹zanie najprostsze, ale znacz-

nie ograniczaj¹ce przenoszone

przez triaki pr¹dy. W†zasadzie

Elektronika Praktyczna 12/97

R10: 10k

C4: 470

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: