Проверить схему симистора

Я разрабатываю устройство для переключения нагревательного устройства, работающего от сети. Я провел довольно много исследований и понимаю, что есть много информации, но, поскольку я имею дело с потенциально смертельным переменным током, я хотел бы проверить свой дизайн, прежде чем заказывать печатные платы. Это мой первый раз, когда я работаю с сетью, поэтому, пожалуйста, считайте, что я ничего не знаю :)

Требования:

  • Переключение нагрузки нагревательного устройства (= резистивная) до 1000 Вт
  • Совместимость с 110-240 В, 50 и 60 Гц
  • Управляется микроконтроллером 5 В (ATMega328)
  • Нет необходимости принимать правила и т. д., но абсолютно необходимо быть в безопасности
  • редактировать: скорость переключения примерно раз в 5 секунд

Вот схема:введите описание изображения здесь

Ноты:

  • D8 — это контакт микроконтроллера.
  • Резистор между оптопарой и симистором сквозной резистор 1/4Вт, остальные 0603
  • 5А быстродействующий предохранитель
  • Два последовательных резистора 330 Ом предназначены для упрощения спецификации.
  • Симистор переключает нейтраль сети

Вопросов:

  • Прежде всего: есть ли здесь что-то, что я пропустил или упустил из виду?
  • Радиатор на симисторе мне немного непонятен. Я рассчитал максимальное значение 10C/Вт, это нормально? Мой расчет: (максимальная температура - комнатная температура) / (максимальное напряжение на этапе * (миллиампер / напряжение)) - сопротивление перехода к основанию ( (110-25)/(1.65*(1000/230))-1.5 = ~10.35). Означает ли это, что симистор все время будет на 110 ° C, мне кажется, что это немного высоко? .. В идеале у меня был бы радиатор меньшего размера, поэтому я надеюсь, что это неправильно :)
  • Оптопара имеет случайную фазу. Фаза важна только для затухания света и т. д., верно? Имеет ли значение фаза для отопительного прибора?
  • Нужна ли демпферная цепь? Насколько я понимаю, это необходимо только для индуктивных нагрузок?
  • Большая часть этой схемы находится в нижней части двухслойной платы толщиной 1,6 мм, а другие компоненты находятся на расстоянии не менее 4 мм сверху. Насколько я понимаю, расстояние утечки должно быть не менее 6 мм, но то же самое с платой между ними?

Мне все равно нужно заказать детали, поэтому, если у вас есть предложения по замене компонентов, это совершенно нормально.

Листы данных:

Любые другие советы или приемы также высоко ценятся!

ОБНОВИТЬ

После советов здесь я заменил предохранитель на живой (теперь это кажется очевидным ..) и добавил демпферы. Обновленная схема:Обновленная схема

Вы не упомянули скорость переключения, но если вам нужно включать / выключать только каждые несколько минут, может быть проще убедиться в безопасности вашей цепи, используя реле (5 В или 12 В). Информации по выбору реле и управлению им должно быть много.
Брайан: Скорость переключения больше, чем каждые несколько минут, ближе к каждым ~5 секундам. Также я не хочу шума реле
Питер: Есть предохранитель на 5 А (1000 Вт / 230 В = 4,35 А), не думаю, что мне нужно больше? Длина дорожек составляет 140 мил, что, согласно этому адресу: Circuitcalculator.com/wordpress/2006/01/31/… , подходит для 6 ампер. У меня нет таблицы данных для резистора 100R, я просто знаю, что это 1/4 Вт.
@Antti, причина, по которой я упомянул, заключалась в том, что вопрос говорит о совместимости с 110-240 В, поэтому 1000 Вт / 110 = около 9 А. Но, как уже упоминалось, если сопротивление постоянное (так что 500 Вт нечетно при 110 В), это не имеет значения.
это будет нечетное 250 Вт при 110 В (при фиксированном сопротивлении) ...
Помню, где-то читал, что не следует включать и выключать быстрее, чем за 15 секунд. Кроме того, «некоторые» электрические термостаты для плинтуса в вашем местном хозяйственном магазине имеют отдельную плату управления 5 В и плату traic . Если вы не можете напрямую использовать их, вы можете посмотреть на их плату (схемы). Они вроде 20 долларов.
Каждые 15 секунд или около того могут работать. Как я могу измерить/проверить/узнать, подходит ли более высокая скорость и безопасна ли она? Другой симистор будет лучше или это зависит от нагрузки?
У вас есть конкретная причина для плавления нейтрали, а не линии?
Как можно не возражать против переключения нейтрали??!? Когда эта штука выключена, на нагревателе все еще будет питание. Очень плохо.
Ссылочные обозначения в вашей исходной схеме были выбраны неправильно. Нет необходимости сообщать читателю, что R1 связан с оптопарой ("opto-R1"), просто назовите его "R1". Но в вашей обновленной схеме вы вообще удалили refdes, и это еще хуже. Если я хочу обсудить резистор 330R, я не могу объяснить, какой из них я имею в виду. Всегда имейте рефдес с вашими компонентами.

Ответы (4)

  1. Вероятно, безопаснее, чтобы D8 управлял небольшим полевым МОП-транзистором для управления фотодиодом, вместо того, чтобы полагаться на возможности источника тока самого контакта GPIO. Вы также должны обеспечить немного больше, чем абсолютный минимум 5 мА, указанный в таблице данных.

  2. Предохранитель всегда должен быть на линии, а не только на нейтрали. (Объединение обоих допустимо.) Если вы соедините только нейтраль, у вас все равно будет путь от линии к земле, поскольку в большинстве юрисдикций нейтраль где-то заземлена. Опасен и потенциально смертелен.

  3. Нагрузка вашего нагревателя, скорее всего, носит индуктивный характер, поэтому вам следует рассмотреть схему затвора резистор-конденсатор-резистор, показанную на странице 6 таблицы данных, чтобы снизить чувствительность затвора. Вы всегда можете не заполнять конденсатор позже, если он вам не нужен.

  4. Устройство (без радиатора) имеет сопротивление перехода к окружающей среде 60 кОм/Вт. Поскольку ваш нагреватель мощностью 1000 Вт будет потреблять около 4,34 А тока, когда симистор работает, при 230 В переменного тока это ~ 7 Вт, а при 100 В переменного тока это больше похоже на 16,5 А. Вам обязательно понадобится радиатор :)

Контакт MCU может подавать до 40 мА, поэтому я не думаю, что мне нужен MOSFET? Я переместил предохранитель на клемму под напряжением, что в ретроспективе кажется очевидным. Я также добавил демпфирующие цепи, как в таблице данных (все еще не уверен в значениях). Обновленная схема была добавлена ​​в качестве редактирования вопроса. Спасибо!
Обычно хорошей идеей является перенос рассеиваемой мощности за пределы микроконтроллера, даже если вывод может быть источником питания. Это дополнительное тепло, которое вам не обязательно нужно.
Можно ли соединить и линию, и нейтраль? Если перегорает только предохранитель на нейтральной стороне, на (теперь «мертвом») оборудовании по-прежнему остается смертельная мощность.
По-прежнему будет защита, если между линией и шасси/землей возникнет короткое замыкание, а опасное напряжение не должно быть доступно конечному пользователю ни при каких обстоятельствах.
Национальный электрический кодекс, статья 404 (выключатели): Выключатели или автоматические выключатели не должны отключать заземленный проводник (нейтраль) цепи.

Я помещаю это как ответ, так как мой комментарий, кажется, похоронен в списке.

Почему вы переключаете (и плавите) нейтраль? Это небезопасно. На вашем обогревателе будет сетевое напряжение, даже когда он «выключен».

Добавьте ко всему этому, конечно, механический выключатель питания от сети, чтобы точно знать, что все включено или выключено.

Вдоль тех же линий путь заземления на стороне низкого напряжения должен быть сплошным с заземлением сети. Представьте, что произойдет, если кусок провода или что-то еще упадет на оптоизолятор. Будет ли это безопасным? Или поставить низковольтную сторону на потенциал сети? Вы хотите, чтобы это было безопасным, перегоревшим предохранителем.

Снаббер рекомендуется по нескольким причинам.

  • Уменьшить амплитуду напряжения от коммутируемой паразитной индуктивности. (Выход) Это снижает напряжение напряжения на уровне пробоя симистора. Всякий раз, когда вы переключаете длинные линии, вы переключаете индуктивность. OPto имеет рекомендуемую конструкцию демпфера. Используйте такой же на симисторе.

  • Уменьшите линейный пик dv/dt, используя линейную индуктивность и демпфирующий колпачок, чтобы предотвратить ложное срабатывание симистора.

Нет проблем с параллельным подключением светодиодного индикатора и ИК-светодиода, поскольку MCU будет получать или потреблять 20 мА, а Opto требуется всего 10 мА для надежного переключения.

Однако нет необходимости подключать светодиоды параллельно, если вы используете стабилизатор на 5 В.

- Drop voltage in the MCU driver is ~0.6V at 10mA and **~0.8V@20mA** ( hint search thru the pdf for VOH ) 
- drop voltage for "most" RED LEDs is ~1.3V @10mA, ~1.4V@20mA
- drop voltage for the IR LED used in the Opto is 1.2V @10mA and 1.3V @ 20mA
- so choose your drive current 10 ~ 20mA, add up the drops and choose a single R instead of 3 x 330.
- e.g.add up all drops above,  **0.8 + 1.4 + 1.3 + 20mA*Rs = 5V**  
- thus Rs = 1.5/20mA = **75 ohm**  ( 30mW)
- or   0.6 + 1.3 + 1.2 + 10mA*Rs = 5V   or Rs  = 1.9/10mA = **190 Ohm** ( 19mW)

Соблюдайте безопасный зазор >> 5 мм между всеми дорожками переменного и постоянного тока, используемыми оптопарой.

Ваше 5V плавает или заземлено на переменный ток? Не требуется. но для защиты от электромагнитных помех вам может понадобиться линейный фильтр, чтобы предотвратить попадание сигналов датчика MCU на входную линию переменного тока с LC-фильтром и, возможно, небольшой конденсатор переменного тока от постоянного тока к земле переменного тока. Вы не хотите, чтобы переключение вашей духовки попадало в сигналы вашего MCU. Ферритовые бусины иногда используются на коммутируемых линиях.

Если общая Rth ja равна 10'W, это означает, что симистор будет нагреваться до 110'C, когда активен после тепловой постоянной времени, которая зависит от массы и скорости ВОЗДУХА. Я бы предложил ближе к 5 'C / Вт для вашего радиатора и добавить Rj-c симистора, чтобы получить термическое сопротивление. также используйте немного смазки с небольшим радиатором.

Я разрабатываю аналогичную схему.

Единственное, чего не хватает в этой схеме, так это переходника для защиты симистора от скачков перенапряжения, чтобы он не был поврежден внешними переходными процессами.

См. - http://www.st.com/st-web-ui/static/active/cn/resource/technical/document/application_note/CD00022856.pdf .

Также можно было бы использовать MOV, но это кажется более элегантным.