验证双向可控硅电路

电器工程 交流 光隔离器 双向可控硅 散热器 电源
2022-01-17 07:46:20

我正在设计一种设备来切换由主电源驱动的加热设备。我做了很多研究并意识到那里有很多信息,但是由于我正在处理可能致命的交流电,我想在订购 PCB 之前验证我的设计。这是我第一次使用电源,所以请假设我什么都不知道 :)

要求:

  • 切换加热设备(=电阻)负载,最高 1000W
  • 兼容 110-240V、50 和 60hz
  • 由 5v MCU (ATMega328) 驱动
  • 无需通过法规等,但绝对需要安全
  • 编辑:大约每 5 秒切换一次

这是示意图: 在此处输入图像描述

笔记:

  • D8 是 MCU 引脚
  • 光耦和可控硅之间的电阻是一个1/4W的通孔电阻,其他的是0603
  • 5A速断保险丝
  • 两个串联的 330 电阻可以使 BOM 更简单
  • 三端双向可控硅开关电源中性

问题:

  • 首先:这里有什么我错过或忽略的吗?
  • 三端双向可控硅开关上的散热器对我来说有点不清楚。我计算出最大值为 10C/W,这样可以吗?我的计算是:(最高温度 - 室温)/(最大台上电压 *(毫安/电压)) - 结到基极热阻(110-25)/(1.65*(1000/230))-1.5 = ~10.35)。这是否意味着双向可控硅将一直处于 110c,对我来说似乎有点高?.. 理想情况下我会有一个更小的散热器,所以我希望这是错误的 :)
  • 光耦合器是随机相位的。相位仅对淡入淡出的灯光等很重要,对吧?加热设备的相位是否重要?
  • 是否需要缓冲电路?据我了解,这仅对感性负载是必需的?
  • 该电路的大部分位于 2 层 1.6 毫米板的底部,其他组件在顶部至少 4 毫米。据我了解,爬电距离应至少为 6 毫米,但两者之间的电路板是否相同?

无论如何,我都需要订购零件,所以如果您有更换组件的建议,那很好。

数据表:

任何其他提示或技巧也受到高度赞赏!

更新

在这里的提示之后,我改变了保险丝(现在看起来很明显......)并添加了缓冲器。更新原理图: 更新原理图

4个回答
  1. 让 D8 驱动一个小型 MOSFET 来控制光电二极管可能更安全,而不是依赖 GPIO 引脚本身的电流源能力。您还应该提供比数据表中引用的绝对最小 5mA 多一点的电流。

  2. 保险丝应始终在线路中 - 绝不是仅在中性线中。(熔断两者都可以。)如果你只熔断中性线,你仍然有一条从线路到大地的路径,因为在大多数司法管辖区,中性线在某处接地。危险且可能致命。

  3. 您的加热器负载很可能本质上是电感性的,因此您应该考虑数据表第 6 页上显示的电阻-电容-电阻栅极方案来降低栅极的灵敏度。如果您不需要它,您以后可以随时不填充电容器。

  4. 该设备(不带散热器)的结到环境电阻为 60K / W。由于您的 1000W 加热器在三端双向可控硅开关导通时会消耗大约 4.34A 的电流,因此在 230VAC 时约为 7W - 在 100VAC 时它更像是 16.5A。你肯定需要一个散热器:)

我将此作为答案,因为我的评论似乎被埋在了列表中。

你为什么要切换(和熔断)中性?那是不安全的。即使“关闭”,您的加热器也会有电源电压。

当然,在电源上添加一个机械开关,这样你就可以确定一切都是打开或关闭的。

沿着同样的思路,低压侧的接地路径应该与电源接地牢固。想象一下,如果一根杂散的电线或诸如此类的东西从光隔离器上掉下来会发生什么。它会安全失败吗?或者将您的低压侧置于电源电位?您希望它通过熔断保险丝来确保故障安全。

推荐使用缓冲器有几个原因。

  • 降低开关寄生电感的电压幅度。(出口)这降低了三端双向可控硅开关击穿水平上的电压应力。每当您切换长线路时,您就是在切换电感。OPto 具有推荐的缓冲器设计。在三端双向可控硅开关上使用一个类似的。

  • 使用线路电感和缓冲帽降低线路尖峰 dv/dt,以防止三端双向可控硅开关的误触发。

并行驱动 LED 指示灯和 IR LED 没有问题,因为 MCU 将提供或吸收 20mA 电流,而 Opto 只需要 10mA 即可可靠地切换。

但是,当您使用 5V 稳压器时,无需并联驱动 LED。

- 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)

在光耦合器使用的所有 AC 和 DC 轨道之间保持 >> 5mm 的安全间隙。

您的 5V 是浮动还是接地到交流电?不需要。但是对于 EMI reawsons,您可能需要一个线路滤波器来防止进入带有 LC 滤波器的 AC 输入线上的 MCU 传感器信号,并且可能需要一个从 DC 到 AC 接地的小型 AC 电容。您不希望您的烤箱开关进入您的 MCU 信号。铁氧体磁珠有时用于开关线路。

如果总 Rth ja 为 10'W,则意味着三端双向可控硅开关在热时间常数(取决于质量和空气速度)后激活时将达到 110'C。我建议您的散热器接近 5 'C/W,并添加三端双向可控硅开关的 Rj-c 以获得热阻。还可以使用带有小散热器的一点油脂。

我正在设计一个类似的电路。

该电路中唯一缺少的是用于保护三端双向可控硅开关免受过压尖峰影响的瞬态脉冲,因此它不会受到外部瞬态的损坏。

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

也可以使用 MOV,但这似乎更优雅。