Тиристорная оптопара, или об одной особенности оптотиристора, которая в действительности таковой не является

Рейтинг:  5 / 5

Подробности

Категория: статьи

Опубликовано: 02.04.2017 20:56

Просмотров: 14049

Е.Л. Яковлев, г. Ужгород
Человеку свойственно ошибаться. В подавляющем большинстве случаев из этого не стоит делать трагедию. Просто, надо разобраться в причинах ошибки, чтобы впредь не повторять ее самому и не дезинформировать других, а также иметь смелость признать свою ошибку. Это своеобразная плата за нее. Оптопары как элемент гальванической развязки в последние годы стали весьма распространенными в технике. Этому способствовало удешевление технологии их производства, облегчение доступа отечественных производителей и радиолюбителей к рынку радиокомпонентов запада. Розничные цены на оптопары стали доступными. Как известно, оптопара представляет собой совокупность в одном корпусе излучающего светодиода и силового коммутирующего элемента. В данной статье рассмотрена одна из разновидностей тиристорных оптопар для коммутации переменного тока - оптосимистор.

Характерными представителями таких компонентов являются, например, импортные оптопары МОС3021-МОС3023, МОС3041-МОС3043, МОС3061-МОС3063 и устаревшие, снятые с производства отечественные оптопары АОУ160А.
Принцип работы этих оптопар общеизвестен -управляющий элемент (светодиод), получив питание, излучает инфракрасный свет. Свет возбуждает планарную конструкцию выращенного на кристалле симистора, который переходит во включенное состояние со всеми вытекающими отсюда «последствиями». Выходной симистор оптопары имеет такие же особенности, как и его дискретный аналог. В частности, он имеет лишь два устойчивых состояния: или выключен и не проводит ток, или включен. Управление симистором производит светодиод оптопары. Изменяя ток через светодиод, можно изменять силу его свечения, но исполнительный симистор оптопары включается, как и любой симистор, только дискретно, т.е. он не может «приоткрыться» чуть-чуть или «слегка» запереться.
Не достиг ток через излучающий светодиод определенной величины для конкретного экземпляра оптопары, и оптосимистор находится в непроводящем состоянии.
Впервые «альтернативная» трактовка принципа управления оптосимистором была предложена в статье [1]. Увы, экспериментальная проверка схемы показала ее неработоспособность [2].
Ошибки возможны у всех. Настораживает, когда они повторяются. Так, просматривая журналы прошлых лет, обнаружилось, что та же идея поведения симисторной оптопары была использована автором в своей конструкции несколько лет назад [3]. Пришлось экспериментально проверить заявленные в этих статьях особенности тиристорных оптопар. Для этого был собран макет по схеме рис.1.
 
 Внешний вид макета показан на фото 1.
 
На нем исследовались в основном оптопары МОС3021-МОС3023. Выбор этого типа радиокомпонентов для исследования объясняется, в первую очередь, их широким распространением в практике радиолюбителей. Сами оптопары вставлялись в панельку, изготовленную из 8-штырьковой для микросхем. Сейчас доступны и оптопары МОС3041-МОС3043, МОС3061-МОС3061, но они имеют внутри корпуса узел синхронизации момента включения с нулем переменного напряжения, поэтому в данном случае от них пришлось отказаться.
Оптопары АОУ160А не удалось достать для экспериментов ни в Киеве, ни в Москве, ни в Минске.
Пользуясь случаем, еще раз выражаю благодарность сотрудникам редакций журналов «Радиоаматор», «Радио», «Радиолюбитель» и «Радиомир» за попытку оказания помощи в приобретении АОУ160А для экспериментов. Как выяснилось, эти оптопары морально устарели, давно не выпускаются и отсутствуют в продаже в торговой сети и на радиорынках даже столичных городов.
Всего экспериментально были сняты характеристики более десяти экземпляров МОС3021-МОС3023, проверены и другие типы оптопар.
 
В схеме рис.2 трансформатор Т1 понижает сетевое напряжение примерно до 15В. Диод VD1 выпрямляет переменное напряжение вторичной обмотки трансформатора Т1 и заряжает конденсатор фильтра С1. Интегральный стабилизатор DA1 типа 78L05 стабилизирует напряжение на уровне 5 В и заряжает конденсатор С2. Далее это напряжение через подстроечный резистор R2, ограничительный резистор R3 и миллиамперметр РА1 подается на излучающий светодиод исследуемой оптопары U1.
В качестве РА1 использовался широко распространенный среди радиолюбителей тестер DT-830B на пределе измерений 20 мА. Через резистор R1 к вторичной обмотке трансформатора Т1 подключались светодиоды HL1 (красного цвета свечения) и HL2 зеленого цвета свечения). Цепь замыкалась через симистор оптопары U1. Светодиод HL1 предназначен для индикации положительной полуволны тока через R1 и оптосимистор U1, а светодиод HL2 - отрицательной.
Положение движка сопротивления R2 плавно регулировалось так, что величина сопротивления R2 изменялась от максимального значения (3,3 кОм) до нуля. При токе 2...4 мА оптосимистор включался. Каждый из светодиодов (HL1, HL2) индицировал свечением протекание через оптосимистор «своей» полуволны переменного тока. Эксперименты показали, что современные оптосимисторы очень чувствительные, а их чувствительность к раз-личным полуволнам переменного тока неодинакова. На графике рис.2 показаны характеристики трех образцов оптопар МОС3023. Оказалось, что оптопары имели не только разную чувствительность, но и разную «склонность к отпиранию» в зависимости от полярности переменного напряжения на выходной цепи. Максимальный разброс чувствительности к различным полуволнам переменного напряжения не превышал 7... 10 мВ.
При этом отключение оптосимисто-ра происходило при несколько меньшем токе, чем его включение, т.е. наблюдался гистерезис, а ширина его зоны была индивидуальной для всех образцов оптопар.
Показанные на рис.2 графики свидетельствуют об ошибочности теоретических предпосылок автора [1, 2] в отношении работы тиристорных оптопар. Оптосимистор так же, как и любой дискретный симистор, - ключевой элемент со строго конкретными и нерегулируемыми порогами включения и выключения. Принципы регулирования тока в цепи тиристора или напряжения на его нагрузке стандартные и широко известные в электронике. Как «оживить» схему [1], рассказывалось,
например, в статье [3].
Схема [2] была более ранней по дате опубликования, но с ней удалось ознакомиться несколько позднее. В ней тоже оказалось много спорных технических моментов. Так, например, вызывает сомнение возможность подавления всплесков напряжения в сети цепочкой HL2R9. Для облегчения читателям рассмотрения вопроса схема [3] повторена на рис.3 настоящей статьи.
 
В действительности светодиод HL2 не может поглощать всплеск напряжения в сети. Это объясняется наличием в его цепи балластного резистора R9.
Даже если бы сопротивление светодиода стало равным нулю, то это было бы равносильно всего лишь шунтированию нагрузки устройства резистором R9 36 кОм. Эта величина одного порядка с емкостным сопротивлением конденсатора С10.
Есть ряд сомнений в работе и основных узлов схемы [2]. Если в данном случае абстрагироваться от самой идеи защиты от помех, то следует обратить внимание на утверждение автора, что напряжение на выходе таймера DA1 увеличивается до номинального значения за 10...30 мс. Чтобы дало относительно плавное нарастание выходного напряжения таймера, если при частоте промышленной сети 50 Гц время одного полупериода составляет 10 мс, а плавное изменение тока через излучающий светодиод оптопары не может приводить к плавному отпиранию ее выходного тиристора или симистора (ключевого элемента)?
Если даже временно «закрыть глаза» на этот момент, то «упираемся» в техническую проблему схемы. По заявленному алгоритму работы устройства тиристор VS1 отпирается постепенно. Значит, напряжение на первичной обмотке трансформатора (от сетевого адаптера 220 В / 5...8 В) будет также постепенно уменьшаться и через 10...30 мс, когда тиристор полностью отопрется, станет равным нулю. Все сетевое напряжение (или почти все) будет приложено теперь к нагрузке схемы (ХТЗ-ХТ4). Не будет напряжения на первичной обмотке трансформатора Т1 - вскоре прекратится и питание излучающего светодиода оптопары VU1. В момент перехода сетевым напряжением через нуль выключится тиристор VS1.
С целью обеспечения достаточно высокого коэффициента полезного действия устройства необходимо, чтобы тиристор VS1 отпирался не более чем при 20 В в сети. Значит, напряжение на вторичной обмотке трансформатора Т1 в режиме
работы нагрузки с учетом заявленного автором коэффициента трансформации Т1 не может превысить 0,5 В. Светодиод оптопары при таком напряжении обесточен, а оптотиристор VU1 в момент перехода сетевым напряжением через нуль выключится и больше не включится, вернее, не включится для разрешения питания нагрузки. Возобновится процесс запуска схемы отпирания оптопары VU1, как после первичного включения всей схемы в сеть. Через некоторое время - повторное «постепенное» включение силового тиристора VS1, потом повторное его отключение и т.д.
Схема рис.3 не макетировалась, поскольку воспользоваться рисунком печатной платы [3, рис.2] не представлялось возможным из-за наличия в нем ошибок. На рисунке, например, изображены три точки, не имеющие соединения с дорожками платы...
Итак, ошибки в публикациях [1,2] действительно были, но в этом нет трагедии. Просто, надо в них разобраться и впредь более тщательно подходить к экспериментальной проверке своих предложений. В настоящее время редакции всех радиолюбительских журналов не имеют возможности поводить проверку получаемых материалов и всецело полагаются на своих авторов.
Нас учили, что критерием истины является практика, но только с годами начинаешь понимать это...
PA №1, 2011г.
Литература
1.  Коновалов В. Устройство снижения шума электродвигателя // Радиомир. - 2009. -№11.-С.16-17.
2.  Яковлев Е.Л. Схема управления двигателем компрессора бытового холодильника // Радиоаматор. - 2010. - №7-8. - С.52-56.
3.  Коновалов В. Защита холодильника от импульсных помех // Радиомир. - 2007. - №5. -С.14-15.