Confusión con disparo TRIAC y punto de cruce por cero

Descripción general

Los detalles del control de ángulo de fase y cruce por cero han sido discutidos por otros. Un paso atrás puede ayudar a comprender el proceso de decisión.

• El uso de triacs para ajustar la alimentación de CA es una forma de PWM (modulación de ancho de pulso) de una fuente de alimentación de CA.
• Está sujeto a la restricción de que, una vez encendido, el triac continuará conduciendo hasta el final del medio ciclo.
• Usando el control de ángulo de fase podemos obtener un control de sub-medio ciclo de la potencia. El control de potencia es infinitamente ajustable.
• Usando el control de encendido/apagado de cruce por cero, solo podemos obtener el control ciclo por ciclo. Si tuviéramos que usar esto con un período de tiempo de ciclo de trabajo de 10 ciclos, entonces solo podemos ajustar la potencia en pasos del 10%. (Sí, los pasos de medio ciclo también son posibles).

Si la respuesta física a la aplicación de energía es lenta (una carga térmica, por ejemplo), podemos usar el control de encendido y apagado durante un período prolongado. Esto es similar a encender y apagar un relé para controlar un calentador, pero con la ventaja de que con el control de cruce por cero reducimos en gran medida la EMI (interferencia electromagnética) y evitamos la interferencia de radio y televisión, así como también reducimos en gran medida el riesgo de interferencia con nuestro circuito de control.

Elegir una estrategia de control

Figura 1. Árbol de decisión tipo SSR.

La Figura 1 muestra el proceso de decisión para el tipo de control.

• Si se va a atender una respuesta rápida, entonces se requiere el control del ángulo de fase usando un triac o un SSR sin cruce por cero.

Control de ángulo de fase

Figura 2. Formas de onda de control de ángulo de fase completa.

Control de ciclo de trabajo de onda completa/encendido-apagado

• Si una respuesta más lenta es adecuada, entonces el control de encendido y apagado será adecuado. Si se utiliza un SSR listo para usar con control de cruce por cero incorporado, no se requiere ningún circuito adicional. De lo contrario, el controlador debe monitorear el voltaje y cambiar el triac casi al cruce por cero.

Figura 3. Control de tiempo de encendido y apagado proporcional. Tenga en cuenta que el tamaño del paso es un mínimo de medio ciclo. Esto puede hacer que la respuesta parezca tosca si el tiempo de repetición es breve.

la pregunta inicial

Lo que me cuesta entender es que, si se inyectan disparos al TRIAC muy cerca de los puntos de cruce por cero, ¿cómo se logra entonces el control total de la potencia entregada a la carga? Quiero decir, si el disparo siempre está cerca del punto de cruce por cero, ¿cómo se puede reducir la potencia promedio a, digamos, 50% o 60%?

Como se muestra en la Figura 3. Aquí, la potencia de salida efectiva es de alrededor del 25 %.

SSR

Figura 4. Un SSR de grado industrial típico de Crydom . Estos están disponibles en versiones de cruce por cero y sin cruce por cero. (Elegí la imagen incorrecta: esta tiene una entrada de control de CA. Un tipo de entrada de CC sería más normal.

Con un SSR listo para usar con detección de cruce por cero incorporada, el circuito de control no necesita estar al tanto de la forma de onda de la red. Envía el comando de activación y el SSR se encarga de hacer referencia a la red eléctrica.

Si el circuito de control también tiene que gestionar la temporización de cruce por cero, se requiere una señal de referencia de red para la sincronización. Esto puede ser incómodo (como lo demuestran las muchas preguntas sobre el tema en este sitio) ya que involucra la red eléctrica y el tablero de control.

El funcionamiento interno de los dispositivos de cruce por cero SSR es bastante interesante. Explico la operación en respuesta a Uso de corriente alterna para activar Triac .

Ejemplos

• Atenuador de lámpara: Para evitar el parpadeo se utiliza el control de fase.
• Control de velocidad del motor: Para evitar vibraciones/sacudidas, se utiliza el control de fase.
• Calentador, vitrocerámica de cocina doméstica: La respuesta térmica de la vitrocerámica y la sartén es lenta. El control de encendido y apagado con tiempo de ciclo de 20 s es adecuado.
• Calentamiento de agua caliente: la respuesta térmica es lenta (minutos). El control de encendido y apagado es adecuado.

Solicite una aclaración, si es necesario.

Cuando se aplica el disparo durante el cruce por cero, las formas de onda no serán como las que ha publicado en su pregunta.

El cruce por cero asegura que el tistor esté encendido durante el voltaje mínimo, pero no sugiere cuándo se apagará el tistor. Para lograr, digamos, el 50 % de la potencia de la carga, el controlador de disparo podría encender el tistor de tal manera que, de 1000 ciclos completos de CA, solo se entreguen 500 ciclos completos a la carga.

Esto no es control de fase como estás pensando. Las ondas en su publicación son control de fase, la onda está cortada. Pero cuando se usa el cruce por cero cada vez que se enciende el Thrystor, se permiten ciclos completos de CA en la carga.

Puedo agregar que la conmutación de medio ciclo completo de un triac en los modos que están diseñados para reducir al mínimo la EMI generada utilizará un método diferente para controlar la potencia de una carga. Por ejemplo, es común utilizar un sistema en el que se utiliza un período completo de 16 ciclos como base de un período de tiempo PWM. Luego, la carga se enciende de 0 a 32 medios ciclos para establecer 32 pasos de suministro de energía a la carga.

Este esquema funciona bien para aplicaciones de tipo de control térmico donde la constante de tiempo de la masa térmica del sistema se puede medir en segundos, si no en minutos. La idea de conmutación de medio ciclo no funciona para aplicaciones como el control de brillo de iluminación porque se notará un parpadeo significativo de las luces.

Luego está la aplicación de tipo encendido/apagado de carga básica en la que no se pretende un nivel de potencia real. La carga está ENCENDIDA o APAGADA. Para esto, la detección de cruce por cero simplemente se usa para establecer cuándo la carga debe estar encendida. (Recuerde que el triac se apagará solo al final de un medio ciclo de CA).

Cuando se usa el control de fase del triac para ajustar el brillo de una lámpara o la cantidad de energía entregada a la carga, la detección de cruce por cero se usa simplemente para establecer un sincronismo con la forma de onda de la línea de CA. En la conmutación de carga normal del triac, el triac se apagará solo (si hubiera estado encendido) en el momento en que el voltaje de la línea de CA caiga a un nivel por debajo del umbral de voltaje de mantenimiento mínimo de la pieza. Para poder controlar el ángulo de fase de cuándo volver a activar el triac, el circuito de activación usará un retraso desde el último cruce por cero para realizar la reactivación. Esto quiere hacerse de manera consistente para que se pueda lograr un nivel de brillo constante o potencia entregada.

El cruce por cero en el control de fase triac no es en absoluto una estrategia de reducción de EMI. Para reducir la EMI en un modo de conmutación triac donde se usa el control de fase, se aplican otras técnicas. Una cosa es colocar un circuito amortiguador en la carga para suavizar el tiempo de aumento del voltaje de encendido para que se genere menos EMI.

Lo que me cuesta entender es que, si se inyectan disparos al TRIAC muy cerca de los puntos de cruce por cero, ¿cómo se logra entonces el control total de la potencia entregada a la carga?

no lo es Solo como encendido/apagado del ciclo de trabajo. Para elementos calefactores grandes, esto no es un problema, pero si necesita un cambio rápido de la potencia en la salida, es posible que necesite un control de ángulo de fase (encendido aleatorio del triac, sin cruce por cero). Al hacer control de ángulo de fase (atenuador), necesita un filtro EMI adicional que no es necesario cuando se usa cruce por cero.

Discusión práctica de conmutación de voltaje cero y conmutación de fase utilizando un TRIAC en un circuito de corriente alterna de 230 voltios y 50 Hz. Los detalles no son importantes, trata de ver el panorama general.

Una bombilla anticuada de 230 voltios y 100 vatios tiene una resistencia de filamento de alrededor de 40 ohmios a temperatura ambiente. Conecte la red eléctrica de 230 voltios de CA a la bombilla y consumirá/pasará más de 5 amperios, lo que implica que la bombilla tiene una potencia nominal superior a 1 000 vatios.

El filamento de la bombilla funciona a 2 500 grados C cuando está completamente encendido, lo que aumenta la resistencia a más de 500 ohmios, por lo que la corriente cae a menos de ½ amperio. ¿Cuánto tiempo tarda el filamento en alcanzar esta temperatura? ¡Más rápido de lo que el ojo puede ver!

No es bueno que un filamento reciba un choque térmico como este y una forma de reducirlo es dejar más tiempo para el calentamiento del encendido.

Si fuéramos lo suficientemente rápidos, podríamos esperar el ciclo de la red y, cuando pasa por cero, encender rápidamente el interruptor, pero un TRIAC es lo suficientemente rápido. Al cambiar cerca del punto de cruce por cero, el voltaje está cerca de cero, por lo que la corriente está cerca de cero y esto ayuda a reducir el ruido de conmutación o EMI, así como el choque térmico en algunos casos, como el filamento de una bombilla.

¡Pero incluso cuando se cambia a cero, el filamento recibirá un voltaje creciente de 0 a 325 voltios en cuestión de 5 milisegundos! Esto es mucho mejor que golpear cerca del voltaje máximo, pero aún hay un método mejor. ¿Qué pasaría si pudiera aplicar solo 10 voltios por un corto tiempo, luego 20 voltios por un corto tiempo y aumentar gradualmente el voltaje para que haya mucho más tiempo para calentar el filamento?

Este es un ejemplo en el que el control de fase resulta útil. Un TRIAC puede encenderse cuando hay un voltaje a través de él y si una corriente puede fluir a través de él. Si la corriente se detiene, el TRIAC se apagará solo. Esto es lo que sucede en el punto de cruce por cero de la red. La corriente cae a cero cuando el voltaje cambia de polaridad y el TRIAC se apaga solo.

Ahora que sabemos cómo apagarlo, ¿cuándo se enciende para aumentar lentamente el voltaje en la carga? Si desea solo 10 voltios en la carga, espere hasta que el voltaje de la red disminuya hacia cero y cuando llegue a 10 voltios antes de cero, active el TRIAC. Permanecerá encendido por un tiempo muy corto porque el voltaje está cayendo rápidamente a cero, donde el TRIAC se apagará solo.

Como sube el voltaje en la polaridad opuesta, no encienda a (los primeros) 10 voltios, es demasiado pronto. Espere a que el voltaje suba y baje y justo antes de que llegue a cero, vuelva a encenderlo. Si enciende una bombilla como esta, apenas se encenderá, pero aumente lentamente el voltaje al que activa el TRIAC y conducirá más y más. Esto es lo que hacen la mayoría de los atenuadores de luz.

El truco consiste en calcular la posición de encendido antes del próximo punto de cruce por cero. En la práctica, usa un temporizador en lugar de un voltaje. Tome un temporizador de 16 bits con un reloj de 2 MHz, que es común en los microcontroladores modernos.

Un medio ciclo a 50 Hz es de 10 milisegundos y el temporizador contará hasta 20 000 en este tiempo, luego ocurrirá el siguiente cruce por cero. Para el control de fase, el punto de activación es el número de conteos antes de llegar a 20 000. Hay varias formas de hacerlo. Un método simple, no siempre ideal, es usar el desbordamiento del contador para generar una interrupción y activar el TRIAC en el código de interrupción. Esto significa que el temporizador debe preestablecerse con un valor cercano al conteo completo.

Para obtener un desbordamiento después de 10 000 conteos, reste 10 000 del conteo completo (65 536 – 10 000) y precargue el temporizador con este valor en cada cruce por cero. El temporizador comenzará 55 536 y 10 000 conteos más tarde, se generará una interrupción de desbordamiento.

Al exceder la capacidad de un contador de 16 bits, se forma un acarreo y se puede seleccionar para activar una interrupción. La interrupción se usa para detener otros procesos y tratar inmediatamente con el disparador del TRIAC; de lo contrario, si se permite que se ejecute otro software, la temporización del disparador del TRIAC se estropeará. La interrupción dice, tengo que hacer esto rápidamente, y luego puedes continuar con lo que estabas haciendo.

Para concluir, los TRIAC no se usan con frecuencia en los circuitos de CC porque la corriente nunca se detiene, por lo que no es fácil apagar el TRIAC. Hay excepciones como un circuito de protección de palanca. El TRIAC o SCR se encuentra en el suministro de CC, justo después de un fusible. Si se activa el TRIAC, provocará un cortocircuito en el suministro y quemará rápidamente el fusible. Cuando el fusible se funde, la corriente se interrumpe y el TRIAC se apaga antes de que se fume y proteja el circuito al mismo tiempo.

Solía ​​haber aplicaciones más complicadas en los circuitos de CC, pero en estos días es más fácil usar transistores que lidiar con las complicaciones de detener la corriente a través de un TRIAC en un circuito de CC sin apagar la CC.