验证双向可控硅电路

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我正在设计一种设备来切换由市电驱动的加热设备。我已经做了大量的研究，并且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，因此我想在订购PCB之前验证我的设计。这是我第一次使用电源，所以请假设我一无所知:)

要求：

  • 切换加热设备（=电阻）负载，最大功率为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：切换速率大约每5秒一次

这是原理图： 在此处输入图片说明

笔记：

  • D8是MCU引脚
  • 光耦合器和三端双向可控硅开关之间​​的电阻是1 / 4W通孔电阻，其他电阻0603
  • 5A快速熔断器
  • 串联的两个330电阻器可以使BOM更加简单
  • 双向可控硅开关市电中性

问题：

  • 首先：这里有什么我想念或忽略的东西吗？
  • 三端双向可控硅开关上的散热器对我来说还不清楚。我计算出的最大值为10C / W，可以吗？我的计算是：（最大温度-室温）/（最大舞台电压*（毫安/电压））-结点到基极的热阻（(110-25)/(1.65*(1000/230))-1.5 = ~10.35）。这是否意味着三端双向可控硅开关元件一直都处于110c，对我来说似乎有点高？。
  • 光耦合器是随机相位。相位仅对衰落的灯光等重要，对吧？相位对加热装置重要吗？
  • 是否需要缓冲电路？据我了解，这仅对感性负载有用吗？
  • 该电路的大部分位于2层1.6mm电路板的底部，顶部距离其他组件至少4mm。据我了解，爬电距离应至少为6mm，但中间的爬电距离是否相同？

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，那是完全可以的。

数据表：

任何其他技巧也将受到高度赞赏！

更新

在这里的技巧之后，我将保险丝更换为带电的（现在似乎很明显了。）并添加了缓冲器。更新了原理图： 更新了原理图

ac  opto-isolator  triac  heatsink  mains 
— 安蒂
source
您没有提到开关速率，但是如果只需要每隔几分钟打开/关闭一次，则使用（5V或12V）继电器来确定电路的安全性可能会更容易。选择继电器并驱动它应该有很多信息。
— Brian Drummond 2013年
Brian：切换速度超过每隔几分钟，接近每5秒一次。我也不想中继的噪音
— Antti
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在110V（假设固定电阻）的情况下，这将是250W的奇数...
— Brian Drummond 2013年
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您是否有融合中性线而不是线路的特定原因？
— Photon
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您原始架构中的参考标记选择不当。无需告诉读者R1已链接到光耦合器（“ opto-R1”），只需将其命名为“ R1”即可。但是在更新的原理图中，您完全删除了参考，这甚至更糟。如果我想讨论330R电阻，则无法解释我的意思。组件始终带有参考。
— amadeus

Answers:

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  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更大的值。

  2. 保险丝应始终在线路中-决不能仅在零线中。（将两者融合都可以。）如果仅对中性线进行融合，由于在大多数辖区中，中性线已接地，因此您仍有一条从线路到地的路径。危险，可能致命。

  3. 本质上，您的加热器负载很可能是电感性的，因此您应该考虑数据手册第6页上所示的电阻-电容-电阻门方案，以使门不敏感。如果不需要电容器，以后总是可以不填充电容器。

  4. 该设备（不带散热器）的结至环境电阻为60K /W。由于三端双向可控硅开关元件导通时，您的1000W加热器将吸收约4.34A的电流，因此在230VAC时约为7W，在100VAC时约为16.5A。您肯定需要一个散热器:)

— 亚当·劳伦斯
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MCU引脚可以提供高达40mA的电流，所以我认为我不需要MOSFET吗？我将保险丝移至带电端子，事后看来这很明显。我还按照数据表中的内容添加了缓冲电路（仍然不确定数值）。更新的原理图已添加为对问题的编辑。谢谢！
— Antti
即使该引脚可以提供电源，通常也应将功耗转移到微控制器之外。您不一定想要/不需要的多余热量。
— 亚当·劳伦斯
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将线路和中性线熔合真的可以吗？如果仅中性线侧保险丝烧断，则（现在为“死”）设备上仍具有致命电源。
— Bobbi Bennett
如果线路与机箱/接地之间出现故障，仍然可以提供保护，并且在任何情况下最终用户都不得接触致命电压。
— 亚当劳伦斯
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国家电气法规，第404条（开关）：开关或断路器不得断开电路的接地导体（中性线）。
— Bobbi Bennett
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我将其作为答案，因为我的评论似乎已被列入清单。

为什么要切换（并融合）中性？那不安全。即使“关闭”，您的加热器也将具有电源电压。

当然，要在电源上加一个机械开关，所以您可以确定所有开关都是开或关。

沿着同样的线路，低压侧的接地路径应与电源接地牢固连接。想象一下，如果杂散的电线或其他东西掉落在光隔离器上会发生什么情况。它会安全失效吗？还是将低压侧置于电源电位？您希望它通过熔断保险丝而失效。

— 鲍比·贝内特
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推荐使用缓冲器有几个原因。

  • 降低开关寄生电感产生的电压幅度。（出口）这样可以减小双向可控硅击穿电压的电压应力。每当切换长线时，就在切换电感。OPto具有推荐的缓冲器设计。在三端双向可控硅开关上使用类似的晶体管。

  • 使用线路电感和缓冲电容将其降低至线路尖峰dv / dt，以防止三端双向可控硅开关元件误触发。

同时驱动LED指示灯和IR LED指示灯没有问题，因为MCU可以提供或吸收20mA的电流，而Opto仅需要10mA的电流就能可靠地进行开关。

但是，当您使用5V稳压器时，无需并行驱动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交流和直流轨道之间保持>> 5mm的安全间隙。

您的5V电压是浮动的还是接地的？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传感器信号进入，并且可能需要一个小的DC到AC接地的AC电容。您不希望烤箱开关进入您的MCU信号。铁氧体磁珠有时用于交换线路。

如果总Rth ja为10'W，则意味着在根据质量和AIR速度变化的热时间常数后，三端双向可控硅开关元件将在110'C的温度下工作。我建议您的散热器的温度接近5'C / W，并加上三端双向可控硅开关的Rj-c，以获得热敏电阻。也请使用带有少量散热片的润滑脂。

— 托尼·斯图尔特Sunnyskyguy EE75
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