Validar circuito Triac

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Estoy diseñando un dispositivo para cambiar un dispositivo de calefacción accionado por la red eléctrica. He investigado bastante y me doy cuenta de que hay mucha información por ahí, pero como estoy tratando con CA potencialmente mortal, me gustaría validar mi diseño antes de ordenar PCB. Esta es la primera vez que trabajo con la red eléctrica, así que supongamos que no sé nada :)

Requisitos:

  • Cambiar una carga de dispositivo de calentamiento (= resistiva), hasta 1000W
  • Compatible con 110-240 V, 50 y 60 Hz.
  • Impulsado por 5v MCU (ATMega328)
  • No es necesario aprobar normas, etc., pero absolutamente debe ser seguro.
  • editar: velocidad de conmutación aproximadamente una vez cada 5 segundos

Aquí está el esquema: ingrese la descripción de la imagen aquí

Notas:

  • D8 es el pin MCU
  • La resistencia entre el optoacoplador y el triac es una resistencia de orificio pasante de 1/4 W, las otras 0603
  • 5A fusible rápido
  • Las dos resistencias 330 en serie están ahí para mantener la lista de materiales más simple
  • El triac cambia a la red neutral

Preguntas:

  • En primer lugar: ¿hay algo aquí que me haya perdido o que haya pasado por alto?
  • El disipador térmico en el triac no está claro para mí. He calculado un valor máximo de 10C / W, ¿está bien? Mi cálculo es: (temperatura máxima - temperatura ambiente) / (tensión máxima en el escenario * (miliamperios / tensión)) - unión a la resistencia temática base ( (110-25)/(1.65*(1000/230))-1.5 = ~10.35). ¿Significa esto que el triac estará a 110c todo el tiempo, me parece un poco alto? Idealmente, tendría un disipador de calor más pequeño, así que espero que esto esté mal :)
  • El optoacoplador es de fase aleatoria. La fase solo es importante para luces que se desvanecen, etc., ¿verdad? ¿Importa la fase para un dispositivo de calentamiento?
  • ¿Se requiere un circuito amortiguador? Por lo que entiendo, ¿esto solo es necesario para cargas inductivas?
  • La mayor parte de este circuito está en la parte inferior de una placa de 1.6 mm de 2 capas con otros componentes a una distancia mínima de 4 mm en la parte superior. Por lo que entiendo, la distancia de fuga debe ser de 6 mm como mínimo, pero ¿es lo mismo con el tablero en el medio?

Necesito pedir las piezas de todos modos, así que si tiene sugerencias para intercambiar componentes, está totalmente bien.

Hojas de datos:

¡Cualquier otro consejo o truco también es muy apreciado!

ACTUALIZAR

Después de los consejos aquí, cambié el fusible para vivir (parece obvio ahora ...) y agregué los amortiguadores. Esquema actualizado: Esquema actualizado

ac opto-isolator triac heatsink mains Antti
fuente
No ha mencionado la velocidad de conmutación, pero si solo necesita encender / apagar cada pocos minutos, puede ser más fácil estar seguro de la seguridad de su circuito utilizando un relé (5V o 12V). Debe haber mucha información sobre cómo elegir un relé y conducirlo.
Brian Drummond el
Brian: La velocidad de cambio es mayor que cada pocos minutos, más cercana a cada ~ 5 segundos. Además, no quiero el ruido de un relé
Antti
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eso sería 250 W impar a 110 V (suponiendo resistencia fija) ...
Brian Drummond
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¿Tiene una razón específica para fusionar el neutro en lugar de la línea?
El fotón
2
Los designadores de referencia en su schmatic original fueron mal elegidos. No es necesario decirle al lector que R1 está vinculado al optoacoplador ("opto-R1"), solo llámelo "R1". Pero en su esquema actualizado eliminó los refdes por completo, y eso es aún peor. Si quiero hablar sobre la resistencia 330R, no hay forma de explicar a qué me refiero. Siempre tenga un refdes con sus componentes.
amadeus

Respuestas:

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  1. Probablemente sea más seguro que D8 maneje un pequeño MOSFET para controlar el fotodiodo en lugar de depender de la capacidad de suministro de corriente del pin GPIO. También debe proporcionar un poco más que el mínimo absoluto de 5 mA citado por la hoja de datos.

  2. Un fusible siempre debe estar en la línea, nunca solo en el neutro. (Fusionar ambos está bien.) Si fusiona solo el neutro, todavía tiene un camino de línea a tierra ya que en la mayoría de las jurisdicciones, el neutro está conectado a tierra en algún lugar. Peligroso y potencialmente letal.

  3. Lo más probable es que la carga de su calentador sea de naturaleza inductiva, por lo que debe considerar el esquema de compuerta resistencia-capacitor-resistencia que se muestra en la página 6 de la hoja de datos para desensibilizar la compuerta. Siempre puede no poblar el condensador más adelante si no lo necesita.

  4. El dispositivo (sin disipador térmico) tiene una resistencia de unión al ambiente de 60K / W. Dado que su calentador de 1000W consumiría alrededor de 4.34A de corriente cuando el triac está conduciendo, a 230VAC es ~ 7W - a 100VAC es más como 16.5A. Definitivamente necesitarás un disipador de calor :)

Adam Lawrence
fuente
El pin MCU puede generar hasta 40 mA, así que no creo que necesite el mosfet. Moví el fusible a la terminal en vivo, que en retrospectiva parece obvio. También agregué los circuitos amortiguadores como en la hoja de datos (todavía no estoy seguro de los valores). El esquema actualizado se agregó como una edición a la pregunta. ¡Gracias!
Antti
Por lo general, es una buena idea mover esa disipación de energía fuera del microcontrolador, incluso si el pin puede generar la energía. Es calor extra que no necesariamente quieres / necesitas.
Adam Lawrence
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¿Está realmente bien fusionar tanto la línea como la neutral? Si solo se funde el fusible del lado neutral, todavía hay poder letal en el equipo (ahora 'muerto').
Bobbi Bennett
Aún habrá protección si hay una falla entre la línea y el chasis / tierra, y el voltaje letal no debe ser accesible para el usuario final bajo ninguna circunstancia.
Adam Lawrence
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Código eléctrico nacional, artículo 404 (interruptores): los interruptores o disyuntores no deben desconectar el conductor a tierra (neutral) de un circuito.
Bobbi Bennett
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Estoy poniendo esto como respuesta, ya que mi comentario parece estar oculto en la lista.

¿Por qué estás cambiando (y fusionando) neutral? Eso no es seguro. Su calentador tendrá tensión de red incluso cuando esté "apagado".

Agregue un interruptor mecánico en la alimentación principal, por supuesto, para que esté seguro de que todo está encendido o apagado.

En esa misma línea, la ruta a tierra en el lado de baja tensión debe ser sólida a tierra. Imagínese lo que sucedería si un trozo de alambre suelto o cualquier otra cosa cayera a través del optoaislador. ¿Fallará a salvo? ¿O poner su lado de baja tensión al potencial de red? Desea que sea a prueba de fallas, quemando el fusible.

Bobbi Bennett
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El amortiguador se recomienda por varias razones.

  • Reduzca la amplitud del voltaje de la inductancia parásita conmutada. (Egreso) Esto reduce la tensión de tensión en el nivel de ruptura del Triac. Cada vez que está cambiando líneas largas, está cambiando la inductancia. El OPto tiene un diseño de amortiguador recomendado. Use uno igual en el Triac.

  • Reduzca a pico de línea dv / dt usando inductancia de línea y tapa amortiguadora para evitar la activación falsa del triac.

No hay problema al conducir el indicador LED y el LED IR en paralelo ya que la MCU generará o hundirá 20 mA y el Opto solo necesita 10 mA para cambiar de manera confiable.

Sin embargo, no es necesario conducir los LED en paralelo cuando se utiliza un regulador de 5V. 

- 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)

Mantenga >> 5 mm de espacio de seguridad entre todas las pistas de CA y CC utilizadas por el Optoacoplador.

¿Su 5V está flotando o conectada a tierra? No requerido. pero para las respuestas EMI, es posible que necesite un filtro de línea para evitar el ingreso a las señales del sensor MCU en la línea de entrada de CA con filtro LC y tal vez una pequeña tapa de CA de CC a tierra de CA. No desea que el cambio de su horno entre en las señales de su MCU. Las cuentas de ferrita a veces se usan en líneas conmutadas.

Si el Rth ja total es 10'W, significa que el triac estará tostado 110'C cuando esté activo después de una constante de tiempo térmico que depende de la masa y la velocidad del AIRE. Sugeriría más cerca de 5 'C / W para su disipador térmico y agregue el Rj-c del triac para obtener resistencia térmica. También use un poco de grasa con un disipador de calor pequeño.

Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
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