|
Met deze schakeling kunt u acht digitale signalen gebruiken voor het besturen van acht netspanningsbelastingen. Door gebruik te maken van optische koppelaars met zero-crossing bestaat er een absoluut galvanische en storingvrije scheiding tussen de in- en uitgangen. |
Het schema van de schakeling
De specificaties van de schakeling
- Acht op afstand te besturen AAN/UIT-schakelaars.
- Maximaal vermogen van 600 W per kanaal.
- Stuurspanning tot +18 V.
- Ieder kanaal volledig gescheiden van de andere kanalen.
- Zero-crossing schakelaars, dus geen storingen op het net.
- Slechts negen onderdelen per kanaal.
Acht maal 600 W schakelen met één print?
Acht maal 600 W vormt het respectabel vermogen van 4.799 W, goed voor ongeveer 21 A uit het 230 V net. Dat kunt u dus niet uit één 16 A groep voeden, u moet meerdere groepen of krachtstroom toepassen. Het zal duidelijk zijn dat dergelijke stromen niet met normale schakelingen en standaard printtechnieken te verwerken zijn. U moet zeer brede printsporen toepassen en bovendien moet u op de print ruimte scheppen om de drie fasen van het net naar de diverse triac's te voeren.
Dat gaan wij dus niet doen!
Gelukkig biedt de moderne elektronica een zeer eenvoudige en redelijk goedkope oplossing voor deze problemen. Er bestaan optische koppelaars waarvan de secundaire zijde niet bestaat uit een optisch gevoelige transistor, maar uit een op licht reagerende triac. In de meeste gevallen is deze triac samengesteld uit twee anti-parallel geschakelde fotogevoelige thyristoren, maar dat kan de pret uiteraard niet drukken. Belangrijk is dat u dank zij deze onderdelen een ideaal elektronisch equivalent in handen krijgt voor de oude elektromechanische schakelaar, relais genaamd. De infrarode LED uit de optische koppelaar vormt de 'spoel' en de foto-triac de 'schakelaar'.
Als u een stroom van ongeveer 10 mA door de LED stuurt wordt de triac-schakelaar bekrachtigd en u kunt dit onderdeel dan beschouwen als een gesloten schakelaar. Omdat de triac uit de koppelaar wel in staat is de 230 V van het net te schakelen, maar slechts ongeveer 100 mA stroom kan leveren, moet u een tweede triac achter de fotogevoelige triac schakelen om praktisch bruikbare vermogens te schakelen.
Zero-crossing schakelaars
Een normale triac-koppelaar schakelt de triac naar geleiding op het moment dat de LED begint te branden, dus op het moment dat u de ingangsspanning aan de schakeling legt. Op dat moment kan de netspanning toevallig maximaal zijn, met als gevolg dat er opeens een vrij hoge stroom door de secundaire schakeling gaat lopen. Dit is voorgesteld in onderstaande figuur links. Zo'n plotselinge stroomsprong veroorzaakt hoge harmonischen op de netspanning voerende geleiders, die hoogfrequente storingen introduceren. Nu ieder huis vol zit met apparaten die draadloos werken via WiFi, Bluetooth of 433 MHz communicatie kunt u dergelijke HF-storingen missen als kiespijn.
Vandaar dat men speciale triac-koppelaars heeft ontwikkeld, waarin een extra stukje elektronica zit. Dat stukje heet 'zero-crossing detection' en dit houdt in de gaten wanneer de netspanning door de nul gaat. Alleen op dát moment kan de triac worden ontstoken. Het gevolg is dat de stroom door de belasting begint met nul en dan langzaam het sinusvormige verloop van de netspanning volgt. Op deze manier worden er geen piekstromen, geen hogere harmonischen en geen storingen geïntroduceerd. Dat systeem is voorgesteld in de onderstaande figuur rechts.
Uiteraard maken wij in deze schakeling gebruik van deze optie.
 |
| Werking van triac-koppelaars zonder en mét zero-crossing. (© 2019 Jos Verstraten) |
Het schema van een van de acht kanalen is de eenvoud zelf en voorgesteld in de onderstaande figuur. Duidelijk blijken de voordelen van het gebruik van deze optische koppelaars. De secundaire kring is niet alleen volledig galvanisch gescheiden van het besturingsdeel, maar staat ook helemaal los van de secundaire delen van de overige zeven kanalen. Hetgeen tot gevolg heeft dat u de serieschakeling van de 230 V en de belasting zonder problemen over de triac kunt schakelen. Omdat er geen galvanische verbindingen bestaan tussen de acht kanalen kunt u immers ook nooit door het verkeerd aansluiten van fase en nul op de verschillende kanalen een rechtstreekse kortsluiting tussen de twee aders van het net veroorzaken.
Een tweede voordeel van deze kanaalscheiding is dat u ook zonder problemen met drie-fase voeding kunt werken.
De serieschakeling van weerstand R4 en condensator C1 wordt over de triac opgenomen om plotselinge spanningsstijgingen over de triac ietsjes af te vlakken. Een triac heeft namelijk een maximale ∆V/∆t. Stijgt de spanning over de niet geleidende triac sneller dan deze waarde voorschrijft dan bestaat de kans dat het onderdeel doorslaat.
Het primaire deel van de kanalen van de lichtschakelaar is al even eenvoudig. De minimaal 10 mA gelijkstroom voor de infrarode LED uit de optische koppelaar wordt via een als schakelaar ingehuurde transistor T1 afgeleid uit een voedingsspanning van +12 V tot +18 V. In serie met de LED uit de koppelaar is een gewone rode signaal-LED opgenomen, zodat u een indicatie hebt welke kanalen wel en welke niet worden gestuurd.
 |
| Het schema van één van de acht kanalen. (© 2019 Jos Verstraten) |
Er zijn diverse optische koppelaars met triac-uitgang en zero-crossing in de handel die gestandaardiseerde aansluitingen hebben. Hoewel het dus weinig zin heeft een specifiek typenummer voor te schrijven zij toch vermeld dat in het prototype gebruik werd gemaakt van IL410 koppelaars van Vishay. Onder andere Telefunken en Motorola hebben ook bruikbare uitvoeringen.
De bouw van de schakeling
De print en de componentenopstelling
De onderstaande figuren geven de print en de componentenopstelling van de volledige achtkanaals schakelaar. Wat onmiddellijk opvalt is de afwezigheid van brede kopersporen, deze zijn immers niet noodzakelijk omdat er maximaal slechts 3 A door één van de secundaire kanaalsporen vloeit. De triac's worden op kleine U-vormige koelplaatjes gemonteerd, de indicatie-LED's kunnen in haakse houders worden gehuisvest, zodat het geheel een nette, keurige indruk maakt.
De koelplaatjes hebben slechts één bevestigingsgat en kunnen dus ten opzichte van elkaar gaan draaien als de boutjes door herhaald opwarmen en weer afkoelen van het profiel los gaan zitten. Omdat contact tussen twee profielen een kortsluiting over het net tot gevolg kan hebben wordt deze situatie voorkomen door de profielen te borgen met behulp van kleine messing spijkertjes die door gaatjes van 1,5 mm in het profiel worden geduwd en op de los staande koperen eilandjes van de print worden vast gesoldeerd.
Denk er aan dat de condensatoren C1 een bedrijfsspanning van minstens 400 V gelijkspanning moeten hebben en nog beter 630 V.
 |
| De print van de schakeling. (© 2019 Jos Verstraten) |
 |
| De componentenopstelling van de print. (© 2019 Jos Verstraten) |
U moet de belastingen in serie met de netspanning op de kroonsteentjes UIT-1 tot en met UIT-8 aansluiten. In onderstaande figuur is voorgesteld hoe u een 230 V lamp op kanaal 1 van de print moet aansluiten.
 |
| Het aansluiten van de belastingen op de print. (© 2019 Jos Verstraten) |
ANENG Mini Digital Multimeter with Buzzer
