Validar circuito Triac

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Estou projetando um dispositivo para alternar um dispositivo de aquecimento acionado pela rede elétrica. Pesquisei bastante e percebi que há muitas informações por aí, mas como estou lidando com CA potencialmente mortal, gostaria de validar meu design antes de encomendar PCBs. Esta é a minha primeira vez trabalhando com rede elétrica, então assuma que não sei nada :)

Requisitos:

  • Troque a carga de um dispositivo de aquecimento (= resistivo), até 1000W
  • Compatível com 110-240V, 50 e 60hz
  • Conduzido por 5v MCU (ATMega328)
  • Não há necessidade de aprovar regulamentos, etc, mas absolutamente precisa estar seguro
  • editar: taxa de comutação aproximadamente uma vez a cada 5seg

Aqui está o esquema: insira a descrição da imagem aqui

Notas:

  • D8 é o pino do MCU
  • O resistor entre o optocoupler e o triac é um resistor de furo passante de 1 / 4W, os outros 0603
  • Fusível 5A rápido
  • Os dois 330 resistores em série estão lá para simplificar a lista técnica
  • O triac muda a rede neutra

Questões:

  • Primeiro de tudo: há algo aqui que eu perdi ou esqueci?
  • O dissipador de calor no triac não é muito claro para mim. Eu calculei um valor máximo de 10C / W, está bem? Meu cálculo é: (temperatura máxima - temperatura ambiente) / (tensão máxima no estágio * (milli amperes / tensão)) - junção para basear a resistência térmica ( (110-25)/(1.65*(1000/230))-1.5 = ~10.35). Isso significa que o triac estará em 110c o tempo todo, parece um pouco alto para mim? .. Idealmente, eu teria um dissipador de calor menor, então espero que isso esteja errado :)
  • O optocoupler é uma fase aleatória. A fase é importante apenas para luzes apagadas, etc, certo? A fase é importante para um dispositivo de aquecimento?
  • É necessário um circuito amortecedor? Pelo que entendi isso só é necessário para cargas indutivas?
  • A maior parte deste circuito está na parte inferior de uma placa de 2 camadas de 1,6 mm com outros componentes a uma distância mínima de 4 mm na parte superior. Pelo que entendi, a distância de fluência deve ser mínima de 6 mm, mas é a mesma coisa com a placa intermediária?

Preciso encomendar as peças de qualquer maneira, portanto, se você tiver sugestões para trocar componentes, tudo está bem.

Folhas de dados:

Quaisquer outras dicas ou truques também são muito apreciados!

ATUALIZAR

Após as dicas aqui, mudei o fusível para viver (parece óbvio agora ...) e adicionei os amortecedores. Esquema atualizado: Esquema atualizado

ac  opto-isolator  triac  heatsink  mains 
— Antti
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Você não mencionou a taxa de comutação, mas se precisar ligar / desligar a cada poucos minutos, pode ser mais fácil ter certeza da segurança do seu circuito usando um relé (5V ou 12V). Deve haver muita informação sobre a escolha de um relé e sua condução.
— Brian Drummond
Brian: A taxa de troca é maior que a cada poucos minutos, mais próxima a cada ~ 5seg. Além disso, eu não quero o ruído de um relé
— Antti
2
isso seria 250W ímpar em 110V (assumindo resistência fixa) ... #
— 317 Brian
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Você tem um motivo específico para fundir o neutro em vez da linha?
— O Photon
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Os designadores de referência no seu schmatic original foram mal escolhidos. Não há necessidade de informar ao leitor que o R1 está vinculado ao opto-acoplador ("opto-R1"), apenas o nome "R1". Mas no seu esquema atualizado você removeu completamente os refdes, e isso é ainda pior. Se eu quiser discutir o resistor 330R, não há como explicar qual deles quero dizer. Sempre tenha um refdes com seus componentes.
— amadeus

Respostas:

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  1. Provavelmente é mais seguro o D8 dirigir um pequeno MOSFET para controlar o fotodiodo, em vez de confiar na capacidade de fonte de corrente do próprio pino GPIO. Você também deve fornecer um pouco mais do que o mínimo absoluto de 5 mA citado pela folha de dados.

  2. Um fusível deve estar sempre na linha - nunca apenas no ponto morto. (A fusão de ambos é boa.) Se você fundir apenas o neutro, ainda terá um caminho da linha à terra, pois na maioria das jurisdições, o neutro é aterrado em algum lugar. Perigoso e potencialmente letal.

  3. Sua carga do aquecedor é provavelmente indutiva por natureza, portanto, considere o esquema de resistor-capacitor-resistor mostrado na página 6 da folha de dados para dessensibilizar o portão. Você sempre pode não preencher o capacitor posteriormente se não precisar dele.

  4. O dispositivo (sem dissipador de calor) tem uma resistência de junção ao ambiente de 60K / W. Como o seu aquecedor de 1000W consumiria cerca de 4,34A de corrente quando o triac está conduzindo, a 230VAC que é ~ 7W - a 100VAC é mais como 16,5A. Você definitivamente precisará de um dissipador de calor :)

— Adam Lawrence
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O pino MCU pode fornecer até 40mA, então eu não acho que preciso do mosfet? Mudei o fusível para o terminal ativo, o que, em retrospectiva, parece óbvio. Também adicionei os circuitos de amortecedor como na folha de dados (ainda não tenho certeza dos valores). O esquema atualizado foi adicionado como uma edição à pergunta. Obrigado!
— Antti
Geralmente, é uma boa ideia mover a dissipação de energia para fora do microcontrolador, mesmo que o pino possa fornecer energia. É um calor extra que você não necessariamente quer / precisa.
— Adam Lawrence
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É realmente bom fundir linha e ponto morto? Se apenas o fusível do lado neutro queima, ainda há energia letal no equipamento (agora 'morto').
— Bobbi Bennett
Ainda haverá proteção se houver uma falha entre a linha e o chassi / terra, e a tensão letal não deve ser acessível ao usuário final sob nenhuma circunstância.
— Adam Lawrence
1
Código elétrico nacional, artigo 404 (interruptores): interruptores ou disjuntores não devem desconectar o condutor de aterramento (neutro) de um circuito.
— Bobbi Bennett
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Estou colocando isso como uma resposta, pois meu comentário parece estar enterrado na lista.

Por que você está alternando (e fundindo) o neutro? Isso não é seguro. Seu aquecedor terá tensão de rede, mesmo quando desligado.

Adicione um interruptor mecânico na alimentação principal, é claro, para ter certeza de que tudo está ligado ou desligado.

Na mesma linha, o caminho de aterramento no lado de baixa tensão deve ser sólido para o aterramento. Imagine o que aconteceria se um fio perdido ou outro objeto caísse através do opto-isolador. Falhará seguro? Ou colocar o seu lado de baixa tensão no potencial da rede? Você quer que fique à prova de segurança, queimando o fusível.

— Bobbi Bennett
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O amortecedor é recomendado por vários motivos.

  • Reduza a amplitude de tensão da indutância parasitária comutada. (Saída) Isso reduz o estresse de tensão no nível de quebra do Triac. Sempre que você está trocando linhas longas, está mudando de indutância. O OPto possui um design de amortecedor recomendado. Use um igual no Triac.

  • Reduza o pico da linha dv / dt usando a indutância da linha e a tampa do amortecedor para evitar o falso acionamento do triac.

Não há problema em conduzir o indicador LED e o LED IR em paralelo, pois o MCU fornecerá ou reduzirá 20mA e o Opto precisará apenas de 10mA para alternar com segurança.

No entanto, não há necessidade de acionar os LEDs em paralelo quando você estiver usando um 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)

Mantenha >> uma folga de segurança de 5 mm entre todas as faixas CA e CC usadas pelo acoplador óptico.

O seu 5V está flutuando ou aterrado para AC? Não requerido. mas, para as reavaliações de EMI, pode ser necessário um filtro de linha para impedir a entrada de sinais do sensor MCU na linha de entrada CA com filtro LC e talvez uma pequena tampa CA do aterramento CC para o CA. Você não quer que o interruptor do forno entre nos sinais do MCU. Contas de ferrite às vezes são usadas em linhas comutadas.

Se o Rth ja total for 10'W, significa que o triac será tostado a 110'C quando ativo após constante de tempo térmico, que depende da massa e da velocidade do AR. Eu sugeriria mais próximo de 5 'C / W para o seu dissipador de calor e adicionaria o Rj-c do triac para obter resistência térmica. use também um pouco de graxa com um pequeno dissipador de calor.

— Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
fonte
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