DMX dimmer 10A, przebite triaki, przeróbka na trailing edge

Witam, jest to mój pierwszy post na forum, więc proszę o wyrozumiałość.
Jakiś czas temu na prośbę kolegi DJ'a zbudowałem prosty ściemniacz DMX. Odbiór po MAX485, sterowanie Atmega328P, detekcja przejścia przez zero PC814 z transformatora, układ wykonawczy na triakach BTA24 z optotriakami MOC3020. 4 kanały, gdzie każdy przewidziany na 10A.
Załączam schemat i zdjęcia:



Pojawił się problem, po paru godzinach pracy (lampy 2kW, płynne przejścia, błyski itd.) triaki doznawały przebicia tzn. między T1 i T2 było zwarcie i wszystkie lampy zaczynały świecić pełną jasnością. Najpierw były BTA16, zmieniłem na BTA24, nic to nie dało - objaw ten sam. Raczej nie jest to problem ciepła, ponieważ każdy triak posiada swój radiator, a dodatkowo w obudowie jest wymuszony przepływ powietrza wentylatorem. Moje podejrzenia padły na udar prądowy przy załączaniu triaków np. na 50% czyli w szczycie sinusa, gdzie jak się dowiedziałem lampy żarnikowe mają dużo niższą rezystancję w stanie zimnym i przy załączaniu prąd może wynieść nawet 10x tyle co znamionowy. Pierwsza myśl to wstawienie dławika, ale raczej byłby on duży i na dodatek drogi.



Chodzi mi po głowie teraz pomysł przerobienia stopnia mocy na pracę w trybie trailing edge, czyli załączanie w zerze, wyłączanie po odpowiednim interwale czasowym. Wtedy dimmer nadawałby się także do lamp LED. Czy pomogłoby to zminimalizować udary? Chciałbym zastosować tutaj tranzystory IGBT, lecz nigdy wcześniej nie miałem z nimi styczności. Jak na razie narysowałem taki schemat:

Napięcie +12VA byłoby z izolowanej przetwornicy 1:1, raczej na każdy kanał osobny by uzyskać pełną separację. Czy taki układ zdałby egzamin, czy jednak będę zmuszony użyć dławika? Jeśli tak to czy w przypadku nowego schematu nie wyindukowałyby się szpilki wysokiego napięcia mogące uszkodzić cały układ.

Jeśli chodzi o pomoc jaką chciałby uzyskać to: ustalenie pewnej przyczyny poprzedniej usterki oraz sprawdzenie schematu układu wykonawczego IGBT lub doradzenie lepszego rozwiązania. Zależy mi aby finalnie projekt był dosyć "pancerny" i obsługiwał każdy rodzaj lamp.

Uprzedzając pytania o kwestie bezpieczeństwa to najczęściej takie układy najpierw testuję przez transformator 24V, wiem jak się bezpiecznie obchodzić z napięciem sieciowym.

Z góry dziękuję za wszystkie wskazówki i okazaną pomoc. Pozdrawiam

Zainteresuj się czymś takim jak buck converter. Tam jest w szeregu dławik. Dzięki tej topologii możesz regulować napięcie lub prąd na wyjściu (w zależności co jest wejściem dla sprzężenia zwrotnego).
Im większa częstotliwość tym mniejszy dławik, ale IGBT jak i MOSFET ma straty dynamiczne, które im większa częstotliwość tym one większe.

Tak od razu, nie zaprojektuje tego za Ciebie w ramach forum (czyli nie powiem jakie IGBT, jaki dławik, jaka częstotliwość, jakie wartości dla sprzężenia zwrotnego itp).

_lazor_ wrote:

Zainteresuj się czymś takim jak buck converter.

Tylko buck converter to przekształtnik DC/DC. W moim projekcie oparłem się raczej na sterowaniu fazowym, które na wyjściu ma napięcie przemienne, aby uniwersalnie sterować oświetleniem. Głównie chodziło mi o sprawdzenie czy schemat z IGBT nie ma jakiegoś błędu.

Ogólnie obwód nie zadziała, nie tak steruje się IGBT/MOSFET. Steruje się je napięciem między bramką a emiterem (lub bramka source dla mosfet), tak jak Ty to podłączyłeś nie może zadziałać. Ogólnie half-bridge nie jest do napięcia przemiennego.

Triaki ulegają uszkodzeniu w wyniku przekroczenia parametru di/dt podczas załączania - struktura ulega wtedy lokalnemu przegrzaniu i dochodzi do przebicia. Dodanie indukcyjności około 200..300µH w szereg z obciążeniem powinno wystarczająco zmniejszyć szybkość narastania prądu podczas załączania triaka.

W układzie z tranzystorami będzie problem z przepięciami podczas wyłączania - IGBT są na to bardzo wrażliwe i najlepiej zbocznikować je diodami Transil.

@_lazor_
To nie jest "half-bridge" lecz szeregowe połączenie dwóch IGBT emiterami do siebie.

lechoo wrote:

@_lazor_
To nie jest "half-bridge" lecz szeregowe połączenie dwóch IGBT emiterami do siebie.

Masz rację, źle spojrzałem. Tak więc będzie to działać.

lechoo wrote:

Triaki ulegają uszkodzeniu w wyniku przekroczenia parametru di/dt podczas załączania - struktura ulega wtedy lokalnemu przegrzaniu i dochodzi do przebicia. Dodanie indukcyjności około 200..300µH w szereg z obciążeniem powinno wystarczająco zmniejszyć szybkość narastania prądu podczas załączania triaka.

W układzie z tranzystorami będzie problem z przepięciami podczas wyłączania - IGBT są na to bardzo wrażliwe i najlepiej zbocznikować je diodami Transil.

Poprawiłem schemat dla tranzystorów i triaka (zamiast warystora podwójny transil, przy triaku dławik):

Czy da się jakoś uprościć zasilanie sterowania bramką? Wiadomo że musi być to napięcie między bramką a emiterem (dlatego masa jest na wspólnym emiterze igbt). Zastawiam się czy osobna przetwornica dla każdego modułu (a jest ich 4 działających niezależnie) nie jest nadmiarowa oraz czy ta dioda zenera jest potrzebna.

Czy w przypadku z tranzystorami jest konieczność użycia dławika (przy wyłączaniu byłoby raczej spore wsteczne-EMF)? Według poniższego wykresu załączenie powinno być dużo łagodniejsze, ale czy z praktycznej strony to wystarczy?


Czy ma znaczenie po której stronie jest N i L? Triak musi mieć fazę na konkretny terminal, ale co z układem igbt, wtedy tutaj raczej chodzi tylko o położenie obciążenia.

KemotPL wrote:

Czy da się jakoś uprościć zasilanie sterowania bramką? Wiadomo że musi być to napięcie między bramką a emiterem (dlatego masa jest na wspólnym emiterze igbt). Zastawiam się czy osobna przetwornica dla każdego modułu (a jest ich 4 działających niezależnie) nie jest nadmiarowa oraz czy ta dioda zenera jest potrzebna.

Zawsze możesz wyprostować napięcie i wtedy będzie o połowę mniej IGBT i wszystkie emitery będą na wspólnym potencjale. Oczywiście wtedy nie podłączysz do układu obciążenia które wymaga AC.

KemotPL wrote:

Czy ma znaczenie po której stronie jest N i L? Triak musi mieć fazę na konkretny terminal, ale co z układem igbt, wtedy tutaj raczej chodzi tylko o położenie obciążenia.

Ani triak ani zestaw dwóch IGBT nie muszą mieć L czy N w konketnym miejscu, ale odłączanie L zmniejsza szanse porażenia w "wyłaczonym" układzie.

KemotPL wrote:

Czy w przypadku z tranzystorami jest konieczność użycia dławika (przy wyłączaniu byłoby raczej spore wsteczne-EMF)? Według poniższego wykresu załączenie powinno być dużo łagodniejsze, ale czy z praktycznej strony to wystarczy?

Dławik w przypadku IGBT nie ma sensu, no chyba żebyś nim chciał sterować jak triakiem.

Chciało się tobie to budować ? Takie dimmery do 6 ch można dorwać do 200zł ...

Być może rację ma lechoo - że przekraczana jest wartość dopuszczalna dI/dt (raczej z dużym 'I', jakkolwiek pochodna ma tę samą wartość). W notach katalogowych triaków czasem można też znaleźć parametry opisujące dopuszczalne chwilowe przeciążenie. Można by sprawdzić, jak to się ma do rzeczywistego obciążenia - tu jest kwestia, ile czasu potrzeba na rozgrzanie włókna żarówki, na to dławik nie może pomóc, ani trailing edge, bo ten czas jest wielokrotnie większy od okresu sieci - natomiast może pomóc termistor NTC włączony szeregowo z żarówką, i może pomóc stopniowe włączanie (po włączeniu zasilania włączamy triaki na bardzo mały kąt fazowy i stopniowo zwiększamy go do nastawionej wartości w czasie rzędu sekundy).

Autor pisze w pierwszym pościcie że płynne przejścia i błyski, są normalnym sposobem użytkowania, jeśli użyjemy NTC to nie da się błysnąć, poza tym NTC musi mieć czas na wychłodzenie, częste udary go wykończą, nie tędy droga.

Poniżej charakterystyka dopuszczalnych przeciążeń dla BTA24, nie wiem jakie są właściwości tej lampy, ale przekroczenie poniższej krzywej wydaje sie mało prawdopodobne


Natomiast uszkodzenie z powodu przekroczenia dI/dt jest możliwe, bo triak potrzebuje czasu na pełne załączenie, na początku prąd płynie tylko przez mały obszar w pobliżu bramki, jeśli prąd osiągnie dużą wartość zanim cała struktura triaka zacznie przewodzić, ulegnie uszkodzeniu nawet poniżej parametrów katalogowych.

Tu jeszcze może mieć znaczenie impuls, którym triak będzie załączany - powolne narastanie napięcia na bramce powoduje, że załączanie jest wolniejsze, i osiągalna dla triaka wartość dI/dt jest mniejsza. Nie wiem, jakie są te oporniki między MOC3020, a bramkami triaków, indukcyjność połączeń raczej jest mała, bo są blisko - może oporniki powinny być mniejsze, albo można równolegle do nich dodać szeregowe połączenie RC (mały opór, mała pojemność - tyle, żeby szybko naładować bramkę). MOC3020 wytrzymuje impuls 1A i na taki prąd zwykle daje się ten opornik.

Lampa 2kW może mieć sporą stałą czasową, powyżej sekundy - powiedzmy, że jej nagrzanie wymaga 5kJ (to by było 2,5 sekundy świecenia po wyłączeniu), początkowy prąd 10x większy... taki prąd powinien ją nagrzać w czasie 0,25 sekundy, triak wytrzyma go przez około 0,9 sekundy, czyli jest spory zapas.

MuNiO wrote:

Chciało się tobie to budować ? Takie dimmery do 6 ch można dorwać do 200zł ...

Da się ale tylko do 5A i przy ogólnym ograniczeniu na 16A. Z takimi parametrami to już raczej około 1000.

jarek_lnx wrote:

nie wiem jakie są właściwości tej lampy,

Do sterowania są najczęściej 4 takie lampy:
https://www.megascena.pl/dts/dts-scena-s-2000-pc-9-50-2000w-702.html

_jta_ wrote:

Nie wiem, jakie są te oporniki między MOC3020,a bramkami triaków

Oporniki między bramką a MOC3020 to 330Ω 1/4W

Planuję jeszcze dodać zmiany softwarowe:
-krokową zmianę jasności tzn przy zmianie od 0 do 100%, co każdą połówkę sinusa, kąt fazy zwiększałby się stopniowo o np. 2% co by trwało pół sekundy,
-wstępne nagrzewanie - urządzenie po uruchomieniu nie przyjmowałoby danych tylko powoli rozgrzewałoby włókno do wartości zadanej na potencjometrze (ok. 1-15%) i potem żarnik byłby cały czas gorący. Nie wiem jak by to przyjął halogen (przy niskiej temperaturze wolfram mógłby się nie regenerować).

KemotPL wrote:

jarek_lnx napisał:
nie wiem jakie są właściwości tej lampy,

Do sterowania są najczęściej 4 takie lampy:
https://www.megascena.pl/dts/dts-scena-s-2000-pc-9-50-2000w-702.html

Bardziej chodziło mi o właściwości elektryczne, które pozwoliły by zorientować sie gdzie jesteśmy na wykresie z #11

KemotPL wrote:

Planuję jeszcze dodać zmiany softwarowe:
-krokową zmianę jasności tzn przy zmianie od 0 do 100%, co każdą połówkę sinusa, kąt fazy zwiększałby się stopniowo o np. 2% co by trwało pół sekundy,
-wstępne nagrzewanie - urządzenie po uruchomieniu nie przyjmowałoby danych tylko powoli rozgrzewałoby włókno do wartości zadanej na potencjometrze (ok. 1-15%) i potem żarnik byłby cały czas gorący. Nie wiem jak by to przyjął halogen (przy niskiej temperaturze wolfram mógłby się nie regenerować).

Zarówno pierwsza jak i druga modyfikacja powinna zwiększyć trwałość żarówek i zmniejszyć udary prądowe. Jednak wolałbym dać dławiki.

Jeśli w stanie "wygaszonym" będziesz utrzymywał rozgrzane włókno żarówki do poziomu takiego że jeszcze nie świeci, albo świeci bardzo słabo to rezystancja będzie znacznie większa niż zimnego, a o halogenowy cykl regeneracyjny nie ma się co martwić bo kiedy żarówka prawie nie świeci to wolfram nie paruje z żarnika.

KemotPL wrote:

Da się ale tylko do 5A i przy ogólnym ograniczeniu na 16A. Z takimi parametrami to już raczej około 1000.

Proszę Cię, przy klasycznym BTA16 możesz śmiało 2kW na kanał zapiąć - wymieniając na BTA41 można już śmiało 3kW - przy takich mocach to już dimmery 3 fazowe - używane za mniej niż 500 zł

MuNiO, nie przeczytałeś #1?

Cześć
Na moje oko, to te radiatory są za małe i nie ma wentylacji. Takie radiatory i do takich obciążeń trzeba policzyć.