208б. Нагрузка 230 В от микроконтроллера: реле, симистор, твердотельное реле

Раздел 208 провёл сеть внутрь прибора и поставил барьер изоляции, 208а собрал прибор от промышленных 24 В. Остался последний шаг: вывод микроконтроллера на 3,3 В должен включить нагреватель, лампу или двигатель на 230 В. Способов три — реле, симистор через оптосимистор и твердотельное реле, — и у каждого своя физика: катушка, которая не хочет отпускать, симистор, который гаснет только в нуле тока, детектор нуля, который врёт на миллисекунду. Здесь всё это посчитано, а в конце таймер сам ловит ноль сети и открывает симистор на нужном угле.

Опоры: гасящий диод — 51.2, реле и твердотельное реле в общих чертах — 52.6, оптрон и его коэффициент передачи — 54.2 и 54.3, зазоры и барьер — 208.3 и 208.4, захват и одноимпульсный режим таймера — 13.6 и 13.8, фильтр входа — 13.10, действующее значение — 57.2, помехи — 203. Числа раздела — модель на ПК _verify/load208b/load208b.py (прогон — load208b_host.txt), код — load208b.c, собранный armclang для F103 и G474.

Как это называется в документации

Оригинал	Перевод
triac	симистор: двунаправленный тиристор
opto-triac, random-phase / zero-crossing	оптосимистор: без детектора нуля / с детектором нуля
solid-state relay (SSR)	твердотельное реле
latching current / holding current	ток включения (защёлкивания) / ток удержания
snubber	снаббер: RC-цепь поперёк ключа
zero-crossing detector	детектор перехода через ноль
phase-angle control	фазовое управление
burst-fire, integral-cycle control	пакетное управление: целыми периодами
Trigger Mode	режим запуска: счётчик стартует по фронту входа
One pulse mode	одноимпульсный режим
PWM mode 2	ШИМ, режим 2: выход активен, пока CNT ≥ CCR
fSAMPLING=fDTS/32, N=8	самый длинный фильтр входа: 8 отсчётов на fDTS/32

208б.1 Реле: катушка отпускает дольше, чем кажется

Схема катушки уже есть в 52.6: транзисторный ключ и гасящий диод параллельно обмотке (51.2). Диод спасает ключ, но у него есть цена — медленное отпускание. После выключения ключа ток катушки не исчезает, а спадает по закону L/R, и пока он велик, якорь держится.

Модель — катушка из 51.2: 12 В, 30 мА, около 100 мГн. Сопротивление 400 Ом, постоянная времени L/R = 0,25 мс, запасено 45 мкДж. Ток спадает до нуля за t = (L/R) · ln(1 + I·R/Uогр), где Uогр — напряжение ограничителя; численное интегрирование дало те же числа:

Стабилитрон на 24 В последовательно с диодом ускоряет спад в 6,3 раза. Ту же роль играет ограничитель TVS (173). Плата — напряжение на ключе: 37,1 В вместо 13,1 В, и транзистор выбирают с запасом над этим числом. С одним диодом энергия уходит в сопротивление обмотки, со стабилитроном — в стабилитрон. Это спад тока, а не время отпускания якоря: механика добавляет своё, и её модель не считает — смотрят осциллографом по контакту.

Почему скорость важна. Контакты расходятся под током, между ними загорается дуга. На переменном токе она гаснет сама в ближайшем нуле тока, то есть не позже чем через 10 мс, но каждая дуга выжигает металл контакта. Медленное отпускание — дольше путь в зоне дуги.

Ресурс считается делением (52.6): 100 000 циклов. Термостат, щёлкающий раз в 60 с, съедает его за 69,4 суток. Пакетное управление с периодом 1 с (208б.5) — за 27,8 часа, то есть за 1,2 суток. Вывод: реле — для редких включений, для частых нужен симистор.

Включение в нуле реле не даётся. Время срабатывания реле — около 10 мс (52.6), и оно плавает. Если подать команду по детектору нуля с поправкой на среднее время, контакт замкнётся не в нуле, а с разбросом:

Без синхронизации — до пиковых 325 В. Выигрыш реален, только если разброс конкретного реле мерили, а не взяли из головы; разброс в модели — параметр, не паспорт.

208б.2 RC-снаббер: расчёт

Поперёк контакта или симистора ставят последовательную цепь R и C — снаббер. Он делает две вещи: гасит искру на контакте и ограничивает скорость нарастания напряжения на симисторе после выключения. Слишком быстрое нарастание открывает симистор снова, без импульса затвора. Пример — 100 Ом и 100 нФ.

Закрытый ключ течёт. На 50 Гц у 100 нФ реактивное сопротивление 31,8 кОм, и через снаббер течёт 7,23 мА даже при выключенной нагрузке. Для нагревателя это ничто, а маленькая нагрузка — светодиодная лампа, катушка сетевого реле — от этого тока может светиться или не отпускать. В резисторе при этом всего 5,2 мВт. Конденсатор стоит последовательно с нагрузкой поперёк сети, поэтому он — класса X (208.4).

Резистор нельзя убрать. При включении на вершине синусоиды заряженный конденсатор разряжается прямо в ключ; 100 Ом ограничивают пик до 3,25 А.

Индуктивная нагрузка — худший случай. Пример: 230 В, 0,5 А, коэффициент мощности 0,6. Это |Z| = 460 Ом: 276 Ом активных и 1,171 Гн, ток отстаёт на 53,1°. Симистор гаснет в нуле тока, а напряжение сети в этот момент — 260 В, и оно скачком ложится на закрытый ключ. Модель (метод Рунге — Кутты, нагрузка плюс снаббер):

Два вывода. Меньшая ёмкость — быстрее нарастание: 22 нФ дают 1,61 В/мкс против 0,75. И снаббер вместе с индуктивностью нагрузки — колебательный контур: напряжение на ключе перелетает пиковые 325 В до 534 В, больший резистор сильнее гасит колебание и снижает пик до 459 В. Допустимую скорость нарастания и класс напряжения берут из даташита симистора; даташита на диске нет, поэтому здесь — только сравнение вариантов. В модели нет потерь в железе нагрузки, реальный пик ниже, но запас по напряжению закладывают на модельный.

208б.3 Симистор, оптосимистор, твердотельное реле

Симистор открывается импульсом тока затвора и дальше держится сам, пока ток нагрузки не упадёт ниже тока удержания, — то есть до ближайшего нуля тока. Поэтому на переменном токе он гаснет сам каждый полупериод, а на постоянном не выключится никогда (52.6). Второе условие — ток включения: пока идёт импульс затвора, ток нагрузки должен успеть его набрать, иначе после импульса симистор закроется. Числа обоих токов — из даташита конкретного прибора; на диске его нет, поэтому здесь их нет. Отсюда длина импульса в листинге — 200 мкс. Если открывать в самом нуле, к концу импульса сеть поднимется всего до 20,4 В: нагреватель на 2000 Вт (26,45 Ом) наберёт 0,77 А. Маломощная нагрузка может не набрать ток включения — тогда импульс удлиняют или открывают чуть позже нуля.

Оптосимистор переносит команду через барьер: светодиод на стороне микроконтроллера, маленький симистор на сетевой стороне. Его симистор через резистор подаёт ток в затвор силового. Резистор ограничивает бросок: с 360 Ом при открывании на вершине — 0,90 А пика, и этот бросок оптосимистор должен выдерживать по своему даташиту. Оптосимисторы бывают двух видов:

• без детектора нуля — открывается в любой момент, когда горит светодиод; только им делают фазовое управление (208б.5);
• с детектором нуля — открывается, лишь пока напряжение сети близко к нулю; фазу им не сделать, только целые полупериоды. Строчка 54.6 «оптосимистор с переходом через ноль» — про включение и выключение, а не про регулирование.

Нагрев. Падение на открытом симисторе описывают порогом V0 и сопротивлением r: P = V0 · Iср + r · Iд², где Iср — средний ток по модулю, Iд — действующий. Параметры примера — V0 = 1 В, r = 20 мОм; это не даташит, а порядок величины для расчёта:

Пик тока — 12,30 А. Упрощённая оценка «1 В × ток» даёт 8,70 Вт — близко, но меньше. Потери — 0,47 % мощности нагрузки: мало для нагрузки, много для корпуса. Радиатор считается от перегрева: при кристалле не выше 125 °C и воздухе 50 °C (тоже параметры примера) на 9,34 Вт допустимо всего 8,03 К/Вт. Минус переход — корпус 1,5 К/Вт и корпус — радиатор 0,5 К/Вт (пример) — радиатору остаётся 6,03 К/Вт. Это уже не пятачок меди на плате, а настоящий радиатор. И проверить по даташиту, соединён ли теплоотвод корпуса с выводом: если да, радиатор под сетью, и на него распространяются зазоры 208.3.

Твердотельное реле — оптосимистор и силовой симистор в одном корпусе, с детектором нуля или без. Какое брать, решает нагрузка. Модель:

Для нагревателя и ёмкости — реле с переходом через ноль: нет скачка тока, меньше помех. Для трансформатора и двигателя наоборот: включение в нуле напряжения удваивает поток в сердечнике, сердечник насыщается и берёт бросок тока. Их включают на вершине — реле без детектора нуля с командой по детектору 208б.4. Для фазового управления годится только реле без детектора нуля.

208б.4 Детектор перехода через ноль

Классический детектор — оптрон со встречными светодиодами (54.2), подключённый к сети через два резистора по 100 кОм. Выход с подтяжкой 10 кОм к 3,3 В. Вдали от нуля ток светодиода велик, транзистор открыт, на выходе ноль; около нуля ток мал, транзистор закрывается, на выходе единица. Получается импульс вокруг каждого нуля сети.

Резисторы. Вместе они греются на 0,262 Вт, по 0,131 Вт на каждый, и каждый держит 163 В пика — та же логика двух корпусов, что у разряда X-конденсатора (208.5). Пик тока светодиода — 1,62 мА.

Где фронт. Выход переходит через половину питания, когда ток фототранзистора уже не может удержать подтяжку. Этот порог зависит от коэффициента передачи тока, а он гуляет от 50 до 600 % и стареет вдвое (54.2). Модель по трём значениям — 25 % (минимум 50 %, делённый пополам), 100 % и 600 %:

Фронт — плохой ноль: между экземплярами он плавает на 1,3 мс. Зато импульс симметричен относительно нуля, и середина импульса — ноль сети при любом коэффициенте. Её и берут: ширину w мерят, ноль — через w/2 после фронта. Напряжение сети тоже двигает фронт: при коэффициенте 100 % и сети −10 % фронт уходит раньше на 0,037 мс (+0,67°), при +10 % — позже на 0,031 мс (−0,55°); середина остаётся на месте.

Цена микросекунды на 50 Гц — 0,018°. Фильтр входа таймера (13.10) в самом длинном варианте — 8 отсчётов на fDTS/32 при CKD = ÷4 — задерживает каждый фронт на 14,2 мкс у F103 (72 МГц) и на 6,0 мкс у G474 (170 МГц). Оба фронта задерживаются одинаково, середина не сдвигается. Чего модель не знает — разных времён включения и выключения самого оптрона (54.3): с большой подтяжкой спад и фронт несимметричны, и середина уползает. Это меряют осциллографом на готовой плате.

Вход — захват таймера, а не EXTI. Захват ставит метку времени аппаратно (13.6), и задержка прерывания на неё не влияет. EXTI тоже работает, но тогда в угол попадает всё, что задерживает прерывание.

Резисторный детектор без изоляции — 1 МОм прямо на вывод, и защитный диод вывода ограничивает напряжение. Пик тока в диод — 0,325 мА, порог 1,65 В проходит через 16,1 мкс после нуля — 0,29°. Точно и дёшево, но только если вся плата сама живёт на сети без изоляции, со всеми последствиями 208.7: никакого отладчика. И вывод должен допускать втекающий ток. У F103 PA6 — обычный вывод, даташит разрешает ±5 мА. У G474 PA6 — вывод TT_a, и для таких выводов даташит пишет, что положительный ток впрыска невозможен (−5/0 мА): там нужен внешний диод.

208б.5 Фазовое и пакетное управление

Фаза. Симистор открывают с задержкой t после нуля; угол α = t / 10 мс · 180°. Для активной нагрузки мощность — среднее квадрата напряжения на открытой части полупериода:

P(α) / Pmax = 1 − α/π + sin(2α) / (2π)

Модель сверила формулу с численным интегрированием во всех точках:

Зависимость нелинейна: первые 30° почти не убавляют мощность, последние 30° почти ничего не дают. Поэтому в прошивку кладут обратную таблицу — задержку для каждой ступени мощности; модель решила уравнение делением отрезка пополам:

Цена фазы — гармоники. При 90° ток нагрузки — обрезанная синусоида: первая гармоника 0,593 от полной амплитуды, третья 0,318 (54 % первой), пятая 0,106 (18 %). Каждое открывание — ещё и скачок тока с крутым фронтом. Это помехи в сеть и в эфир (203), поэтому нагреватели фазой не регулируют; фаза нужна там, где пакеты не годятся, — яркость ламп накаливания, скорость коллекторного двигателя.

Две ошибки угла. Если взять за ноль фронт детектора, а не середину, при коэффициенте 25 % задуманные 90° станут 65,8°, и мощность выйдет 0,753 вместо 0,500. Если частота сети на 1 % ниже (49,5 Гц), задержка 5000 мкс, рассчитанная на 50 Гц, даёт 89,1° и мощность 0,5100 вместо 0,5000 — это терпимо, но для точности полупериод мерят по соседним нулям.

Пакеты. Симистор открывают в нуле целыми периодами, мощность задаёт доля включённых. Именно периодами, а не полупериодами: если включать полупериоды через один, все они окажутся одной полярности, и в нагрузке появится постоянная составляющая 103,5 В (Uпик/π), которую сеть и трансформаторы не любят. Целыми периодами — 0 В.

Шаг мощности задаёт окно: 50 периодов (1 с) — 2 %, 100 периодов (2 с) — 1 %. Как раскладывать включённые периоды внутри окна — вопрос пульсаций. Блоком («первые N из 50») — длинные паузы; накопителем (прибавлять уровень к сумме и включать период при переполнении через 100) — ровно:

Нагревателю пульсации безразличны — у него тепловая инерция; лампа на пакетах мигает. Накопитель в листинге — функция next_delay_us.

208б.6 Код: TIM3 ловит ноль и сам открывает симистор

Идея — не дать процессору участвовать во времени. Вход детектора — PA6, канал 1 TIM3; выход на светодиод оптосимистора — PB0, канал 3. На F103 это их основные функции, на G474 — альтернативная функция AF2 у обоих. Тик — 1 мкс: TIM3 получает 72 МГц на F103 (APB1 36 МГц, при делителе APB1 не 1 таймер тактируется вдвое чаще) и 170 МГц на G474 (APB1 без делителя).

• Режим запуска (SMS = 110, TS = TI1FP1): фронт импульса детектора сам запускает счётчик; одноимпульсный режим (OPM) останавливает его на событии обновления.
• Канал 2 от того же входа, по спаду (CC2S = 10, CC2P): в CCR2 попадает ширина импульса w — ноль сети был через w/2 после старта.
• Канал 3 в режиме ШИМ 2: выход активен, пока CNT ≥ CCR3, и гаснет на обновлении, когда счёт доходит до ARR. Импульс на оптосимистор — от CCR3 = w/2 + задержка до ARR.
• Прерывание по спаду готовит следующий полупериод: пишет CCR3 и ARR. Оба с предзагрузкой (OC3PE, ARPE) и вступят при следующем запуске. Опоздание прерывания угол не сдвигает: импульс ставит таймер.

Задержку ограничивает сверху запас до следующего фронта: импульс должен кончиться раньше. При самой широкой ширине 2700 мкс (коэффициент 25 %) наибольшая задержка — 8350 мкс, то есть 150,3° и P/Pmax 0,0280; меньше этого фаза не даёт, 10 % с их 7411 мкс помещаются. Это и проверяет _Static_assert вместе с масками регистров — компилятор не соберёт код, если числа разойдутся.

void triac_init(void)
{
#if defined(STM32F10X_MD)
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPAEN | RCC_APB2ENR_IOPBEN;
    RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM3EN;
    GPIOA->CRL = (GPIOA->CRL & ~(0xFu << 24)) | (0x4u << 24);   /* PA6: вход без подтяжки */
    GPIOB->CRL = (GPIOB->CRL & ~0xFu) | 0xAu;                    /* PB0: альтернативная функция, 2 МГц */
#else
    RCC->AHB2ENR |= RCC_AHB2ENR_GPIOAEN | RCC_AHB2ENR_GPIOBEN;
    RCC->APB1ENR1 |= RCC_APB1ENR1_TIM3EN;
    GPIOA->MODER = (GPIOA->MODER & ~(3u << 12)) | (2u << 12);    /* PA6: AF2 — TIM3_CH1 */
    GPIOA->AFR[0] = (GPIOA->AFR[0] & ~(0xFu << 24)) | (2u << 24);
    GPIOB->MODER = (GPIOB->MODER & ~3u) | 2u;                    /* PB0: AF2 — TIM3_CH3 */
    GPIOB->AFR[0] = (GPIOB->AFR[0] & ~0xFu) | 2u;
#endif
    TIM3->PSC = TIM_CLK_HZ / TICK_HZ - 1u;
    TIM3->CR1 = TIM_CR1_CKD_1 | TIM_CR1_ARPE | TIM_CR1_OPM;     /* tDTS = 4 такта; стоп на обновлении */
    TIM3->CCMR1 = TIM_CCMR1_CC1S_0 | TIM_CCMR1_IC1F             /* IC1 ← TI1, фильтр fDTS/32, N = 8 */
                | TIM_CCMR1_CC2S_1;                             /* IC2 ← тот же TI1 */
    TIM3->CCMR2 = TIM_CCMR2_OC3M_2 | TIM_CCMR2_OC3M_1 | TIM_CCMR2_OC3M_0 | TIM_CCMR2_OC3PE;
    TIM3->CCER = TIM_CCER_CC2E | TIM_CCER_CC2P | TIM_CCER_CC3E;  /* IC2 — по спаду */
    TIM3->SMCR = TIM_SMCR_TS_2 | TIM_SMCR_TS_0 | TIM_SMCR_SMS_2 | TIM_SMCR_SMS_1;
    TIM3->ARR = W_MAX_US + GUARD_US;
    TIM3->CCR3 = 0xFFFFu;                       /* до первого измерения ширины — не открывать */
    TIM3->EGR = TIM_EGR_UG;                     /* теневые ARR и CCR3 ← предзагрузка */
    TIM3->SR = 0u;
    TIM3->DIER = TIM_DIER_CC2IE;
    NVIC_EnableIRQ(TIM3_IRQn);
}

Пока ширина не измерена, CCR3 = 0xFFFF больше ARR, и выход не включается ни разу — симистор закрыт с первого полупериода. Обработчик:

/* спад импульса детектора: CCR2 — его ширина w, ноль был через w/2 после фронта */
void TIM3_IRQHandler(void)
{
    uint32_t w, d, d_max, start, stop;

    if (!(TIM3->SR & TIM_SR_CC2IF))
        return;
    w = TIM3->CCR2;                             /* чтение снимает флаг */
    d = next_delay_us();
    if (d >= HALF_US || w > W_MAX_US) {         /* пропустить: сравнение за пределом ARR */
        TIM3->ARR = W_MAX_US + GUARD_US;
        TIM3->CCR3 = 0xFFFFu;
        return;
    }
    d_max = HALF_US - w / 2u - PULSE_US - GUARD_US;
    if (d > d_max)
        d = d_max;                              /* импульс кончается до следующего фронта */
    start = w / 2u + d + 1u;                    /* CCR3 > 0: иначе импульса не будет */
    stop = start + PULSE_US;
    if (stop < w + GUARD_US)
        stop = w + GUARD_US;                    /* счёт идёт, пока не пойман спад */
    TIM3->CCR3 = start;                         /* обе записи вступят на следующем запуске */
    TIM3->ARR = stop;
}

next_delay_us в фазовом режиме берёт задержку из таблицы 208б.5 (k_delay_us в файле — те же 11 чисел от 10000 до 0), в пакетном — накопитель: первый полупериод пары решает за оба, поэтому включаются только целые периоды. Ширина w берётся из текущего полупериода, а угол применится в следующем — ширина меняется медленно, это честный обмен. Код собран armclang для F103 и G474 с -Wall -Wextra без предупреждений: имена регистров и битов у TIM3 на обоих одинаковы, различается только включение портов.

208б.7 Грабли

Реле отпускает с опозданием, контакты чернеют. Один гасящий диод растягивает спад тока катушки до 0,62 мс, контакты расходятся медленно, дуга дольше. Стабилитрон 24 В последовательно с диодом ускоряет спад в 6,3 раза, но поднимает напряжение на ключе до 37,1 В (208б.1).

Реле в пакетном управлении умерло за выходные. Ресурс 100 000 циклов при периоде 1 с — 27,8 часа. Пакеты — только симистором (208б.1).

Выключенная лампа тлеет. Снаббер 100 Ом + 100 нФ пропускает 7,23 мА при закрытом ключе; маленькой нагрузке этого хватает, чтобы светиться. Уменьшать ёмкость, помня, что 22 нФ поднимают скорость нарастания до 1,61 В/мкс (208б.2).

С индуктивной нагрузкой симистор сам открывается после нуля. Ток отстаёт от напряжения, в нуле тока на ключ скачком ложится 260 В. Без снаббера нарастание ограничено только собственной ёмкостью симистора. Снаббер ограничивает скорость, но с нагрузкой звенит до 534 В — брать симистор с запасом по напряжению (208б.2).

Мощность у двух одинаковых плат разная. За ноль взят фронт детектора, а он плавает с коэффициентом оптрона: при 25 % — на 1,343 мс раньше нуля, 90° превращаются в 65,8°, мощность 0,753 вместо 0,500. Ноль — середина импульса детектора (208б.4).

Фаза не регулируется: нагрузка горит на полную или никак. Оптосимистор или твердотельное реле с детектором нуля открываются только около нуля: команда на 90° будет исполнена в следующем нуле. Для фазы — приборы без детектора нуля (208б.3).

Трансформатор через реле «с нулём» выбивает автомат. Включение в нуле напряжения удваивает поток в сердечнике (2,00 от рабочего против 1,00 на вершине), сердечник насыщается. Для трансформатора — включение на вершине (208б.3).

Пакеты по полупериодам гудят в трансформаторе. Полупериоды через один — одной полярности, постоянная составляющая 103,5 В. Включать целыми периодами (208б.5).

На G474 резисторный детектор портит вход. PA6 у G474 — вывод TT_a, положительный ток впрыска на нём невозможен по даташиту. Внешний диод к питанию или оптронный детектор; у F103 PA6 допускает ±5 мА (208б.4).

Во время стирания Flash симистор ведёт себя странно. Стирание страницы занимает 20…40 мс у F103 и 22,02…24,47 мс у G474 по даташитам — 2…4 полупериода. Чтение того же банка Flash во время стирания останавливает шину (так пишет RM0440), и обработчик прерывания из этого банка ждёт. Таймер при этом продолжает выдавать импульсы по последним CCR3 и ARR: фаза держит прежний угол, а пакет замирает в прошлом решении — включённым или выключенным. Стирать, когда нагрузка выключена, или переносить обработчик в ОЗУ.

Радиатор симистора ударил током. У многих корпусов теплоотвод соединён с выводом, и радиатор оказывается под сетью. Смотреть даташит, ставить изолирующую прокладку или соблюдать зазоры 208.3 (208б.3).

208б.8 Итоги

• Катушка реле 12 В, 30 мА, 100 мГн: с диодом ток спадает за 0,62 мс, с диодом и стабилитроном 24 В — за 0,098 мс (в 6,3 раза быстрее), ценой 37,1 В на ключе. Ресурс 100 000 циклов: раз в 60 с — 69,4 суток, раз в секунду — 1,2 суток.
• Включение реле в нуле зависит от разброса срабатывания: ±1 мс — это ±18° и до 101 В на контакте вместо 325 В.
• Снаббер 100 Ом + 100 нФ: 7,23 мА утечки через закрытый ключ, 3,25 А разряда при включении на вершине; на индуктивной нагрузке 0,5 А с коэффициентом мощности 0,6 — 0,75 В/мкс и звон до 534 В, 1 кОм снижает пик до 459 В.
• Симистор держится до нуля тока; токи включения и удержания — из даташита. Оптосимистор без детектора нуля — для фазы, с детектором — только для пакетов. Потери на 2000 Вт с V0 = 1 В, r = 20 мОм — 9,34 Вт, радиатору остаётся 6,03 К/Вт.
• Твердотельное реле с переходом через ноль — для нагревателей и ёмкостей (0,102 А против 32,5 А), без него — для трансформаторов (поток 1,00 против 2,00) и фазы.
• Детектор на оптроне: фронт уходит от нуля на 0,066…1,343 мс в зависимости от коэффициента передачи, середина импульса — ровно ноль; 1 мкс = 0,018°, фильтр входа 14,2 / 6,0 мкс на обоих фронтах середину не двигает.
• Фаза: P/Pmax = 1 − α/π + sin(2α)/(2π); 50 % — 90° и 5000 мкс, 10 % — 133,4° и 7411 мкс; при 90° третья гармоника — 54 % первой.
• Пакеты — целыми периодами (полупериоды через один дают 103,5 В постоянной составляющей); окно 50 периодов — шаг 2 %, накопитель держит паузу при 50 % в 1 период вместо 25 у блока.
• TIM3 в режиме запуска с одноимпульсным режимом: фронт детектора стартует счёт, канал 2 мерит ширину, канал 3 в режиме ШИМ 2 выдаёт импульс 200 мкс; угол ставит таймер, прерывание лишь готовит следующий полупериод. Одинаково на F103 и G474.

Полные исходники

load208b.c — симистор по углу: TIM3 ловит детектор нуля и сам выдаёт импульс.

/* 208б: симистор по углу — TIM3 ловит импульс детектора нуля и сам выдаёт
   импульс на оптосимистор в одноимпульсном режиме.
   PA6 — TIM3_CH1, вход от детектора; PB0 — TIM3_CH3, выход на светодиод оптосимистора.
   Собирается armclang: -DSTM32F10X_MD (stm32f10x.h) или -DSTM32G474xx (stm32g4xx.h). */
#include <stdint.h>

#if defined(STM32F10X_MD)
#define TIM_CLK_HZ 72000000u            /* APB1 36 МГц, таймер получает ×2 */
#else
#define TIM_CLK_HZ 170000000u
#endif
#define TICK_HZ    1000000u             /* тик 1 мкс */
#define HALF_US    10000u               /* полупериод сети 50 Гц */
#define PULSE_US   200u                 /* импульс на светодиод оптосимистора */
#define GUARD_US   100u                 /* запас до следующего фронта детектора */
#define W_MAX_US   2700u                /* самый широкий импульс детектора (CTR 25 %) */
#define D10_US     7411u                /* задержка для 10 % мощности */
#define MODE_PHASE 0u
#define MODE_BURST 1u

static const uint16_t k_delay_us[11] = {        /* мощность 0, 10 … 100 % → задержка от нуля */
    HALF_US, D10_US, 6637, 6036, 5504, 5000, 4496, 3964, 3363, 2589, 0};

_Static_assert(TIM_CLK_HZ % TICK_HZ == 0u && TIM_CLK_HZ / TICK_HZ - 1u <= 0xFFFFu, "PSC: целое, 16 бит");
_Static_assert(sizeof k_delay_us / sizeof k_delay_us[0] == 11u, "ступени 0…100 % через 10");
_Static_assert(W_MAX_US + 2u * GUARD_US < HALF_US, "спад детектора ловится до следующего фронта");
_Static_assert(HALF_US - W_MAX_US / 2u - PULSE_US - GUARD_US >= D10_US, "10 % помещается при самом широком импульсе");
_Static_assert((TIM_SMCR_TS_2 | TIM_SMCR_TS_0 | TIM_SMCR_SMS_2 | TIM_SMCR_SMS_1) == 0x56u, "TS=101 TI1FP1, SMS=110 запуск");
_Static_assert((TIM_CCMR2_OC3M_2 | TIM_CCMR2_OC3M_1 | TIM_CCMR2_OC3M_0 | TIM_CCMR2_OC3PE) == 0x78u, "CH3: ШИМ 2, предзагрузка");
_Static_assert((TIM_CCMR1_CC1S_0 | TIM_CCMR1_IC1F | TIM_CCMR1_CC2S_1) == 0x2F1u, "IC1 и IC2 от TI1, фильтр 1111");

static volatile uint8_t g_mode, g_level;        /* режим и мощность 0…100 % */

void triac_init(void)
{
#if defined(STM32F10X_MD)
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPAEN | RCC_APB2ENR_IOPBEN;
    RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM3EN;
    GPIOA->CRL = (GPIOA->CRL & ~(0xFu << 24)) | (0x4u << 24);   /* PA6: вход без подтяжки */
    GPIOB->CRL = (GPIOB->CRL & ~0xFu) | 0xAu;                    /* PB0: альтернативная функция, 2 МГц */
#else
    RCC->AHB2ENR |= RCC_AHB2ENR_GPIOAEN | RCC_AHB2ENR_GPIOBEN;
    RCC->APB1ENR1 |= RCC_APB1ENR1_TIM3EN;
    GPIOA->MODER = (GPIOA->MODER & ~(3u << 12)) | (2u << 12);    /* PA6: AF2 — TIM3_CH1 */
    GPIOA->AFR[0] = (GPIOA->AFR[0] & ~(0xFu << 24)) | (2u << 24);
    GPIOB->MODER = (GPIOB->MODER & ~3u) | 2u;                    /* PB0: AF2 — TIM3_CH3 */
    GPIOB->AFR[0] = (GPIOB->AFR[0] & ~0xFu) | 2u;
#endif
    TIM3->PSC = TIM_CLK_HZ / TICK_HZ - 1u;
    TIM3->CR1 = TIM_CR1_CKD_1 | TIM_CR1_ARPE | TIM_CR1_OPM;     /* tDTS = 4 такта; стоп на обновлении */
    TIM3->CCMR1 = TIM_CCMR1_CC1S_0 | TIM_CCMR1_IC1F             /* IC1 ← TI1, фильтр fDTS/32, N = 8 */
                | TIM_CCMR1_CC2S_1;                             /* IC2 ← тот же TI1 */
    TIM3->CCMR2 = TIM_CCMR2_OC3M_2 | TIM_CCMR2_OC3M_1 | TIM_CCMR2_OC3M_0 | TIM_CCMR2_OC3PE;
    TIM3->CCER = TIM_CCER_CC2E | TIM_CCER_CC2P | TIM_CCER_CC3E;  /* IC2 — по спаду */
    TIM3->SMCR = TIM_SMCR_TS_2 | TIM_SMCR_TS_0 | TIM_SMCR_SMS_2 | TIM_SMCR_SMS_1;
    TIM3->ARR = W_MAX_US + GUARD_US;
    TIM3->CCR3 = 0xFFFFu;                       /* до первого измерения ширины — не открывать */
    TIM3->EGR = TIM_EGR_UG;                     /* теневые ARR и CCR3 ← предзагрузка */
    TIM3->SR = 0u;
    TIM3->DIER = TIM_DIER_CC2IE;
    NVIC_EnableIRQ(TIM3_IRQn);
}

void triac_set(uint8_t mode, uint8_t level)
{
    g_mode = mode;
    g_level = level > 100u ? 100u : level;
}

/* задержка от нуля на следующий полупериод; HALF_US — не открывать */
static uint32_t next_delay_us(void)
{
    static uint8_t half, on;
    static uint8_t acc;

    if (g_mode == MODE_PHASE)
        return k_delay_us[g_level / 10u];
    half ^= 1u;
    if (half) {                                 /* первый полупериод пары решает за оба */
        acc += g_level;
        on = acc >= 100u;
        if (on)
            acc -= 100u;
    }
    return on ? 0u : HALF_US;
}

/* спад импульса детектора: CCR2 — его ширина w, ноль был через w/2 после фронта */
void TIM3_IRQHandler(void)
{
    uint32_t w, d, d_max, start, stop;

    if (!(TIM3->SR & TIM_SR_CC2IF))
        return;
    w = TIM3->CCR2;                             /* чтение снимает флаг */
    d = next_delay_us();
    if (d >= HALF_US || w > W_MAX_US) {         /* пропустить: сравнение за пределом ARR */
        TIM3->ARR = W_MAX_US + GUARD_US;
        TIM3->CCR3 = 0xFFFFu;
        return;
    }
    d_max = HALF_US - w / 2u - PULSE_US - GUARD_US;
    if (d > d_max)
        d = d_max;                              /* импульс кончается до следующего фронта */
    start = w / 2u + d + 1u;                    /* CCR3 > 0: иначе импульса не будет */
    stop = start + PULSE_US;
    if (stop < w + GUARD_US)
        stop = w + GUARD_US;                    /* счёт идёт, пока не пойман спад */
    TIM3->CCR3 = start;                         /* обе записи вступят на следующем запуске */
    TIM3->ARR = stop;
}