Твердотельное реле своими руками

Твердотельное реле своими руками

Твердотельное реле (ТТР) или Solid State Relay (SSR) — это электронные устройства, которые выполняют те же самые функции, что и электромеханическое реле, но не содержит движущихся частей. Серийные твердотельные реле используют технологии полупроводниковых устройств, таких как тиристоры и транзисторы.

То есть вместо подвижных контактов в ТТР используются электронные полупроводниковые ключи, в которых цепи управления имеют гальваническую развязку с силовыми, коммутируемыми цепями. Благо сейчас переключательных полевых транзисторов приобрести нет никаких проблем. Таким образом, для построения твердотельного реле нам потребуется MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) транзистор, русский эквивалент термина — МОП-транзистор или полевой транзистор с изолированным затвором, и оптрон. На страницах сайта есть статьи, посвященные транзисторным ключам с оптической изоляцией – «Транзисторный ключ переменного тока»

В данной статье рассмотрен ключ для коммутации переменного тока. Используя SMD компоненты по этой схеме можно изготовить ТТР переменного тока. Часть деталей монтируется на печатной плате, которая крепится к алюминиевой положке. Транзисторы устанавливаются на подложку через слюдяные прокладки. Конденсатор С1 лучше брать или танталовый или керамический. Его емкость можно уменьшить.
Еще одна статья – «Транзисторный ключ с оптической развязкой»

В этой схеме к качестве коммутирующих транзисторов используются биполярные транзисторы разных структур.

Есть еще одна схема гальванически развязанного ключа на моп-транзисторе с защитой от предельного тока нагрузки. О нем шла речь в статье «Mощный ключ постоянного тока на полевом транзисторе»

Все это хорошо, если напряжения, с которыми работают ТТР реализованные на MOSFET, позволяют управлять этими полевыми транзисторами. А как быть с коммутацией напряжения, например 3,3 вольта. Для открывания полевого транзистора этого напряжения явно не достаточно. Нужен какой-то преобразователь, способный поднять напряжение управления хотя бы до пяти вольт. Классический импульсный преобразователь использовать для реле – слишком громоздко. Но есть другие преобразователи – оптические, например — TLP590B.

Преимущества и недостатки

В отличие от других типов реле, твердотельное лишено подвижных контактов. Коммутация электроцепей в этом приборе выполняется по принципу электронного ключа, выполненного на полупроводниках. Чтобы при создании твердотельного реле не возникло проблем, необходимо разобраться с принципом работы прибора и его конструкцией.

Однако начать стоит с его описания основных преимуществ:

  • Возможность коммутировать мощные нагрузки.
  • Переключение происходит с высокой скоростью.
  • Качественная гальваническая развязка.
  • Способно выдерживает серьезные перегрузки на коротком временном отрезке.

Ни одно механическое реле не обладает аналогичными параметрами. Область применения твердотельного реле (ТТР) практически неограничена. Отсутствие подвижных элементов в конструкции существенно увеличивает срок службы устройства. Однако следует помнить, что прибор имеет не только преимущества. Некоторые свойства ТТР являются недостатками. Например, во время эксплуатации мощных устройств возникает необходимость в применении дополнительного элемента для отвода тепловой энергии.

Зачастую размеры радиатора существенно превышают габариты самого реле. В такой ситуации монтаж прибора несколько затрудняется. Когда устройство закрыто, то в нем наблюдается утечка тока, что приводит к появлению нелинейной вольт-амперной характеристики. Таким образом, при использовании ТТР следует обращать внимание на характеристики переключаемых напряжений. Некоторые виды устройств способны работать только в сетях с постоянным током. При подключении твердотельного реле к цепи нужно предусмотреть способы защиты от ложных срабатываний.

Преимущества ТТР

К преимуществам реле относят:

  • возможность коммутации сравнительно мощных нагрузок;
  • высокое быстродействие;
  • работа в условиях гальванической развязки;
  • способность выдерживать кратковременные перегрузки.

Ни один образец механических или электромеханических изделий не в состоянии конкурировать с электронными коммутаторами. Поэтому новые структуры на основе полупроводников полностью вытеснили старые механические образцы.

Уникальные эксплуатационные характеристики ТТР позволяют применять их без каких-либо ограничений с одновременным увеличением ресурса срабатываний. Все перечисленные достоинства этих приборов являются прекрасным поводом для того, чтобы попытаться собрать твердотельное реле своими руками. К минусам этих изделий следует отнести необходимость дополнительного питания, а также потребность в отводе излишков тепла, образующегося при работе с мощными нагрузками.

Инструкция по монтажу твердотельного реле

Сначала намечаем размещение радиатора, макетной платы и прочих деталей в корпусе и закрепляем их на места.

Симистор нужно изолировать от радиатора охлаждения специальной теплопроводной пластиной с применением теплопроводной пасты. Паста должна слегка вылезти из-под симистора при закручивании крепёжного винта.

Далее размещаем следующие детали в соответствии со схемой и припаиваем их.

Припаиваем провода для подключения питания и нагрузки.

Помещаем устройство в корпус, предварительно испытав его при минимальной нагрузке.

Готовое твердотельное реле:

Смотрите схему подключения фотореле

Видео испытания твердотельного реле с цифровым регулятором температуры:

Промышленный образец Siemens V23103-S2232-B302

Схема твердотельного приведена на рисунке:

По этой схеме своими руками твердотельное реле можно довольно быстро изготовить, трудностей при этом не возникнет. Главное – это найти необходимые компоненты или аналоги. Защита может находиться как внутри корпуса реле, так и отдельно. Теперь нужно рассмотреть дополнительные устройства, которые необходимо использовать совместно с реле.

Характеристики нагрузок реле по пусковым токам

Когда осуществляется подключение твердотельного реле к нагрузке, нужно знать характеристики последней:

  • нагрузки активного характера (ТЭНовые нагреватели) создают незначительные токовые скачки, их можно нивелировать, применяя ТТР, где происходит включение в ноль;
  • осветительные приборы накаливания и лампы галогенного типа, где от 7 до 12 раз сквозь них проходит больший ток, чем номинальный;
  • лампы флуоресцентные на время до 10 секунд дают пульсации тока выше номинального в 5 раз, а то и на порядок;
  • лампы ртутные на время до пяти минут могут перегружать цепь токами, завышенными в 3 раза;
  • реле электромагнитные переменного электричества на время до двух периодов претерпевают скачки в 3-10 раз;
  • ток в катушках соленоида на 1-2 порядка превышает номинал за десятую долю секунды;
  • двигатели электрические за половину секунды дают прирост тока до 10 раз;
  • приборы высокоиндуктивного характера с сердечниками насыщения (трансформаторы, когда они работают вхолостую), включены в фазе ноля по напряжению, ток достигает скачков, до 20, а то и до 40 раз превышающих номинал за время в 0.05-0.20 секунды;
  • когда включены нагрузки емкостного характера в фазе около 90 градусов, ток превышает номинальный в 20-40 раз за время до 10 миллисекунд.

Подключение

Но, перед тем как подключить твердотельное реле на транзисторах или симисторах, нужно знать несколько правил его установки:

  1. Силовое оптореле можно подключить только винтовым способом, сварка и пайка повредят хрупкие контакты;
  2. При работе устройство сильно нагревается, поэтому возле него не должно быть легковоспламеняющихся деталей;
  3. Некоторые модели реле (особенно в авто) очень легко и быстро нагреваются свыше 60 градусов, что может повредить их контакты. Чтобы избежать этого их следует устанавливать на радиатор охлаждения;
  4. При первом запуске очень важно следить за напряжением. Контролем нужно обеспечить его «ровное» состояние хотя бы на первое время, иначе устройство сгорит от короткого замыкания.

Схема подключения твердотельного реле практически такая же, как и включения в сеть обычного контроллера. На плату полевых транзисторов (симисторов, и т. д.) подается напряжение от локальной линии. Самое главное – это подать электрический ток на ноль-контакт (в цепи управления). Остальное наглядно демонстрирует схема:

Читайте также  Миксер для шпаклевки

Схема включения твердотельного реле

Особенности устройств

Отсутствие переходных процессов в виде дуги и искр увеличивает время эксплуатации в несколько раз. Если обычный контакт, в лучшем случае, рассчитан на 500 тысяч коммутаций, то силовой электронный элемент не имеет таких данных. Даже при более высокой стоимости, электронные реле выгоднее использовать еще и с точки зрения экономии, ведь для их включения и выключения необходимо меньше потратить электроэнергии по сравнению с традиционным электромагнитным реле, и управление мощной нагрузкой происходит непосредственно микросхемами.

Номенклатура типов изделий довольно большая: от миниатюрных размеров до устройств, управляющих двигателями исполнительных механизмов. Также разница и в типе коммутируемого напряжения, на постоянное и переменное. Это необходимо учитывать при выборе твердотельного реле.

У каждого устройства есть свои слабые стороны, и твердотельные реле не исключение. Ахиллесова пята электронных ключей — это чувствительность к току нагрузки, превышение которого электронные компоненты тяжело переживают, а при превышении в несколько раз, и вовсе выходят из строя. Поэтому при подборе или замене аппарата, необходимо ответственно подойти и к защите ключа защитными устройствами. Нужно выбирать ключи в два или три раза большим током, от коммутируемой нагрузки. Помимо этого важно снабдить силовую цепь предохранительными плавкими вставками или быстрыми специальными автоматами класса В.

Как выбрать полупроводниковое устройство?

Покупая твердотельное реле нужно обратить внимание на его основные характеристики:

  • Вид SSR.
  • Материал корпуса.
  • Тип включения – быстрый или постепенный.
  • Производитель.
  • Наличие крепежей.
  • Уровень потребления электроэнергии.
  • Размер ТТР.
  • Необходимо учесть коммутируемый регулятор напряжение.

Важно! Реле должно иметь большой запас мощности напряжения для его надежного и продолжительного использования. Иначе при скачке напряжения произойдёт поломка.

Выполняя работы по проведению электрической системы помещения и устанавливая оборудование, вне зависимости от его масштабов, важно чтобы всё работало надежно и исправно. Осуществлению этого способствует полупроводниковое устройство. При верном подборе типа SSR и правильной установке, оно будет долговечно.