В зоне контакта между корпусом симистора и алюминиевой подложкой следует использовать теплопроводящую пасту. Некоторые марки симисторов с неизолированным анодом обязательно должны проходить через слюдяную прокладку.
Транзисторное твердотельное реле
Твердотельное реле (SSR) — это электронное устройство, которое выполняет те же функции, что и электромеханическое реле, но не содержит движущихся частей. В твердотельных реле используется технология полупроводниковых приборов, таких как тиристоры и транзисторы.
Вместо подвижных контактов в ТТП используются электронные полупроводниковые переключатели, в которых цепи управления гальванически изолированы от цепей, находящихся под напряжением. К счастью, в настоящее время полевые транзисторы с переключением не являются проблемой. Итак, для создания твердотельного реле нам понадобится MOSFET-транзистор (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник) и оптопара. Статьи о транзисторных кнопках с оптоэлектрической изоляцией есть на страницах нашего сайта — «Транзисторные кнопки переменного тока».
В этой статье рассказывается о выключателе для коммутации переменного тока. Используя SMD компоненты, с помощью этой схемы можно построить ТТР переменного тока. Некоторые компоненты установлены на печатной плате, прикрепленной к алюминиевой раме. Транзисторы установлены на подложку через слюду. Конденсатор C1 должен быть танталовым или керамическим. Его мощность может быть уменьшена. Еще одна статья — «Транзисторный переключатель с оптической изоляцией».
В этой схеме в качестве переключающих транзисторов используются биполярные транзисторы различной структуры.
Существует и другая схема с гальванически развязанным ключом в моп-транзисторе с защитой от предельного тока нагрузки. Об этом рассказывалось в статье «Мощный переключатель постоянного тока в полевом транзисторе».
Все это хорошо, если напряжения, при которых ТТР, подаваемые на МОП-транзисторы, позволяют управлять этими полевыми транзисторами. Но как быть с коммутируемыми напряжениями, например, 3,3 вольта? Этого напряжения явно недостаточно для включения полевого транзистора. Вам нужен какой-то преобразователь, который может поднять управляющее напряжение хотя бы до пяти вольт. Использование классического импульсного преобразователя для реле очень неудобно. Но есть и другие конвертеры — оптические, например, TLP590B.
TLP590B Datasheet Pdf
Эти преобразователи обеспечивают выходное напряжение около 9 вольт, что вполне достаточно для управления транзисторами Моп. В документации на эти преобразователи указано, что они имеют очень низкую мощность и могут обеспечить ток на выходе только около 12 мА. Моп-транзисторы имеют параметр нагрузки на затвор — Qg. Пока затвор конкретного транзистора не получит необходимую нагрузку, транзистор не включится. Скорость зарядки зависит от силы тока, которую может обеспечить схема управления. Чем выше ток управления, тем быстрее затвор получает необходимую нагрузку и тем быстрее открывается транзистор. Чем меньше времени переключающий транзистор находится в активной зоне выходной характеристики, тем меньше тепла выделяется в нем. Но в нашем случае, когда транзистор работает не в преобразователе на относительно высоких частотах, а как реле включения-выключения, достаточно тока 12 мА. Конечно, лучше выбирать транзисторы с низкой нагрузкой на затвор. Например.
Этот транзистор способен коммутировать напряжение 600 В при токе стока 7 А. Рассеиваемая мощность при +25C составляет 100 Вт. Нагрузка на затвор Qg составляет всего 8,2 нанопары = 8,2nC. Для сравнения, популярный транзистор IRF840 имеет Qg 63nC.
IRF840 Datasheet Pdf
Транзистор irlr024zpbf можно использовать для управления низковольтными нагрузками. В этих режимах измерений ток стока составляет 5 А, напряжение сток-исток 44 В, напряжение затвор-исто к-5 В, а типичная нагрузка на затвор Qg = 6,6nC.
Но у меня такого транзистора нет, и я использовал для реле транзистор IRL2505 с n-каналом. Этот транзистор имеет Qg = 130nC !
Схема
Давайте посмотрим на схему этого очень полезного и нужного устройства.
Схема основана на 16-амперном симисторе BT138-800 T1 и управляющей оптопаре MOS3063. На рисунке черным цветом показаны проводники, которые должны быть снабжены медной проволокой большего сечения в зависимости от предполагаемой нагрузки. Мне удобнее управлять светодиодной оптопарой с напряжением 220 вольт или с напряжением 12 или 5 вольт, в зависимости от того, что требуется.
Для 5-вольтового управления замените гасящий резистор 630 Ом на 360 Ом, остальное — то же самое. Номинальные значения компонентов основаны на MOS3063. Если вы используете другой оптопару, значения должны быть пересчитаны. Варистор R7 защищает схему от пиков напряжения. Цепь светодиодного индикатора может быть полностью удалена, но она делает более очевидным факт работы устройства. Резисторы R4 и R5 и конденсаторы C3 и C4 используются для предотвращения повреждения симистора; их номиналы рассчитаны на максимальный ток 10 ампер. Если требуется реле с высокой нагрузкой, номиналы должны быть пересчитаны. Теплоотвод для симистора напрямую зависит от нагрузки симистора. При мощности в триста ватт теплоотвод вообще не нужен, и чем выше нагрузка, тем больше площадь поверхности теплоотвода. Чем меньше симистор перегревается, тем дольше он работает, поэтому охладитель имеет смысл. Если вы хотите управлять более высокой мощностью, лучшим решением будет симистор большей мощности, например, BTA41 40 A или аналогичный. Нет необходимости пересчитывать номинал компонента.
Детали и корпус
- F1 — предохранитель на 100 мА.
- S1 — любой маломощный переключатель.
- C1 – конденсатор 0.063 мкФ 630 Вольт.
- C2 – 10 — 100 мкФ 25 Вольт.
- C3 – 2.7 нФ 50 Вольт.
- C4 – 0.047 мкФ 630 Вольт.
- R1 – 470 кОм 0.25 Ватт.
- R2 – 100 Ом 0.25 Ватт.
- R3 – 330 Ом 0.5 Ватт.
- R4 – 470 Ом 2 Ватта.
- R5 – 47 Ом 5 Ватт.
- R6 – 470 кОм 0.25 Ватт.
- R7 – варистор TVR12471, или подобный.
- R8 – нагрузка.
- D1 – любой диодный мост на напряжение не менее 600 Вольт, или собрать из четырёх отдельных диодов, например — 1N4007.
- D2 – стабилитрон на 6.2 Вольта.
- D3 – диод 1N4007.
- T1 – симистор ВТ138-800.
- LED1 – любой сигнальный светодиод.
Изготовление твердотельного реле
Сначала отметьте положение радиатора, макетной платы и других компонентов в корпусе и закрепите их.
Симистор должен быть изолирован от радиатора с помощью специальной теплопроводящей пластины с теплопроводящей пастой. Паста должна выходить немного ниже симистора, когда вы затягиваете крепежный винт.
Как сделать ТТР своими руками?
Учитывая конструктивные особенности устройства (монолитность), схема монтируется не на текстолите, как обычно, а путем модульного монтажа.
Вот как выглядит самодельное твердотельное реле. Построить нечто подобное несложно. Все, что вам нужно, это базовые знания в области электроники и электрики. Низкие материальные затраты
В этом направлении можно найти множество схемных решений. Выбор зависит от требуемой коммутационной способности и других параметров.
Электронные компоненты для сборки схемы
Список элементов простой схемы для практического изучения и создания твердотельного реле своими руками выглядит следующим образом:
- Оптопара типа МОС3083.
- Симистор типа ВТ139-800.
- Транзистор серии КТ209.
- Резисторы, стабилитрон, светодиод.
Все эти электронные компоненты спаяны вместе в соответствии со следующей схемой:
Принципиальная схема маломощного твердотельного реле для конструирования реле «сделай сам». Небольшое количество компонентов и простой поверхностный монтаж упрощают пайку схемы.
Благодаря использованию в схеме оптопары MOS3083 для обработки управляющего сигнала, входное напряжение может изменяться в диапазоне от 5 до 24 вольт.
А благодаря схеме, состоящей из стабилизатора и ограничительного резистора, ток, протекающий через управляющий светодиод, снижается до минимума. Такое решение обеспечивает длительный срок службы светодиодного дисплея.
Проверка собранной схемы на работоспособность
Собранную схему следует проверить на правильность работы. Нет необходимости подключать напряжение нагрузки 220 вольт к цепи через симистор. Достаточно подключить измерительный прибор (регулятор) параллельно линии включения симистора.
Проверьте работу твердотельного реле с помощью измерительного прибора. Если управляющее напряжение подается на вход устройства, соединение симистора должно быть разомкнуто.
Режим измерения контроллера должен быть установлен на «мОм», а источник питания (5-24 В) в выходной цепи управляющего напряжения. Если все работает правильно, тестер должен показать разницу в сопротивлении от «мОм» до «кОм».
Устройство монолитного корпуса
Для основания будущего твердотельного реле вам понадобится алюминиевая пластина толщиной 3-5 мм. Размер пластины не критичен, но она должна подходить для эффективного отвода тепла от симистора при нагреве электронного элемента.
Каркас для отливки корпуса будущего устройства. Он изготавливается из полоски картона или другого подходящего материала. Он крепится к алюминиевой опоре с помощью универсального клея.
Поверхность алюминиевой пластины должна быть ровной. Кроме того, обе стороны должны быть отшлифованы и отполированы мелкой наждачной бумагой.
Выводы и полезное видео по теме
В этом видео показано, как и с помощью каких электронных компонентов можно собрать твердотельное реле. Автор объясняет все детали производственной практики, с которой он столкнулся при изготовлении электронного переключателя:
Видео о проблемах, которые могут возникнуть при покупке однофазного ТТР у продавцов из Китая. Попутно он дает своего рода обзор коммутационного устройства:
Самостоятельное изготовление твердотельных реле — вполне жизнеспособное решение, но только для изделий для низковольтных нагрузок с относительно низким энергопотреблением.
Устройства с большей мощностью и высоким напряжением трудно изготовить вручную. И стоить он будет столько же, сколько и заводской агрегат. Поэтому при необходимости проще купить готовый промышленный блок.
Если у вас есть вопросы по сборке твердотельных реле, задавайте их в комментариях, и мы постараемся ответить на них как можно более четко. Там же вы можете поделиться своим опытом сборки реле или предоставить ценную информацию по теме статьи.
