Твердотельное реле своими руками: инструкция по сборке и советы по подключению

Твердотельное реле своими руками

Для многих схем силовой электроники твердотельное реле стало не просто желательно но и необходимо. Их преимущество – в  количестве срабатываний несоизмеримо больших, по сравнению с  электромеханическими,  на порядок (а на практике и того больше).

До изготовления твердотельного реле я обычно изготавливал  цепочки из симистора и схемы управления с гальванической развязкой типа симистороной  оптопары MOC30***. Для примера  будем использовать следующие (базовые) компоненты:

1. Симисторная оптопара MOC3083 (VD1)
2. Симистор с изолированным анодом марки BT139-800 16A (V1 от Philips)
3. Сопротивление для ограничения тока через светодиод MOC3083 (R1 750Ом 0,5Вт)
4. Светодиод индикации АЛ307А (LD1)
5. Резистор на управляющий электрод симистора 160 Ом (R2 , 0.125Вт)

Рис 1

Твердотельное реле – эта как бы инкапсуляция такой цепочки. Для изготовления твердотельного реле воспользуемся рекомендациями предложенными в сборнике [1 ] .

В ней автор рекомендует для повышения надежности электронных устройств (и самодельных в том числе) заключать их в эпоксидный брикет, приводя подробное описание данной технологии. Посмотрим, что нам понадобиться для изготовления твердотельного реле по этой методике. (см. фото 1).

Отметим попутно, что во время написания статьи [ 1 ] клеевые пистолеты ещё не были столь распространены как сейчас.

Итак, выбираем подложку из металла, который быстро проводит тепло, например алюминий. Размер и толщина подложки выбираются исходя из количества тепла, которое потребуется отвести от симистора с учетом того , что сама подложка для этой цели, может быть установлена на металлической поверхности.

Обратите внимание

 Далее выбираем опалубку для заливки, с таким расчетом, чтобы внутри нее разместить все элементы  указанной цепочки. В качестве опалубки используем любые удобные элементы из пластика напр.

цилиндр от пластиковой трубы, часть пластикового короба от кабельного лотка, в моем случае опалубка изготовлена из части пенала для принтерных  расходников. Далее приклеиваем  пистолетом опалубку к подложке, и заклеиваем отверстия и щели, если они есть. Помещаем схему, спаенную и проверенную.

Здесь необходимо отметить, что выводы у симистора определяются не всегда однозначно.

Чтобы проверить открывается ли симистор от протекания тока через светодиод оптопары MOC3083, в большинстве случаев,  можно узнать (без подключения напряжения 220В),  подцепившись тестером на мегаомах к выходным концам симистора схемы. При открывании симистора сопротивление будет падать от десятком мегаом  до единиц килом (по тестеру).

Для симистора, в обязательном порядке,  делаем промежуточный слой между спинкой корпуса и подложкой из теплопроводной пасты марки КПТ-8.

Если у симистора анод не является изолированным,  необходима также изоляционная прокладка, например из  пластинки слюды, вырезанной по размеру корпуса и обработанной пастой КПТ с обеих сторон (все элементы схемы не должны иметь электрического контакта с подложкой!). Далее, прижав корпус симистора,  фиксируем  его на подложке с помощью клеевого пистолета (рис 2).

Укладываем остальные части схемы, обращая внимание, чтобы они не касались металлической подложки, а находились  как бы «на весу».  Готовим компаунд для заливки формы в отдельной емкости. Для этого основной компонент эпоксидки смешиваем с порошком алебастра, не добавляя пока отвердитель.

Следует отметить, что алебастр добавляем не только для увеличения объема компаунда, но и для снижения текучести эпоксидки. В противном случае раствор ЭДП будет вытекать через мельчайшие отверстия в форме.  Добавляем отвердитель к полученной массе компаунда и вновь перемешиваем. Масса должна сохранять текучесть.

Важно

 Заполнив форму не следует беспокоиться об образовавшихся неровностях на поверхности брикета.  (рис 3).

Если расположить его на горизонтальной поверхности, то силы гравитации сделают поверхность достаточно гладкой в течении получаса  (рис 4) и имеющую цвет светлого кофе.

 Автор далек от мысли, чтобы настаивать на указанных материалах и технологии, как единственно возможной.

Наверняка, например, подойдет использование клея типа «жидкие гвозди» или полиуретановая пена в качестве компаунда, лишь бы материал обладал низкой электропроводностью и достаточной электрической прочностью.

Теперь внимательно посмотрим на исходную схему. Если подключать новоиспеченное реле к Arduino и т.п. устройствам на микроконтроллерах с питанием не более 5В, этой схемы будет достаточно.

Что же делать , если необходимо расширить диапазон управляющих напряжений, скажем, от 5 до 24 В? Схемотехника  MOC30** позволяет нам это сделать без дополнительных ухищрений, поскольку диапазон тока через светодиод  оптопары простирается там до 50 мА. Сложнее обстоит дело с индикаторным светодиодом, таким, например, как  АЛ307А .

Согласно рекомендациям производителей:  не следует устанавливать постоянный прямой ток /ПР через светодиод, близкий к максимальному пределу, указанному в даташите. Обычно это 20 мА. Длительная работа с таким током снижает долговременную надёжность. Для получения приемлемой яркости свечения достаточно задать ток 4…10 мА. Т.Е.

Совет

нужно каким-то образом организовать схему так, чтобы ток, протекающий по цепи АЛ307 – 1,2 MOC3083 мало зависел бы от прилагаемого напряжения.

Кажется , что наиболее просто этого добиться подключив стабилитрон D  после балластного сопротивления R1, учитывая тот факт, что напряжение на светодиоде, как правило линейно зависит от протекаемого тока, начиная от некоторого уровня (напр. 1,6 В) . В этом случае стабилитрон с  опорным напряжением 3,3В откроется при достижения опорного,  и будет «стравливать»  избыточный ток через себя.

Но более эффективны в этом случае схемы с питанием данной цепи источником тока [ 2, 3 ].

Следуя рекомендациям указанных источников,  построим схему с питанием стабильным током в диапазоне 7—14 мА и в диапазоне питающих напряжений 4—24В.

Рис 2

Освоив данную технологию и «набив руку», без  сомнения, можно изготавливать твердотельные реле в больших количествах  словно «горячие пирожки».  

Литература:

1. Бирюков С.А.Устройства на микросхемах: цифровые измерительные устройства, источники питания, любительские конструкции, Москва «Солон-Р», 2000, стр. 188
2. П. Хоровиц, У Хилл  Искусство  схемотехники, Москва, «Мир» ред. М.В. Гальперина 1986 Том 1. Стр.103
3. Горошков Б.И. Радиоэлектронные устройства (Справочник) М. «Радио и связь» 1984г

Список радиоэлементов

Скачать список элементов (PDF)

Подключение твердотельного реле (схема)

Элементы коммутации в электрических цепях оборудования различного назначения оказывают большое влияние на качество работы. Поэтому им уделяется повышенное внимание, реле постоянно совершенствуются их надежность и сроки службы увеличиваются. Одним из наиболее эффективных видов реле является твердотельные изделия. Читайте также статью ⇒ Реле напряжения.

Назначение и область применения твердотельных реле

Твердотельные изделия предназначены для обеспечения замыкания и размыкания участков в высоковольтных и низковольтных электрических цепях.

Они выполняют ту же функцию что и обычные реле с механическими размыкателями контактов на основе электромагнитной катушки.

Основное отличие в том, что оно не имеет механических контактов и электромагнита, коммутация осуществляется полупроводниковыми приборами.

Область применения таких реле та же что и обычных, используются при необходимости коммутации элементов индуктивной нагрузки:

• В системах нагрева с электрическими тэнами;
• В производственных технологиях, где необходимо поддерживать стабильную температуру;
• Для коммутации цепей систем управления в комплексе различного оборудования;
• В некоторых случаях твердотельными реле заменяют бесконтактные пускатели реверсного типа;
• В схемах управления электродвигателями;
• В системах контроля и диагностики оборудования, нагрева трансформаторов и других элементов с установленными пределами определенных параметров в процессе эксплуатации;
• В схемах управления уровнем освещения на различных объектах.

Невозможно перечислить все варианты, сфера применения этих изделий очень обширна.

Преимущества твердотельных реле

В виду явных преимуществ, твердотельные реле в сравнении с электромагнитными образцами, успешно вытесняют последние, рассмотрим, в чем их основные достоинства:

• Конструкции твердотельных реле имеют компактные размеры, надежную герметичность, стойки к механическим ударам и эксплуатации в условиях сильной вибрации;
• Надежность работы этих изделий такова, что производители гарантируют число срабатываний больше миллиарда раз;
• Работа прибора абсолютно бесшумна, так как отсутствует электромагнит и трескучая группа механических контактов;
• Высокое быстродействие;
• При срабатывании отсутствуют побочные электромагнитные излучения, создающие помехи для электроники и радиотехнической аппаратуры;
• Твердотельные реле практически универсальны, имеют высокую степень защит. Могут применяться на объектах с любыми производственными условиями, в бытовых условиях или на взрывоопасных участках;
• Сроки эксплуатации рассчитаны на десятки лет, при этом не требуется регулярного технического обслуживания;
• Так как отсутствуют электромагниты, то потребление электроэнергии твердотельных реле на 90% ниже контактных.

К достоинствам можно отнести и удобную конструкцию для монтажа в различных местах установки.

Конструкция твердотельных реле и принцип работы

Название твердотельное, указывает на структуру конструкции реле, схема которого собрана из полупроводниковых приборов на печатных платах, тиристорах, транзисторах или симисторах.

Все элементы помещаются в жесткий корпус, ингда заливаются эпоксидной смолой, таким образом, получается неразборная жесткая конструкция.

С наружи выведены только контакты для управления и коммутации подключаемой нагрузки.

Обратите внимание

Разные модели твердотельных реле

Фактически каждый отдельно взятый тиристор или транзистор является бесконтактным твердотельным реле. При подаче управляющего напряжения на полупроводниковый кристалл p-n-p переходы в его структуре открываются, пропуская ток, при снятии управляющего напряжения закрываются, останавливая поток электронов.

Обычное реле с электромагнитной катушкой и механическими контактами работает по такому же принципу. При подаче напряжения на электромагнитную катушку сердечник втягивается, размыкает или замыкает контакты в зависимости от конструктивных особенностей изделия.

Так как габариты полупроводников имеют малые размеры в одном корпусе можно разместить, комплексную систему коммутации групп контактов различного назначения с схемами на замыкание или размыкание.

При этом используются транзисторы, симисторы, тиристоры с р-n—p или n—p—n переходами, в зависимости от функционального назначения применяют соответствующие твердотельные реле.

Структурная схема твердотельного реле с основными элементами

Изделия отличаются по техническим параметрам по величине коммутируемого тока, напряжению управления и многим другим параметрам. В большинстве случаев сигнал управления на входе предается оптическим путем, через подсветку светодиодом, фотодиода для включения коммутации.

Виды твердотельных реле и схемы подключения

Разновидности твердотельных реле разделяют по следующим признакам:

• По характеристикам напряжения управляющего сигнала постоянное или переменное, его величина;
• По напряжению на линии коммутации, так же переменного или постоянного тока;
• По количеству фаз, в цепях переменного тока, однофазные или трехфазные реле;
• По схемам коммутации в трехфазных цепях могут быть варианты с реверсом и без него;
• По конструкции корпуса, для монтажа на плоскую поверхность, на дин – рейку или универсальные.

В некоторых случаях в одном корпусе с реле устанавливаются инверторы напряжения, тогда на входе изделия переменное напряжение а на выходе получается постоянное или наоборот, в зависимости от назначения инвертора. Полупроводниковые реле способны коммутировать нагрузку в цепи с токами до сотен ампер.

Твердотельное реле для коммутации трехфазной цепи переменного тока

Такие изделия применяют для управления работой асинхронных электродвигателей с питанием 380/220В. С левой стороны две клеммы для подачи управляющего напряжения постоянного тока с указанием полярности, величина от 4 до 32 В.

На контакты R—S—T подключаются три фазы по 220В от РЩ, к клеммам U—V—W провода, идущие к электродвигателю. При кратковременной подаче управляющего напряжения постоянного тока 12 или 24В все три фазы замыкаются, и ток поступает на обмотки электродвигателя.

Существуют реле с более простой схемой коммутации одной фазы, для подключения осветительной системы, нагревательных приборов и другого оборудования с питанием от 220 В.

Такое реле коммутирует однофазные цепи, принцип действия аналогичный на контакты управления подается напряжение постоянного тока от 3 до 18 В, в результате чего открывается тиристор пропуская ток через коммутируемую фазу.

На корпусе указаны основные технические характеристики этой модели. Напряжение в цепи коммутации должно быть не более 240 А, токи нагрузки не более 2.5А.

Схем коммутации много вариантов это зависит от функционального назначения систем в которых они используются.

В данной схеме в цепи управления и коммутации используются напряжения с постоянным током. Такие варианты часто применяются в схемах электроснабжения автомобильного транспорта, где источником питания является аккумулятор.

Поэтапный процесс подключения ТТР (твердотельных реле)

Рассмотрим один из простейших вариантов подключения полупроводникового реле в систему освещения:

• В распределительной коробке, РЩ или на другом участке цепи делается разрыв фазного провода;
• В этот разрыв подключается реле, контактами для коммутации цепи;

Подключение твердотельного реле в разрыв линии питания осветительных приборов

• На контакты управления с соблюдением полярности подключаются провода от источника питания постоянного тока, это может быть аккумулятор, трансформаторный или полупроводниковый инвертор.

Подключение цепи управления делается через кнопку пуска, так как достаточно кратковременно подать напряжение для открытия тиристора и замыкания цепи. При подаче управляющего напряжения и замыкании цепи коммутации светится светодиодный индикатор, при размыкании он гаснет.

• Обычно реле и блок питания для цепи управления крепятся к плоской поверхности саморезами или в распределительных шкафах на дин-рейку.

Блоки питания для цепей управления на дин-рейке

Такие схемы коммутации в системах освещения в целях безопасности производства эффективно применяются на объектах химической, горнодобывающей промышленности. Везде где есть вероятность взрыва в загазованном пространстве, отсутствие искрящих механических контактов существенно снижает вероятность взрыва. Читайте также статью ⇒ Реле тока приоритетное.

Критерии выбора твердотельных реле

Выбор полупроводникового реле определяет несколько факторов:

• Функциональное назначение схемы с нагрузкой, в которой его планируется использовать;
• Условия эксплуатации, влажность, окружающая температура;
• Технические параметры цепи питания схемы оборудования.

В первую очередь определяется ток, проходящий через цепи коммутации, для этого мощность нагрузки надо поделить на напряжение питания.

In = PU

Если в системе подключается нагревательный тэн мощностью 1.5 кВт, контакты реле должны выдерживать ток 1500Вт 220В = 6,8 А. Но обычно для запаса выбирают на 25% больше расчетной величины, это делается по причине неравномерного потребления тока на различных этапах работы нагрузки.

Приборы могут быть индуктивной или реактивной нагрузкой в цепи, реактивная нагрузка в момент включения имеет пиковый скачек по величине потребляемого тока. Кратковременные скачки тока существенно снижают сроки службы полупроводников в реле, поэтому их устанавливают с запасом мощности.

Характер нагрузки приборов исследован, рассчитан специальный коэффициент, на который умножается расчетное значение тока.

 В нашем случае нагревательный элемент с коэффициентом 1 х 6.8 = 6.8А.

Для индуктивных нагрузок желательно кратковременный процесс переключения, поэтому управление реле делаются со схемами, где полупроводниковые элементы открываются в любой момент фазы или при нулевом ее значении.

График управления коммутацией при прохождении током нулевого уровняФазное управление коммутацией

Для управления в системах цифровой техники логично использовать реле с управляющим напряжением 3-5В постоянного тока, так как сигналы управления в этих схемах имеют такие параметры.

Большое значение имеет температура окружающей среды, полупроводниковые элементы эффективно работают до 80  ̊С.

Поэтому в некоторых случаях реле устанавливают на металлический радиатор, который отводит тепло или делают принудительную вентиляцию.

В любом случае чтобы реле работало долго и надежно надо учитывать все детали условия эксплуатации и подбирать соответствующие технические характеристики.

Использование андруино

Для расширения возможностей и сфер применения твердотельных реле широко используют универсальные платы с процессором андруино, которые позволяют управлять переключением самых разных устройств.

Это тот случай, когда сигнал управления 3-5В, процессор подключается к компьютеру, с соответствующим программным обеспечением которое управляет работой твердотельных реле, посылая на вход сигналы управления.

Программное обеспечение можно корректировать самостоятельно, методика С++ не сложная, доступна для обычного обывателя не имеющего специального образования программиста и навыков в электронике. Эта тема требует отдельного детального рассмотрения. Управление осуществляется работой различных устройств:

• Замыканием кнопки пуска любого устройства (звонка, освещения, звуковой сигнализации);
• Поворотом устройства приводов;
• Включением электромоторов;
• Включением датчиков освещения;
• При пресечении лазерного луча в охранных системах сигнализации;
• Срабатывание датчиков движения;
• Датчики температур, управляющие отопительной системой;
• Отправлять сигналы на другой андруино и много других функций.

Все варианты применения этого устройства трудно описать, плата с процессором может содержать 1 — 4 – 8 и больше каналов. Коммутация может программироваться по времени или управляться с клавиатуры ПК.Для упрощения монтажа можно использовать универсальную панель, на которой можно собирать схемы любой коммутации без пайки, через разъемы с пружинными зажимами.Более сложная система, включающая в себя центральный контролер, позволяет контролировать и управлять бытовыми приборами, на базе андруино можно создать самостоятельно комплекс «Умный дом».

Ошибки, допускаемые при использовании твердотельных реле

• Чаще всего потребители не правильно делают выбор реле по техническим характеристикам, в результате чего оно не работает или быстро выходит из строя;

Характеристики входных сигналов управления твердотельных реле различных производителей

Характеристики цепей коммутации этих производителей

• При монтаже изделий для сетей 220 и 380В старайтесь их размещать в РЩ, а не в распределительных коробках и подрозетниках. Это упростит монтаж и доступ при необходимости изменения схемы или ремонта;
• Обязательно учитывайте полярность при подключении цепи управления и выхода реле с постоянным током.

Часто задаваемые вопросы

1. Как защитить реле от скачков тока и напряжения в аварийных ситуациях?

В первую очередь устанавливайте изделия, которое соответствует по техническим параметрам цепи, в которой производится коммутация.

При коротком замыкании большинство реле выдерживают повышенную нагрузку до 10 мс, в этом случае рекомендуется ставить полупроводниковые предохранители, которые отключают цепь за 2 мс.

И реле и предохранители стоят не дешево, но защита дорогостоящего оборудования вполне оправдывает затраты.

1. Какое пиковое напряжение реле надо выбрать в цепях 220В?

Реле через которое коммутируются цепи с переменным напряжением в 220В рекомендуется выбирать с 9 классом по напряжению, оно выдерживает пиковые скачки до 900В.

Инструкция по сборке твердотельного реле своими руками

Твердотельное реле (ТТР) – прибор из серии электронных компонентов немеханического действия. Отсутствие механики открывает больше возможностей любителям электроники сделать твердотельное реле своими руками для личного пользования.

Рассмотрим такую возможность подробнее.

Содержание статьи:

• Конструкция и принцип действия ТТР
  • Как работает твердотельное реле
  • Разновидности твердотельных переключателей
• Как сделать ТТР своими руками
  • Электронные компоненты для сборки схемы
  • Проверка собранной схемы на работоспособность
  • Устройство монолитного корпуса
  • Приготовление компаунда и заливка корпуса
• Выводы и полезное видео по теме

Конструкция и принцип действия ТТР

Если большая часть подобной электроники традиционно содержит подвижные детали контактных групп, твердотельное реле таких деталей не имеет совсем. Коммутация цепи схемой устройства осуществляется по принципу электронного ключа. А роль электронных ключей обычно исполняют встроенные в тело реле полупроводники – силовые транзисторы, симисторы, тиристоры.

Прежде чем пытаться изготовить твердотельное реле самостоятельно, логично ознакомиться с базовой конструкцией подобных устройств, понять принцип их функционирования.

Промышленным производством выпускаются реле твердотельные различной конфигурации, предназначенные под самые разные условия практического применения. Выбор модификаций обширный

В рамках плотного изучения прибора сразу же следует выделить преимущественные стороны ТТР:

• коммутация мощной нагрузки;
• высокая скорость переключения;
• идеальная гальваническая развязка;
• способность кратковременно держать высокие перегрузки.

Среди механических конструкций найти реле с подобными параметрами реально не представляется возможным. Вообще, преимущества относительно механических собратьев у твердотельных реле выражаются внушительным списком.

Два электронных прибора, функционально обеспечивающих коммутацию цепей: слева сделан на основе твердотельной конструкции, справа — традиционная механическая система переключения

Условия эксплуатации для ТТР практически не ограничивают применение этих устройств. К тому же отсутствие подвижных механических деталей благоприятно сказывается на продолжительности службы приборов. Так что есть все основания, чтобы заняться твердотельным реле – собрать устройство своими руками.

Однако, справедливости ради, наряду с положительными моментами следует отметить свойства реле, характеризуемые как недостатки. Так, для эксплуатации мощных приборов, как правило, требуется дополнительный компонент конструкции, который предназначен отводить тепло.

Важно

На случай коммутации мощной нагрузки реле твердотельного исполнения практически всегда дополняются мощными радиаторами охлаждения. Этот момент несколько усложняет применение ТТР

Радиаторы охлаждения твердотельных реле имеют габаритные размеры в несколько раз превосходящие габариты ТТР, что снижает удобство и рациональность монтажа.

Приборы ТТР в процессе эксплуатации (в закрытом состоянии) дают обратный ток утечки и показывают нелинейную вольт-амперную характеристику. Не все твердотельные реле допустимо использовать без ограничений в характеристиках коммутируемых напряжений.

Конструкция для применения только в схемах, где питание осуществляется постоянным током. Обычно эти приборы отличают малые габариты и небольшая мощность коммутации

Отдельные виды устройств предназначены коммутировать только постоянный ток. Внедрение твердотельных реле в схему обычно требует обращения к дополнительным мерам, направленным на блокировку ложных срабатываний.

Как работает твердотельное реле

Управляющий сигнал (обычно напряжение низкого уровня, исходящее, к примеру, от контроллера управления) подаётся на светодиод оптоэлектронной пары, присутствующей в схеме ТТР. Светодиод начинает излучать свет в сторону фотодиода, который в свою очередь открывается и начинает пропускать ток.

Обобщённая схема ТТР, наглядно показывающая, каким образом функционирует электронный прибор: 1 – источник напряжения управления; 2 – оптопара внутри корпуса реле; 3 – источник тока нагрузки; 4 — нагрузка

Проходящий через фотодиод ток приходит на управляющий электрод ключевого транзистора или тиристора. Ключ открывается, замыкает цепь нагрузки.

Так работает функция коммутации прибора. Вся электроника традиционно заключена в монолитный корпус. Собственно, поэтому устройство и получило название твердотельного реле.

Разновидности твердотельных переключателей

Весь существующий ассортимент приборов условно можно разделить по группам, исходя из категории подключаемой нагрузки, особенностей контроля и коммутации напряжений. Таким образом, в общей сложности наберётся три группы:

1. Устройства, действующие в цепях постоянного тока.
2. Устройства, действующие в цепях переменного тока.
3. Универсальные конструкции.

Первая группа представлена приборами с параметрами рабочих управляющих напряжений  3 – 32 вольта. Это относительно малогабаритная электроника, наделённая светодиодной индикацией, способная функционировать без перебоев при температурах -35 / +75ºС.

Широко распространённое исполнение электронного прибора для применения в однофазной электрической сети.

Также встречаются иные варианты конструкций, но значительно реже

Вторая группа – устройства, предназначенные под установку в сетях переменного напряжения.

Здесь представлены конструкции ТТР для установки в сетях переменного тока, управляемые напряжением 24 – 250 вольт. Есть устройства, способные коммутировать нагрузку высокой мощности.

Третья группа – приборы универсального назначения. Схемотехника этого вида устройств поддерживает ручную настройку на использование в тех или иных условиях.

Если отталкиваться от характера подключаемой нагрузки, следует выделить два вида твердотельных реле переменного тока: однофазные и трёхфазные. Оба вида рассчитаны на коммутацию достаточно мощной нагрузки при токах 10 — 75 А. При этом пиковые кратковременные значения тока могут достигать величины 500 А.

Широко распространённый вариант исполнения для применения в трёхфазной электрической сети.

Часто используется в качестве линейного регулятора мощных электрических нагревателей (ТЭН)

В качестве нагрузки, коммутируемой твердотельными реле, могут выступать ёмкостные, резистивные, индукционные цепи.

Конструкции переключателей позволяют без лишнего шума, плавно управлять, к примеру, нагревательными элементами, лампами накаливания, электродвигателями.

Надёжность работы в достаточной степени высока. Но во многом стабильность и долговечность твердотельных реле зависит от качества производства изделий. Так, устройства, выпускаемые под некой торговой маркой «Impuls», часто отмечаются непродолжительным сроком службы. С другой стороны, изделия фирмы «Schneider Electric» не оставляют повода для критики.

Как сделать ТТР своими руками

Учитывая конструкционную особенность прибора (монолит), схема собирается не на текстолитовой плате, как это принято, а навесным монтажом.

Вот такой выглядит самодельная конструкция твердотельного реле. Сделать нечто подобное несложно. Нужны лишь базовые навыки электронщика и электрика. Материальные затраты небольшие

Схемотехнических решений в этом направлении можно отыскать множество. Конкретный вариант зависит от требуемой коммутируемой мощности и прочих параметров.

Электронные компоненты для сборки схемы

Перечень элементов простой схемы для практического освоения и построения твердотельного реле своими руками следующий:

1. Оптопара типа МОС3083.
2. Симистор типа ВТ139-800.
3. Транзистор серии КТ209.
4. Резисторы, стабилитрон, светодиод.

Все указанные электронные компоненты спаиваются навесным монтажом согласно следующей схеме:

Принципиальная схема маломощного твердотельного реле для сборки своими руками. Небольшое количество деталей и простой навесной монтаж позволяют спаять схему без труда

Благодаря использованию оптопары МОС3083 в схеме формирования сигнала управления величина входного напряжения может изменяться от 5 до 24 вольт.

А за счёт цепочки, состоящей из стабилитрона и ограничительного резистора, снижен до минимально возможного ток, проходящий через контрольный светодиод. Такое решение обеспечивает долгий срок службы контрольного светодиода.

Проверка собранной схемы на работоспособность

Собранную схему нужно проверить на работоспособность. Подключать при этом напряжение нагрузки 220 вольт в цепь коммутации через симистор необязательно. Достаточно подключить параллельно линии коммутации симистора измерительный прибор – тестер.

Проверка работоспособности твердотельного реле с помощью измерительного прибора. Если на вход устройства подано управляющее напряжение, переход симистора должен быть открыт

Режим измерений тестера нужно выставить на «мОм» и подать питание (5-24В) на схему генерации напряжения управления. Если всё работает правильно, тестер должен показать разницу сопротивлений от «мОм» до «кОм».

Устройство монолитного корпуса

Под основание корпуса будущего твердотельного реле потребуется пластина из алюминия толщиной 3-5 мм. Размеры пластины некритичны, но должны соответствовать условиям эффективного отвода тепла от симистора при нагреве этого электронного элемента.

Каркас под заливку корпуса будущего прибора. Делается из картонной полосы или других подходящих материалов. На алюминиевой подложке закрепляется универсальным клеем

Поверхность алюминиевой пластины должна быть ровной. Дополнительно необходимо обработать обе стороны – зачистить мелкой шкуркой, отполировать.

На следующем этапе подготовленная пластина оснащается «опалубкой» — по периметру приклеивается бордюр из плотного картона или пластика. Должен получиться своеобразный короб, который в дальнейшем будет залит эпоксидной смолой.

Совет

Внутрь созданного короба помещается собранная «навесом» электронная схема твердотельного реле. На поверхность алюминиевой пластины укладывается только симистор.

Закрепление симистора на алюминиевой подложке. Главное условие – этот электронный компонент необходимо плотно прижать к металлическому основанию.

Только так обеспечивается качественный теплоотвод и надёжность работы

Никакие другие детали и проводники схемы не должны касаться алюминиевой подложки.

Симистор прикладывается к алюминию той частью корпуса, которая рассчитана под установку на радиатор.

Следует использовать теплопроводящую пасту на площади соприкосновения корпуса симистора и алюминиевой подложки. Некоторые марки симисторов с неизолированным анодом обязательно требуется ставить через слюдяную прокладку.

Вариант крепления симистора к подложке при помощи клёпки. С обратной стороны клёпка расплющивается заподлицо с поверхностью подложки

Симистор нужно плотно прижать к основанию каким-то грузом и залить по периметру эпоксидным клеем либо закрепить каким-то образом без нарушения глади обратной стороны подложки (например, заклёпкой).

Приготовление компаунда и заливка корпуса

Под изготовление твёрдого тела электронного устройства потребуется изготовить компаундную смесь. Состав смеси компаунда делается на основе двух компонентов:

1. Эпоксидная смола без отвердителя.
2. Порошок алебастра.

Благодаря добавлению алебастра мастер решает сразу две задачи – получает исчерпывающий объём заливного компаунда при номинальном расходе эпоксидной смолы и создаёт заливку оптимальной консистенции.

Смесь нужно тщательно перемешать, после чего можно добавить отвердитель и вновь тщательно перемешать. Далее аккуратно заливают «навесной» монтаж внутри картонного короба созданным компаундом.

Так выглядит готовый экземпляр твердотельного реле, собранного своими руками.

Несколько необычно и не очень презентабельно, но достаточно надёжно

Заливку делают до верхнего уровня, оставив на поверхности лишь часть головки контрольного светодиода.

Первоначально поверхность компаунда может выглядеть не совсем гладкой, но спустя некоторое время картинка изменится. Останется только дождаться полного застывания литья.

По сути, применить можно любые подходящие для литья растворы. Главный критерий – состав заливки не должен быть электропроводящим, плюс должна формироваться хорошая степень жёсткости литья после застывания. Литой корпус твердотельного реле является своего рода защитой электронной схемы от случайных физических повреждений.

Выводы и полезное видео по теме

Этот ролик показывает, как и на базе каких электронных компонентов можно сделать твердотельное реле. Автор доходчиво рассказывает обо всех деталях практики изготовления, с какими он столкнулся лично в процессе производства электронного коммутатора.

Видео о проблеме, с которой можно столкнуться после приобретения однофазного ТТР у продавцов из Китая. Попутно проводит своеобразный обзор устройства прибора коммутации.

Самостоятельное изготовление твердотельных реле — вполне возможное решение, но применительно к изделиям под низковольтную нагрузку, потребляющую относительно малую мощность.

Обратите внимание

Более мощные и высоковольтные приборы сделать своими руками сложно. Да и обойдётся эта затея по финансам в такую же сумму, какой оценивается заводской экземпляр.

Так что в случае надобности проще купить готовый прибор промышленного изготовления.

Твердотельное реле своими руками: схема

Изготовить твердотельное реле своими руками под силу даже начинающему радиолюбителю. Ничего сложного в конструкции этого устройства нет, но разобраться со схемотехникой, особенностями применения и подключения, все же нужно.

Твердотельное реле – это элемент, изготовленный на основе полупроводников. В его конструкции имеются силовые ключи на симисторах, тиристорах или транзисторах. Эти реле, работающие бесшумно, являются хорошей заменой контакторам и пускателям.

С их помощью устройства подключаются более надежно и безопасно.

В силовой электронике часто возникает необходимость использовать одно- или 3 х-фазное твердотельное реле. Своими руками изготовить это устройство можно по одной из схем, представленных в статье.

Преимущество твердотельного реле перед механическими контакторами очевидно – у них ресурс намного выше. И это из-за того, что в них нет ни одного механического компонента, а именно они являются наиболее уязвимыми.

Для изготовления твердотельного реле можно использовать цепочки, состоящие из схемы управления и симистора. Гальваническую развязку осуществляет симисторная оптопара. В схеме используются такие элементы:

А теперь давайте рассмотрим более детально процесс изготовления устройства.

Особенности процесса изготовления

Рекомендуется заключать все элементы схемы в металлический корпус, чтобы охлаждение происходило намного лучше. Для надежности нужно заливать короб при помощи клеевого пистолета.

Главное при работе – это правильно подобрать металлическую подложку, чтобы обеспечить наилучшее отведение тепла. Для изготовления используется опалубка, в которую заключается твердотельное реле постоянного тока.

Своими руками ее изготовить можно из любого материала.

Идеально подойдет пластиковая коробка или отрезок трубы. Все зависит от того, какой размер у изделия. Металлическая подложка должна размещаться в этой опалубке. Тщательно нужно залить клеем все элементы схемы, отверстия в корпусе, чтобы обеспечить качественную изоляцию.

Обратите внимание на то, что у симисторов выводы обычно неоднозначно определяются, поэтому их нужно заранее проверить. Для проверки открытия симистора необходимо использовать мегомметр.

Как только симистор откроется, сопротивление изменится от нескольких десятков мегаом до 1-2 кОм.

Особенности устройства твердотельного реле

Независимо от того, какой производитель твердотельного реле, элементная база у него постоянна – в редких случаях можно найти незначительные различия.

На входе обычно устанавливается резистор, соединяется он последовательно с оптическим устройством.

Иногда сопротивление изготавливается по сложной конструкции, в которую включается защита от обратной полярности и регулятор тока. Нужно выделить такие свойства твердотельных реле:

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.

Особенности защитной цепи

Как видите, трудностей при изготовлении нет никаких. Если сомневаетесь в своих силах, то лучше, конечно, приобрести промышленный образец устройства. Можно выделить ключевые особенности самодельных реле:

Если устройство используется для коммутации низких токов (до 2 А), то нет необходимости устанавливать радиатор. Но если токи высокие, будет происходить сильный нагрев элементов. Поэтому об охлаждении нужно позаботиться – установите дополнительный радиатор и кулер (если имеется возможность организовать питание для него).

Обратите внимание на то, что при управлении асинхронными моторами нужно увеличивать примерно в 10 раз запас по току. При запуске двигатель «тянет» из сети ток, который в несколько раз превышает рабочее значение. Именно по этой причине нужно использовать силовые элементы со значительным запасом по току.

Особенности работы и схемы включения реле

При изготовлении своими руками твердотельного реле на полевом транзисторе важно учитывать параметры схемы, в которой оно будет использоваться. Но давайте, чтобы разобраться в особенностях работы твердотельных элементов, рассмотрим обычные электромагнитные реле. В них, когда на обмотку подается напряжение, генерируется магнитное поле. С его помощью происходит притягивание контактов.

При этом цепь либо размыкается, либо замыкается. Есть один недостаток у такого механизма – имеется в конструкции немало подвижных элементов. У твердотельных их нет, а это является основным преимуществом. Также можно выделить следующие особенности:

А еще при работе не издается ни единого звука – просто открывается и закрывается переход полупроводника.

Пример подключения твердотельного реле

Вы знаете, как изготовить твердотельное реле своими руками. Аналоги такого устройства встречаются в продаже достаточно часто. Можно использовать как любительские схемы, так и промышленные – зависит от того, какие возможности нужно получить от устройства. С помощью такого устройства обеспечивается контакт высоковольтной и низковольтной цепей.

Большая часть промышленных устройств и самоделок имеет схожую структуру. Отличия несущественные, на работу не влияют никак. Убедиться в этом несложно. На рисунке приведена простейшая схема включения реле:

Структура устройства:

Вход – это первичная цепь, в которой устанавливается постоянное сопротивление. Функция входа заключается в приеме сигнала и передаче нужной команды на устройство, которое производит коммутацию нагрузки.

Развязка оптического типа

Оптическая развязка – это прибор, который осуществляет изоляцию входов и выходов. Когда происходит обработка сигнала, поступающего на вход, обязательно нужно использовать триггерную цепь. Это отдельный компонент, но иногда он включен в конструкцию оптической развязки. Цепь переключения используется в том случае, когда нужно подать напряжение к нагрузке.

Твердотельное реле

   Твердотельное реле – это современный модульный полупроводниковый прибор, содержащий в своем составе мощные силовые ключи на симисторах, тиристорах либо транзисторах. Такие реле используются для замены традиционных электромагнитных реле, контакторов и пускателей, так как обеспечивают наиболее надежный метод коммутации.

   Твердотельные реле, как правило, состоит из оптопары, которая изолирует входную цепь пуска, оптопару – гальваническую развязку и мощный симистор, который выступает в качестве выключателя.

Его название происходит от схожести с электромеханическими реле, но по сравнению с обычными, не происходит механического износа, кроме того, ТТР имеют возможность переключать даже очень большие токи. В этом случае у электромеханических реле быстро износятся контакты.

Также эти реле позволяют переключать нагрузку со скоростью гораздо выше, чем у электромеханических реле.

Преимущества твердотельных реле

•  – Нет механических деталей, подверженных износу.
•  – Включение и выключение нагрузки происходит только при переходе напряжения через ноль.
•  – Отсутствие электрических помех при работе.
•  – Широкий диапазон рабочих напряжения.
•  – Высокий уровень изоляции между управлением и цепью нагрузки.
•  – Высокая механическая прочность.
•  – Отсутствие шума при коммутации.

   Если у вас возникли проблемы с покупкой готового твердотельного реле, ассортимент которых уже достаточно широк, можно спаять его самому, по нижеприведённой схеме.

Принципиальная схема твердотельного реле

Особенности данной схемы:

•  – Управляющее напряжения от 3 В до 30 В постоянного тока.
•  – Выходное напряжение коммутации от 115 В до 280 в переменного тока.
•  – Минимальный рабочий ток от 50 мА.
•  – Выходная мощность 400 Вт (без радиатора на симисторе).

   Поэтому если это реле будет работать в условиях коммутации токов, превышающих 2 ампера, необходимо предусматривать охлаждающие радиаторы. При регулировке асинхронных двигателей запас по току нужно увеличить до 10 раз. Необходимо принять во внимание и тот факт, что способность твердотельного реле выдерживать перегрузки по току определяется уровнем «ударного тока».

   Форум по устройствам автоматики

   Схемы автоматики

Твердотельное реле – принцип работы и схемы подключения – Сайт об электрике

SSR (твердотельное реле) OMRON

Твердотельные реле применяют сейчас в промышленном оборудовании, там где нужна большая надежность и малые габариты. У твердотельных реле есть аббревиатура на русском – ТТР. По-английски название звучит Solid State Relay, SSR. То есть, ТТР и SSR – одно и то же.

Как не трудно догадаться, основной минус этих устройств – цена, но в этой статье поговорим о преимуществах и особенностях этих замечательных устройств.

Принцип работы и устройство твердотельных реле

Итак, что такое обычное реле? Это устройство, которое имеет контакты, и катушку управления. Контакты приводятся в действие (замыкаются, или размыкаются, не важно) подачей напряжения на катушку реле. То есть, нужно некоторое управляющее (активирующее) напряжение, которое приводит в действие контакты.

В твердотельном реле – то же самое. Есть управляющее напряжение (постоянное или переменное, разного уровня, зависит от типа реле), и есть «контакты», которые замыкаются.

Почему «контакты» в кавычках – потому что их реально нет, их роль выполняют полупроводниковые (твердотельные, отсюда и название) приборы.

Важно

Как правило, тиристоры или симисторы (для коммутации переменного тока) и транзисторы (для постоянного тока).

Твердотельное реле OMRON. Управляющие контакты — на переднем плане

В принципе, любой ключевой транзистор можно назвать твердотельным реле.  Например, в датчике движения или датчике освещенности на выходе стоит транзистор, который подает напряжение на обычное реле.

Обычное реле применяется не только для увеличения коммутируемого тока.

Транзистор может пропускать ток только в одном направлении, а вот симистор или тиристоры, используемые в твердотелках, прекрасно пропускают переменный ток (ток в обоих направлениях).

Так же, как и в обычных реле, в твердотельных существует гальваническая развязка между напряжением катушки и напряжением на силовых контактах. Только в «электромеханических» реле это достигается за счет разнесения в пространстве, а в твердотельных – за счет оптической развязки. Т.е, на входе стоит оптрон.

Твердотельные реле потребляют и теряют гораздо меньше энергии при работе, имеют меньшие габариты, высокое быстродействие, гораздо более длительный срок службы и всё это — абсолютно бесшумно!

Однако не стоит впадать в эйфорию, контакторы и реле прекрасно справляются со своими функциями не только в быту, но и в промышленной аппаратуре. И в обозримом будущем твердотельные реле их полностью не заменят, это точно.

Области применения твердотельных реле

Твердотельное реле применяются там, где нужен принцип «поставил и забыл». А обычные контакты даже производитель рекомендует чистить через несколько тысяч циклов замыканий.

У нас на предприятии на одном станке стоят соленоидные клапаны с питанием 24VDC 2А. Эти два клапана соединены параллельно, и включаются-выключаются с частотой примерно 1 раз в секунду.

Питание идёт через реле. И, несмотря на то, что номинальный ток реле 10А индуктивной нагрузки, приходилось менять его каждый месяц-два.

Поставили мы твердотелку – и забыли, работает без шума и проблем уже два года.

Совет

ТТР очень выгодно использовать там, где обычные контакты плохо справляются и горят как свечи, как в приведенном случае. То есть, нужна надежность. Например, когда надо часто коммутировать индуктивную нагрузку, где контакты залипают или выгорают. Либо, критическое значение имеет габариты устройства.

Что такое контактор и как его применить и выбрать — в моей статье.

А если Вам вообще интересно то, о чем я пишу, подписывайтесь на получение новых статей и вступайте в группу в ВК!

Часто ТТР применяют в системах регулирования температуры, где используются ТЭНы. Обычный пускатель (если ТЭН на 3 кВт и больше) развалится через год. Ведь, если нужна большая точность поддержания температуры и выставлен небольшой гистерезис, ТЭН будет включаться-выключаться очень часто. Самому ТЭНу от этого «не холодно, не жарко», а вот контактору придётся потрудиться в поте лица.

Применение в климатической камере 40А

На фото показано практическое применение. Климатическая камера, ТЭН 2,2 кВт, в защите — автомат С16. Управление с контроллера температуры. Щёлкает с периодом 2 секунды.

Виды ТТР

Где купить такие реле, не выходя из дома — см. ссылки в конце статьи.

Твердотельные реле по устройству и принципу работы можно разделить на следующие разновидности:

• По виду управляющего напряжения – переменное или постоянное (дискретные). Иногда на вход подключается переменный резистор, т.е. используется аналоговое управление, соответственно и выходное напряжение меняется плавно, как в диммере для освещения.
• По виду коммутируемого напряжения – переменное или постоянное.
• По количеству фаз для переменного напряжения – одна или три.
• Для трехфазных – с реверсом или без.
• По конструкции – монтаж на поверхность или на ДИН-рейку. Хотя, практически все производители предлагают переходные планки для универсального монтажа.

Кроме того, стандартной опцией для коммутации переменного напряжения является переключение в момент перехода через ноль.