Создание надежного твердотельного реле с нуля

Как самостоятельно собрать твердотельное реле своими руками — принципиальная схема, рекомендации по подбору деталей, инструкция по монтажу, пошаговые фото и видео.

• Схема
• Рекомендации по подбору деталей и монтаж корпуса
• Инструкция по монтажу
• Видео

Для очень многих устройств силовой электроники твердотельные реле просто необходимы. Их преимущество в несоизмеримо большем количестве срабатываний по сравнению с электромагнитными реле и большой скоростью переключений с возможностью подключения нагрузки в момент перехода напряжения через ноль, тем самым избегая тяжёлых пусковых токов. В некоторых случаях их герметичность тоже играет свою положительную роль, но одновременно лишая владельца такого реле преимущества в возможности ремонта с заменой некоторых деталей. Твердотельное реле в случае выхода из строя не ремонтируется и подлежит замене целиком, это его отрицательное качество. Цены на такие реле несколько кусаются, и получается расточительно.

Попробуем вместе сделать твердотельное реле своими руками с сохранением всех положительных качеств, но, не заливая схему смолой или герметиком, чтобы иметь возможность ремонта, в случае выхода из строя.

Схема самодельного электронного реле с мощностью до 10 A 60 В постоянного тока с оптически изолированным входом, предназначенное на замену обычным электромагнитным.

Твердотельное реле (SSR — солид стейт реле) — это электронное устройство переключения, что включается или выключается, когда малое внешнее напряжение подается через контакты управления. Чаще всего оно состоит из оптопары, которая реагирует на соответствующий входной сигнал (сигнал управления), и полупроводниковый электронное переключающее устройство, которое переключает нагрузку. Упрощённая схема и подключение показана ниже:

Данный проект позволяет заменить обычные 12-вольтовые электромагнитные реле универсального назначения, часто используемые в устройствах автоматики, автомобилях и другой аппаратуре, на более надёжные и скоростные электронные. Схема была разработан на базе IGBT/МОП оптопары TLP250/352, которая работает драйвером полевого транзистора MOSFET IRFP260. Реле состоит из оптически изолированного драйвера затвора и МОП-транзистора с низким сопротивлением канала. Сочетание низкого сопротивления и высокой возможной мощности нагрузки делают это реле подходящим для различных устройств переключения. Устройство обеспечивает изоляцию 3 кВ от входа до выхода.

Твердотельное реле в отличии от обычного электромеханического обладает рядом преимуществ, такие как долговечность, большая мощность но они и стоят дороже. Его к счастью можно вполне сделать и самому, самодельное твердотельное реле будет при этом не хуже.

Мощное твердотельное реле на 220В своими руками

• Резистор 330 Ом – 2 шт.;
• Резистор 220 Ом;
• Резистор 39 Ом;

Инструкция по созданию твердотельное реле своими руками:Схема твердотельного реле очень проста и с небольшим изменением была взята из даташита оптосимистора moc3041, резисторы я применил в СМД исполнении (большие на 330 Ом и 39 Ом типоразмера – 2512, маленький на 220 Ом – 0805):

Мощное твердотельное реле на 220В своими рукамиУправление осуществляется с помощью тактовой кнопки, через которую на вход оптосимистора подаётся напряжение около 5 В, при этом реле срабатывает и включается нагрузка, в моём случае лампа на 220В. Управляющее напряжение может быть не только 5В но и другое, для этого нужно будет рассчитать входной резистор, который на 220 Ом, чтобы ток на светодиоде оптосимистора не превышал 60 мА.

Транзисторное твердотельное реле

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.

TLP590B Datasheet Pdf

Такие преобразователи на выходе обеспечивают напряжение порядка 9 вольт, что вполне достаточно для управления моп-транзисторами. Из документации на эти преобразователи видно, что они очень маломощные и способные отдать на выходе ток всего лишь порядка 12мкА. У моп-транзисторов есть такой параметр – Заряд затвора – Qg. Пока затвор данного транзистора не получит необходимый заряд – транзистор не начнет открываться. Скорость заряда зависит от тока, который может обеспечить цепь управления, чем больше ток управления, тем быстрее затвор получает необходимый заряд, тем быстрее открывается транзистор. Тем меньше будет время, когда коммутирующий транзистор будет находиться в активной зоне выходной характеристики – тем меньше на нем будет выделяться тепла. Но в нашем случае, когда транзистор работает не в преобразователе, на относительно высоких частотах, а в качестве реле, вкл – выкл, ток в 12 мкА будет достаточен. Правда лучше конечно выбирать ключевые транзисторы с малым зарядом затвора. Например.

AOT7S60 Datasheet Pdf

Этот транзистор способен коммутировать напряжение 600В при токе стока 7А. Мощность стока при температуре +25 С — 100Вт. При этом заряд затвора Qg всего 8,2 нанокулона = 8,2nC. Для сравнения популярный транзистор IRF840 имеет Qg = 63nC.

IRF840 Datasheet Pdf

Для управления низковольтными нагрузками можно применить транзистор irlr024zpbf. При данных режимах измерения ток стока – 5А, напряжение сток – исток – 44В, напряжение затвор – исток -5В, имеет типовое значение заряд затвора Qg = 6,6nC.

Irlr024zpbf Datasheet Pdf

Но у меня таких транзисторов нет и я для реле использовал транзисторы IRL2505 с каналом типа n. У данного транзистора Qg = 130nC !

IRF2505 Datasheet Pdf

Другой транзистор с каналом типа р — IRF4905, у этого транзистора максимальный Qg = 180nC !!!

IRF4905 Datasheet Pdf

В качестве коммутирующего транзистора в этой схеме использован транзистор IRF4905 с каналом – р. Транзистор не был снабжен теплоотводом и в открытом состоянии нагревался до +60˚С при токе 2А. Напряжение 3,3В коммутировал нормально. Теперь, имея в своем распоряжении такой преобразователь, что нам мешает использовать в положительном проводе питания и транзистор с каналом n?

Результат превзошел мои ожидания. Транзистор IRF2505 без радиатора практически не грелся при токе нагрузки 4А. при напряжении на нагрузке 12,6 В В обоих экспериментах ток управления я выставил примерно 10 мА. Максимальный ток светодиода по документам – 50 мА. Больше 10 мА не стоит увеличивать ток – практически ни чего не меняется. Я очень доволен таким реле. Если описать параметры этой релюхи, применительно к электромагнитному реле, то они были бы такими. Напряжение срабатывания – какое хочешь ! Только подбирай R2. Ток срабатывания – 10 мА. Ток и напряжение коммутации – какое хочешь !!! (В разумных пределах конечно)Только подбирай транзисторы. Не слабо. Хотелось бы проверить данные устройства с коммутацией емкостных и индуктивных нагрузок. Это позже. Пока искал буквы на клавиатуре, пришла еще одна мысль. Если транзистор поставить в диагональ диодного моста, то можно коммутировать переменные напряжения. Таким реле можно коммутировать обмотки трансформаторов. Пока все. Всем удачи.

Схема твердотельного реле

Основу схемы составляют силовой симистор Т1 — BT138-800 на 16 А и управляющий им оптрон МОС3063. На схеме выделены чёрным цветом проводники, которые нужно проложить медным проводом повышенного сечения в зависимости от планируемой нагрузки.

Управление светодиодом оптрона мне удобнее запитать от 220 Вольт, а можно от 12 или 5 Вольт, кому как нужно.

Для управления от 5 Вольт нужно гасящий резистор 630 Ом поменять на 360 Ом, остальное всё одинаково. Номиналы деталей рассчитаны на МОС3063, если примените другой оптрон, то номиналы нужно пересчитать.

Варистор R7 защищает схему от бросков напряжения. Цепочку индикаторного светодиода можно совсем убрать, но с ней получается нагляднее, что аппарат работает.

Резисторы R4, R5 и конденсаторы C3, C4 служат для предотвращения выхода из строя симистора, их номиналы рассчитаны на ток не выше 10 Ампер. Если потребуется реле на большую нагрузку, то номиналы нужно пересчитывать.

Радиатор охлаждения для симистора впрямую зависит от нагрузки на него. При мощности триста Ватт, радиатор не нужен вовсе, и соответственно — чем больше нагрузка, тем больше площадь радиатора. Чем меньше будет симистор перегреваться, тем дольше проработает и поэтому даже кулер охлаждения не будет лишним.

Если вы планируете управлять повышенной мощностью, то наилучшим выходом будет поставить симистор большей мощности, например, ВТА41, который рассчитан на 40 Ампер, или подобный ему. Номиналы деталей подойдут без пересчёта.

Принципиальная схема SSR реле

SSR реле, предназначенное для переключения нагрузок постоянного тока до 10 ампер. Оно выполняет ту же функцию, что и любое электромеханические реле, но не имеет движущихся частей. Твердотельные реле имеют намного более быстрое время переключения по сравнению с электромеханическими, и не изнашивается. Входной триггер предназначен под напряжения 3 — 9 В постоянного тока (1,5 — 12 Вольт с транзистором), а выходная нагрузка под питание 12 — 100 В постоянного тока.

Характеристики твердотельного реле

• Входной управляющий сигнал 1,5 — 12 В постоянного тока
• Оптимальное напряжение самой схемы VCC 12 — 18 В
• Питание нагрузки 12 — 60 В постоянного тока
• Частота входного сигнала до 50 кГц
• Напряжение изоляции 3 kV

Примечание: нужно увеличить резистор на светодиоде, если питание нагрузки выше чем 24 В.

Здесь в схеме два варианта входа: ввод управления напрямую к диоду оптрона и входной сигнал подающийся через транзистор. Драйвер затвора необходимо питать в пределах 12 — 18 В постоянного тока. Теплоотвод необходим только для предельной нагрузки. До 5-ти ампер можно не ставить.

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:

https://youtube.com/watch?v=8ctklf-MoY0%3Ffeature%3Doembed

Рекомендации по подбору деталей и монтаж корпуса