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.

Простая схема реле

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:

1. Оптопара типа МОС3083.
2. Симистор марки ВТ139-800 16А с изолированным анодом.
3. Ограничивающий резистор, который снижает ток, проходящий через светодиод.
4. Светодиод для индикации работы устройства.
5. К управляющему электроду симистора подключается резистор 160 Ом.

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:

1. При помощи оптической развязки обеспечивается изоляция различных цепей электронного устройства.
2. При помощи переключающей цепи удается осуществить подачу на нагрузку питающего напряжения.
3. С помощью триггерной цепи обрабатывается входной сигнал и происходит его переключение на выход.

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:

1. Управляющее напряжение – 3..30 В, ток постоянный.
2. К выходу допускается подключать источники напряжением 115..280 В.
3. Выходная мощность порядка 400 Вт.
4. Минимальный ток, при котором работает устройство, составляет около 50 мА.

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:

1. Включение и отключение нагрузки происходит только в том случае, когда напряжение проходит через нуль.
2. При работе не происходит появление помех электрического типа.
3. Достаточно большой диапазон напряжений, при котором работает устройство.
4. Между цепями управления и нагрузкой качественная изоляция.
5. Высокая механическая прочность изделия.

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:

1. Оптическая развязка цепей.
2. Триггерная цепь (может быть несколько).
3. Защитные устройства и переключатели.
4. Входы.

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.

виды и конструкция, рекомендации по изготовлению

Содержание статьи:

Старые механические реле отличаются двумя недостатками – малым быстродействием и ограниченным ресурсом по количеству допустимых переключений. Пришедшие им на смену электронные коммутаторы (другое название – твердотельное транзисторное или симисторное реле) полностью лишены этих недостатков, что привлекло к ним внимание специалистов по электронике. Отсутствие механических частей, а также простота схемы позволяют без труда собирать их в домашних условиях. Справиться с поставленной задачей поможет ознакомление с особенностями устройства и принципом работы этих элементов.

Что такое твердотельные реле и их классификация

Самодельное твердотельное реле

Твердотельные реле (или ТТР) – это электронные приборы со структурой, не содержащей механических компонентов. Принцип их действия основан на особенностях работы полупроводниковых переходов, отличающихся высокой скоростью коммутаций и защищенностью от физических полей.

Переключение твердотельных реле основано на принципе срабатывания электронного ключа.

В качестве ключевых элементов в этих изделиях традиционно применяются такие распространенные электронные компоненты, как транзисторы, управляемые диоды или тиристоры. В зависимости от используемых при их изготовлении структур ТТР подразделяются на приборы, построенные на основе одного из перечисленных элементов (реле на симисторах, например).

В соответствии с режимами работы и по виду коммутируемых напряжений образцы твердотельных реле, изготавливаемых на базе полупроводников, делятся на следующие группы:

• устройства, коммутирующие постоянный ток;
• приборы, управляющие работой нагрузочных линий с переменными токовыми параметрами;
• универсальные изделия, работающие в различных цепях.

Для первых устройств характерно управление постоянными напряжениями величиной не более 32 Вольт. Представители двух оставшихся позиций способны коммутировать значительные по величине потенциалы (вплоть до десятков киловольт).

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.

Самостоятельное изготовление

Чтобы изготовить реле тока своими руками, нужно запастись рядом электронных компонентов, составляющих основу коммутирующих цепей. Также потребуются специальные материалы, из которых будет изготавливаться корпус самодельного реле.

Электронные элементы

В качестве электронных компонентов, используемых при самостоятельном изготовлении простейшего образца ТТР, обычно применяются следующие распространенные детали:

• оптронная пара МОС3083;
• симистор марки ВТ139-800;
• биполярный транзистор серии КТ209;
• комплект резисторов, а также стабилитрон и светодиод, служащий индикатором срабатывания реле.

Схема твердотельного реле

Перечисленные электронные элементы спаиваются навесным способом согласно приводимой в источниках схеме. Наряду с другими компонентами она содержит в своем составе ключевой транзистор, подающий стабилизированные импульсы на управляющий диод оптронной пары.

Момент подачи фиксируется светодиодным элементом, использование которого в исполнительной цепи допускает визуальный контроль.

Под воздействием этих импульсов происходит мгновенное срабатывание полупроводникового симистора, включенного в коммутируемую цепочку. Применение в такой схемы включения оптронной пары позволяет управлять постоянными потенциалами от 5 до 24 Вольт.

Ограничительная цепочка из резистора со стабилитроном необходима для снижения амплитуды тока, протекающего через светодиод и управляющий элемент до минимальной величины. Такое схемное решение позволяет продлить срок службы большинства используемых при построении схемы элементов.

Конструкция корпуса (заливка компаундом)

Заливка платы компаундом

Для изготовления корпуса сборного изделия в первую очередь потребуется алюминиевая пластина толщиной 3-5 мм, она будет служить основанием под электронную сборку. Размеры выбираются произвольно при условии, что они гарантируют хороший отвод тепла в окружение. Еще одно требование, предъявляемое к этой детали – хорошо обработанная, абсолютно гладкая поверхность, отполированная специальным инструментом или до блеска зачищенная шкуркой.

На следующем шаге подготовки корпуса выбранная в качестве основания пластина оборудуется окаймлением из приклеиваемой по периметру полоски картона. В итоге получится небольшой короб, предназначенный для размещения уже собранной ранее электронной схемы. На его основании из компонентов жестко крепится только симистор, все остальные элементы удерживаются в пределах корпуса за счет собственных связей.

Для подключения к нагрузке и электропитанию наружу коробки выводятся соответствующие проводники.

В дальнейшем надежный крепеж всей сборки обеспечивается заливаемым в коробку жидкого компаунда, заранее подготовленного в подходящей емкости. После его застывания получится монолитная конструкция, по защищенности от вибраций и других воздействий не уступающая лучшим промышленным образцам. Единственный ее недостаток – невозможность разборки с целью последующего ремонта схемы.

Разновидности ТТР

При сборке схем твердотельных реле своими руками следует иметь в виду, что для этих целей могут использоваться самые различные компоненты. Ничто не мешает взявшемуся за работу человеку выбрать современные полевые транзисторы, например, отличающиеся высоким быстродействием и малым энергопотреблением. Эти элементы управляются только потенциалами, обеспечивая возможность коммутации достаточно мощных потребителей. Такие полевые структуры, как MOSFET способны переключать нагрузочные цепи, мощность в которых достигает десятков кВт.

Для самостоятельного изготовления твердотельного реле допускается подбирать другие полупроводниковые структуры, способные управлять силовыми цепями: тиристоры, например, или биполярные транзисторы. Главное – чтобы они соответствовали требованиям, предъявляемым к функциональности данной схемы и рабочим параметрам ходящих в ее состав элементов. Все остальное зависит от подготовленности и внимательности исполнителя.

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

Любителям потвердотельничать

Я тут уже пугал уважаемых читателей 500-градусным хотэндом. А теперь еще про одну пожароопасную штуку расскажу. История начинается с ‘любимой’ платы RAMPS, которая в бутерброде с Arduino Mega является чрезвычайно распространенным вариантом электроники для 3D-принтера. У RAMPS бывают проблемы с горячим столом — сочетание тонких дорожек, плохих клемм, плавающего качества пайки и не лучшего силового транзистора (мосфета) иногда приводят к пиротехническим спецэффектам. Одно из распространенных решений — применение твердотельного реле.

Если говорить от твердотельном реле постоянного тока — по сути, это мощный транзисторный ключ. Его управляющие контакты подключаются к выходу стола RAMPS, а через силовые уже идет питание стола. Казалось бы, все круто! Но тут на арену выходят дядюшка Ляо и его безрукие обезьянки.

Еще с тех времен, когда я собирался сколачивать из досок ‘прюшу’, у меня лежало твердотельное реле под названием Fotek SSR-40 DD. Как бы на 40 ампер, ага. Понятно, что жуткий подвальный левак, но ведь такого добра на Ali навалом. В общем, решил я его потестировать, подключил к принтеру, прикрутил для верности к профилю и начал работать. За 15 минут теплоотвод изделия прогрелся градусов до 80. Но оно исправно работало. Через несколько часов печати ABS (стол MK3 200×200, температура 100 градусов) у этого ‘фотека’ поплыл пластик корпуса. Допечатал, дал остыть и приступил ко вскрытию. Корпус поделки состоит из пластикового кожуха и теплоотводной пластины, слеплены они чем-то вроде герметика. К пластине винтом неплотно прикручен силовой мосфет. Далее, внутри имеется кусок пластика, разделяющий плату и теплоотвод. В моем случае расплавленный. Терять уже особо нечего, эксплуатировать такое нельзя, ломаю и добираюсь до цели — маркировки мосфета. Это FQA40N25. Нас сейчас интересует один веселый параметр — сопротивление ‘сток-исток’ открытого канала. Если без подробностей и графиков, оно в сферическом вакууме состаляет 51 миллиом. Путем несложных вычислений с применением закона Ома, знаний того, что у моего MK3 в холодном состоянии сопротивление 1.2 Ом, а блок питания выдает 14 В, получаем, что на мосфете рассеивается 6.4 Вт. Вроде и немного, но учитывая закрытый корпус реле и плохой теплоотвод, этого оказалось достаточно, чтобы поплавить все внутри. А теперь давайте посмотрим, что за мосфет стоит в нелюбимом RAMPS. Там STP55NF06L, его сопротивление в том же вакууме — 14 мОм. Неплохо, если китайцы действительно поставят его, а не что-нибудь ‘этакое’. А на моей нынешней игрушке, MKS SBase, установлены IRLR7843PBF, 2.6 мОм…

Так вот, буду делать выводы. Твердотельные реле такого типа предназначены скорее для коммутации более высокого напряжения. И установки на серьезный радиатор. Ну, потому что транзистор высоковольтный, до 250 В. Остальные характеристики, важные для нас, у него хреновенькие. Добавим к этому низкое качество сборки, и получим пожароопасную штучку. Я ни в коем случае не агитирую за использование ‘голой’ RAMPS, но тут еще неизвестно, что хуже.

Если я что-то забыл (например, то, как неохотно может открываться мосфет на рампсе) — приглашаю в комментарии спецов по полупроводниковой электронике, делиться граблями.

твердотельное реле от…

Не так давно я собрал и запустил свой принтер с большой областью печати.

При сборке принтера я заказал себе силиконовую грелку с размером 40*40 см и мощностью полтора киловатта.

Как назло о твердотельном реле я не подумал, т.к. расчитывал запитать стол через обычное реле, как не подумал и о потребляемой мощности. В общем когда я собрал принтер и запустил это дело то тот фейерверк, который я увидел через прозрачный корпус реле, меня весьма огорчил. Ествественно я стал искать твердотелку в моем мухосранске и… не нашел. Более того продавцы в радиолавках делали большие глаза и смотрели на меня как на чудака с другой планеты. при этом али завале копеечными предложениями, а тут нет от слова вообще. Я конечно заказал себе твердотелку с али, но грусть тоска меня овеяла.

Так как имею мало мальский опыт дружбы с паяльником я залез в тырнет и нашел схему твердотельного реле. Осознав что в ней нет ничего сложного я решил собрать ее.

Итак схема:

Конечно можно все сделать красиво! Но В одном месте чешется, Хочется печатать, да и схема плевая. Поэтому собираем все навесом. Получилось: Радиатор я взял от старого блока питания ATX.

Естественно что подобный монтаж очень опасен. все таки он подвижный. Поэтому в идеале все надо как то зафиксировать. Опять же в идеале это все залить какой нибудь эпоксидной смолой и радоваться жизни но смолы под рукой нету, а есть лень! Поэтому берем клеевой термопистолет и заливаем все это хозяйство чем нибудь липким, не забыв предварительно проверить все подключив!

Получаем:

Да! Да! Каркас под заливку мне тоже делать было лень!!! Поэтому просто заливал в несколько проходов чтобы нарастить изоляционно-фиксирующий слой на всех токоведущих элементах схемы.

Все! дальше подключаем к принтеру и в путь! Могу сказать что данная схема расчитана на ток до 60 ампер. Так как у меня портребление составляет порядка 7 ампер радиатор не греется от слова совсем и его смело можно было взять меньше. Но нам же лень!!! 🙂

итак получилось:

Осталось напечатать для реле корпус и спрятать всю порнографию за красивым пластиком.

Всем бобра!!!

Самодельное твердотельное реле — Электроника

Реально ли сделать самодельное твердотельное реле на три фазы?

Надо на 1,5 и 5 кВт. Возможно даже реверсивное.

Реально.

1,5 и 5 по каждой фазе или суммарно?

Что такое реверсивное?

Включатся надо в момент подачи упр. сигнала или в момент перехода фазы через «0»?

 

«засада» — для симисторов (и тиристоров) характерен эффект «дельта У/дельта Т», т.е. на индуктивной нагрузке можно «поймать» не выключение симистора (тиристора). Что бы этого избежать применяют шиберные цепочки (фазо сдвигающие, гасящие, и др. названия). Суть в параллельном включении с тиристором (симистором) RC цепочки.

Которая пропускает через себя (в обход симистора-тиристора) короткие импульсы. (Чрезвычайно упрощенное, на грани фола, объяснение).

Из-за этой же цепочки получается постоянное подключение нагрузки к сети, и наличие на нагрузке некого потенциала.

С этого места надо смотреть какая нагрузка, и какой тиристор (или симистор).

Какие по длительности и амплитуде импульсы может породить нагрузка при выключении.

Могут ли эти импульсы вызвать срабатывание Вашего тиристора-симистора, в его даташите прописано значение «дельта У/дельта Т».

 

Ну, а в общем это выглядит так:

эта схема предназначена для включения в момент перехода фазы через «0».

2-х ваттные резисторы ставятся исключительно из-за рабочего напряжения (500 Вольт), резисторы меньшей мощности имеют, как правило, меньшее рабочее напряжение.