Твердотельное реле своими руками: виды и конструкция, рекомендации по изготовлению

Самодельные твердотельные реле — схема и устройство

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.

  1. Что такое твердотельные реле и их классификация
  2. Преимущества ТТР
  3. Самостоятельное изготовление
  4. Электронные элементы
  5. Конструкция корпуса (заливка компаундом)
  6. Разновидности ТТР

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.

Читайте также:
Что такое гидроудар в трубопроводе – причины и следствия

Инструкция по сборке твердотельного реле своими руками

Опубликовано Артём в 02.03.2019 02.03.2019

Даже начинающий радиолюбитель способен собрать твердотельное реле. Это устройство создано на базе полупроводниковых радиодеталей. Силовые ключи собраны на тиристорах, транзисторах либо симисторах. Для изготовления схемы твердотельного реле своими руками, стоит выяснить принцип работы и особенности подключения устройства. В результате с его помощью можно повысить надежность и безопасность электроцепи.

Оптореле

В последние годы на смену обычным электромагнитным реле приходят опто-электронные твердотельные (оптореле). Они представляют собой сильноточные ключи с гальванической развязкой между входами управления и нагрузкой и предназначены для коммутации потребителя в цепях переменного и
постоянного токов.
Преимущества оптореле очевидны.

Схема

Посмотрим схему этого очень полезного и нужного устройства.

Основу схемы составляют силовой симистор Т1 — BT138-800 на 16 Ампер 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.

Виды устройств

Твердотельные реле можно разделить на несколько групп в соответствии с определенными параметрами. Чаще всего для классификации этих прибор используется категория подключенной нагрузки, а также способ контроля и коммутации напряжения. Таким образом, можно выделить 3 вида реле:

  • Приборы, работающие в цепях постоянного тока.
  • Переключатели для электроцепей переменного тока.
  • Универсальные реле.

К первой группе принадлежат ТТР с показателями коммутируемых напряжений 3−32 В. Они обладают небольшими габаритами, оснащены светодиодной индикацией и могут эффективно работать в температурном диапазоне от -35 до 75 градусов. Представителями второй категории являются переключатели, предназначенные для работы в электроцепях переменного тока при напряжении 24−220 В. Универсальные устройства имеют возможность ручной регулировки для использования в конкретных условиях.

Если классифицировать приборы по характеру подсоединенной нагрузки, то можно выделить 2 типа приборов, работающих в сетях переменного тока, — одно- и трехфазные. С их помощью можно управлять довольно высокой нагрузкой при силе тока 10−75 А. также стоит обратить внимание на пиковые показатели электротока, которые способны достигать 500 А.

Твердотельные переключатели можно применять в различных типах цепей, например, емкостных либо резистивных. Их конструкция позволяет избавиться от шума во время работы, а также добиться плавного управления приводами, например, электромоторами или лампами. ТТР отличаются высокой надежностью, но во многом срок службы приборов зависит от производителя.

Твердотельное реле своими руками

Это малый ток управления, отсутствие электромагнитных помех при коммутации потребителя, высокое напряжение изоляции, широкий диапазон рабочих температур. Кроме того, небольшие габариты и большая надежность (наработка на отказ) делают их очень удобными в различных применениях.
Технические характеристики оптореле
Управляющее напряжение, В, 5…

15
Управляющий ток, мА, 10
Нагрузка, не более, А, 16
Напряжение коммутации, В, 220
Семистор VS1 BT 139-600 необходимо установить на радиатор.
Применяя оптореле вы увеличиваете надежность и срок службы устройств.

Инструкция для самостоятельной сборки твердотельного реле на 12 В

Если вы намерены собрать твердотельное реле, то вам понадобится соорудить цепочку с симистором, схемой управления и гальванической развязкой (по типу симисторной оптопары).

В качестве иллюстративного образца предлагается воспользоваться следующими деталями:

  • симисторной оптопарой MOC3083 (VD1);
  • симистором с изолированным анодом BT139-800 16A (V1 от Philips);
  • сопротивлением для ограничения тока через светодиод MOC3083 (R1 750Ом 0,5Вт);
  • светодиодом индикации АЛ307А (LD1);
  • резистором на управляющий электрод симистора 160 Ом (R2 , 0.125Вт).

  1. Для самостоятельной сборки твердотельного реле понадобится в первую очередь металлическая (лучше всего из алюминия) быстро проводящая тепло подложка. Конкретные габариты подложки (размеры и толщина) зависят от того, какое количество тепла нужно будет отводить от симистора (учитывайте также, что и сама подложка может располагаться на поверхности из металла).
  2. После потребуется опалубка под заливку. Она должна быть таких размеров, чтобы вместить все компоненты устройства. Под опалубку пойдёт любая подходящих габаритов пластиковая деталь.
  3. Клеевым пистолетом опалубка скрепляется с подложкой. Герметизируются все имеющиеся щели.
  4. Размещается предварительно спаянная и протестированная схема. Учтите, что не всегда можно сразу же точно определить положение выводов симистора. Чтобы уточнить этот момент следует соединить тестер на мегаомах с выходными концами симистора. Если симистор открывается, то уровень сопротивления вместо десятков мегаом снизится до единиц килоом.
  5. Между спинкой корпуса симистора и поверхностью подложки необходима прослойка из теплопроводной пасты (КПТ-8). Ранее не изолированный анод симистора также необходимо отгородить изоляционной прокладкой. В любом случае, ни одна составляющая схемы не должна иметь прямого контакта с металлической подложкой.
  6. Вновь вооружившись клеевым пистолетом нужно скрепить корпус симистора с подложкой.
  7. Уложить все прочие составляющие схемы, продолжая крепить их так, чтобы они не контактировали с подложкой.
  8. Залить форму компаундом.
Читайте также:
Цвет холодильника Liebherr: модели бежевые и красные, цветные и черные, синие и зеленые

Изготовление 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.

Испытание прошло успешно.

Коммутационные разновидности твердотельного реле

По типу коммутации существую следующие разновидности твердотельного реле:

  • приборы, осуществляющие нагрузки по ёмкостному и редуктивному типу, обладающие слабой индукцией;
  • приборы, оснащённые функцией случайного, либо мгновенного выключения, применяются для механизмов и систем, где возникает необходимость мгновенного срабатывания;
  • приборы с фазовым управлением, помогают настраивать нагревательные элементы и лампы накаливания.

Смотрите видео

Смотрите видео испытания устройства совместно с цифровым регулятором температуры.

Защита твердотельного реле

Для того, чтобы обеспечить бесперебойную работу реле применяется специальная цепь защиты. Она может быть внутренней или внешней.

Для внутренней защиты можно воспользоваться разнообразными предохранителями:

  • g R –обеспечивает высокий уровень быстродействия, подходят для работы с широким спектром мощностей;
  • g S –применяются для работы с токами разной силы и помогают защищать полупроводники при излишне высоких нагрузках питающей сети;
  • a R –применяются как страховка от потерь, наносимых коротким замыканием.

К сожалению, покупка такого предохранителя обычно немногим уступает цене, за которую приобретают само реле. Если на такую роскошь тратиться жалко, то можно воспользоваться предохранителями класса В, С и D, которые не столь качественны, но и стоят гораздо меньше.

Простое полупроводниковое реле своими руками

Как мы видим, полупроводниковая технология является основой для любого полупроводникового реле.

Основные параметры CPC1035:

  • Напряжение переключения (напряжение блокировки) — 0 … 350 В;
  • Максимальная токовая нагрузка (ток нагрузки) составляет 100 мА;
  • Макс. Сопротивление по сопротивлению — 35 Ом;
  • Размер управляющего тока 2 … 50 мА (постоянный ток управления).

Такие низкоэнергетические и миниатюрные реле активно используются в датчиках безопасности.

Здесь, например, реле COSMO тип CPC1008 на панели датчика движения «Фотон-Ш», Он подключен к петле безопасности приемных и контрольных устройств (например, PPKOP «гранит») или к линии, которая подключена к центральной станции управления (CMS).

Серия твердотельных реле CPC10xx также в датчике безопасности «Астра-621»,

Это многофункциональный датчик. Он контролирует движение в защищенном пространстве из-за пироэлектрического датчика и управление прерыванием окон из-за чувствительного микрофона. На печатной плате имеется два полупроводниковых реле CPC1016N.

Один срабатывает, когда движение обнаружено в области защиты, а другое срабатывает, когда окна прерываются.

Если вы посмотрите внимательно, вы увидите, что полупроводниковое реле на печатной плате определено как DA4 и DA5.

Как известно, аббревиатура DA Обычно они показывают аналоговые схемы на схемах. Поэтому разумно понимать, что полупроводниковое реле не является отдельным электронным компонентом, а по существу специальным микрочипом, подобным ИК-приемнику.

Твердотельные реле имеют основное предназначение — обеспечение изоляции между цепями, имеющими разное напряжение; работать они могут в самых разных приборах — от домашней техники до крупных производственных систем.

Твердотельные реле, в зависимости от своей конструкции, обеспечивают бесконтактную коммутацию цепей переменного или постоянного тока различного напряжения.

Реле производства «CAHO», Тайвань

Твердотельные реле (SSR — Solid State Relays) этого производителя подходят для коммутации силовых цепей под управлением сигналов слабого тока.

Сигнал слабого тока управляется за счет применения силового ключа, действующего через гальваническую развязку. В цепях с постоянным током применяют IGBT транзисторы, а с переменным током — симисторные и тиристорные ключи. Немаловажное преимущество устройства компактные размеры, за что их и называют малогабаритными твердотельными реле переменного тока. Впрочем, малые размеры вовсе не означают низкую функциональность.

Классификация твердотельных реле

Твердотельные реле различаются по своим конструктивным и техническим характеристикам.

  • постоянного тока,
  • переменного тока,
  • одно- и трехфазные,
  • с фазовой регулировкой за счет изменения угла открытия ключа,
  • регулирующие соединение за счет пропуска тока через нулевую фазу,
  • в стандартных корпусах,
  • в модульных корпусах.

Преимущества твердотельных реле

  • Точность и стабильность регулирования температуры в цепях,
  • отсутствие дребезжащих контактов, возможных источников возникновения искры,
  • низкий уровень потребления энергии,
  • отличная изоляция соединений,
  • длительный срок бесперебойной работы,
  • надежность эксплуатации,
  • максимально низкий уровень шума.

Купить твердотельное реле постоянного тока и малогабаритные реле переменного тока вы можете через наш сайт или обратившись к менеджерам компании по телефону: +7 (495) 979-99-45.

Простое твердотельное реле своими руками

Твердотельное реле, представляющее собой мощный тиристорный (симисторный) электронный ключ удобнее, надежнее, имеет значительно больший ресурс и работает бесшумно, по сравнению с традиционными электромагнитными реле. Такой ключ-реле не имеет подвижных частей, искрящих-пригорающих-изнашивающихся контактов. Не трудно сделать (даже в кустарных условиях) такое электронное реле любой мыслимой степени защиты (пыль, влажность, агрессивные среды). В большинстве случаев электронные ключи-реле с успехом применяются для коммутации нагрузки на переменном токе в строящихся приборах и аппаратах, модернизируя или ремонтируя старые приборы (применяя мощные электронные ключи) улучшаем их характеристики. Например, выход из строя примененных в множестве бытовой техники механических термостатов с биметаллическими изгибающимися контактами – очень частая причина поломок. Применив подобный электронный ключ мы разгружаем контактную группу штатного механического термостата, колоссально повышая его ресурс.

Читайте также:
Столы для кухни в стиле лофт

Здесь, реле-электронный ключ предназначено для управления электрическими нагревателями-спиралями в специальной печи небольшой мощности. Твердотельное реле управляется температурным контроллером имеющим специальный выход. Для сопряжения с контроллером применен транзисторный каскад. В целом, схема исполнительной части повторяет [1], отличаясь исполнением. Здесь, в качестве ключей применены симисторы в корпусах ТОР-3, что позволило сделать сборку вполне компактной.

Принципиальная схема твердотельного реле на симисторе. Здесь применен симистор ВТА-41, транзистор КТ315. Симисторная оптопара – МОС3020 (ток включения светодиода 30 мА). Цепочка С1, R3 предназначена для улучшения динамических характеристик симистора, меньшее из диапазона сопротивлений соответствует резистивной нагрузке ключа, большее – индуктивной. Резистор греется, лучше подобрать керамический, мощностью не менее 5 Вт. При необходимости, ключ может быть применен и для ручного включения, подобно [2], в этом случае транзисторный каскад удаляется, а на светодиод подается питание от маломощного сетевого блока. Такую схему исполнительного устройства можно применить и для контроллеров, не оснащенных специальным (для твердотельных реле) выходом. Достаточно, чтобы устройство управления имело обычный релейный выход, пусть и слабый. Нормально разомкнутую группу контактов штатного реле, следует при этом включить в разрыв питания светодиода.

В качестве радиаторов для симисторного ключа применены алюминиевые корпуса от отслуживших свой срок жестких дисков персонального компьютера. Они оказались вполне удобны для такого применения – преотлично нашлось место для крепления симистора, хорошо поместились и все детали высоковольтной части. Размер корпуса у HDD стандартен, имеются отверстия с нарезкой для специальных коротких саморезов. В ряде случаев, очень удобно применять и металлический корпус от старого системного блока. Модули симисторных ключей при этом монтируются на штатные места в специальную «корзину». Узко-высокий корпус-башню лучше проектировать для ее горизонтального положения, при этом все радиаторы с ключами внутри будут расположены вертикально, для нормального естественного охлаждения (не забыть про вентиляционные отверстия). Либо применять обдув и контроль температуры.

Мой блок управления будет трехфазным, это усложнит схему и увеличит громоздкость блока управления, зато втрое снизит проходящие токи, равномерно распределит греющиеся элементы (симисторы, элементы снабберов) и позволит задействовать пусть и перекошенную, но трехфазную деревенскую сеть.

Что понадобилось для работы.

Набор инструмента для электромонтажа, паяльник средней мощности (40…60 Вт) с принадлежностями, мультиметр, фен строительный или специальный для работы с термотрубками.

Набор инструмента для некрупных слесарных работ, ножницы по металлу, электрическая дрель или шуруповерт, набор сверл.

Материалы – отслужившие HDD, потребные радиоэлементы, крепеж, провод, мелочи

В своем электрическом хламе подобрал три гарантированно ненужных жестких диска, удалил платы контроллеров и механическую часть, оставил только крашеный порошковой краской алюминиевый поддон. В одном из вариантов HDD мотор дисков оказался насмерть запрессованным, оставил как есть, он не помешает.

Разметил места креплений для крупных элементов. Керамический 10 Вт резистор снаббера закрепил жестяной обоймой вырезанной из банки от сгущенного молока (съесть, отмыть, высушить, отрезать торцы, выровнять). Обоймы с резисторами закрепил винтиками М3 (+гайки-шайбы-стопоры).

Симисторы в выбранном месте прижал планками из нетонкого текстолита. Те же винтики М3 со всем сопутствующим, симистор изолировал от радиатора пластинкой из тонкой слюды. Под пластинку и под симистор плюхнул немного теплопроводящей пасты.

Весь электромонтаж велся короткими жесткими проводами – толстой медной луженой проволокой изолированной термотрубкой. Схема несложная, хватило выводов механически закрепленных элементов. Для более удобного подключения нагрузки, сделал от ножек симистора короткие проволочные выводы, сигнал управления подключается к выводам торчащей оптопары. Чтобы не путаться, незадействованный вывод откусил.

Испытания нагрузкой показали, что железка при работе с 2 кВт нагрузкой нагревается незначительно. Вместо сигнала управления зажигал светодиод оптопары от регулируемого БП, установив ток защиты 10 мА.

После проверки работоспособности каждого ключа, собрал трехфазный макет. Все три светодиода оптопар ключей (МОС3022, ток включения светодиода 10 мА) включены параллельно к одному транзисторному каскаду. Такое включение не рекомендуется – сложно достичь полной синхронности работы из-за неравенства, неидентичности оптопар. Мне пришлось применить оптопары имеющиеся. Из их большого количества отобрал три с одинаковыми измеренными параметрами светодиодов. Кроме того, возможной несинхронностью включения нагревателей в печи вполне можно пренебречь. Собственно, даже отказ одного из нагревателей скомпенсирует термоконтроллер.

Согласующий транзисторный каскад собран на отдельной некрупной платке и снабжен специальными проволочными выводами для винтовых клемм контроллера. Для уменьшения возни с травлением платку спроектировал так, чтобы границы между широкими контактными площадками легко и удобно прорезать бормашиной.

В качестве нагрузки-индикатора включил три 60 Вт лампы накаливания. Чтобы ничего не замкнуло в самый неподходящий момент, смонтировал все крупные элементы на живую нитку на куске ДСП. Пришлось к рабочему столу протянуть и все три фазы. Все отлично, все три включаются синхронно и надежно.

Твердотельное реле – устройство и особенности конструкции

Главная страница » Твердотельное реле – устройство и особенности конструкции

Электромеханическое реле (ЭМР) — недорогой, простой в использовании электронный прибор. Этот вид коммутаторов позволяет переключать цепь нагрузки посредством управления электрическим изолированным входным сигналом. Но электромеханическое реле обладает существенным недостатком – действует на механической основе. Фактор механики ограничивает, к примеру, скорость переключения (время отклика) контактной группы. В этом смысле конструкция твердотельных реле выглядит более привлекательной. К тому же эксплуатационную долговечность твердотельное реле гарантирует более длительным сроком по сравнению с прибором механического действия.

Читайте также:
Строительство бани из бревна: полезная информация о сооружении

Твердотельное реле: причины появления

Именно с целью преодоления отмеченных недостатков ЭМР, был разработан другой тип устройств коммутации, называемый твердотельным реле (ТТР). Относительно новый прибор короткого замыкания представляет собой твердотельный бесконтактный, чисто электронный конструкторский вариант.

Существующий ассортимент приборов открывает широкие возможности для решения задач электро-электронного характера. Самые разные модели ТТР предлагает рынок электроники

Полупроводниковое реле, выступая исключительно электронным устройством, логически отрицает наличие движущихся частей в составе конструкции. Функции механических контактов твердотельного устройства заменены силовыми полупроводниковыми ключами:

  • транзисторами,
  • тиристорами,
  • симисторами.

Электрическое разделение (развязка) между входным управляющим сигналом и входным напряжением нагрузки осуществляется при помощи высокочувствительной оптопары.

Особенности исполнения электронных коммутаторов

Исполнение твердотельного реле обеспечивает высокую степень надежности, долговечность эксплуатации. Практика применения отмечает существенное снижение электромагнитных помех. С точки зрения скорости действия – ТТР показывает мгновенное время отклика по сравнению с обычным электромеханическим коммутатором.

Требования по отношению к мощности управления входным сигналом твердотельного реле, как правило, достаточно низки. Поэтому твердотельным приборам присуща обширная совместимость.

Возможная конфигурация приборов: 1, 2, 3, 4 — схема управления ключом; А — транзисторная на постоянный ток нагрузки; В — тиристорный мост под переменный ток; С — последовательное включение тиристоров под переменный ток; Е — симисторная под переменный ток

Электронные коммутаторы совместимы с большим числом компонентов семейства логических интегральных схем. При этом нет необходимости внедрения дополнительных буферов, драйверов, усилителей сигнала.

Однако, будучи полупроводниковым устройством, твердотельные реле часто требуют установки на мощные радиаторы охлаждения для предотвращения перегрева ключевого переключающего полупроводника.

Твердотельное реле: логика действия

Функционально приборами переменного тока предусматривается переключение в состояние «включено» в точке пересечения нуля синусоидальной формой переменного тока. Так предотвращается момент высоких пусковых токов при переключении индуктивных или емкостных нагрузок.

Фактор переключения: 1 — состояние ключа «включено»; 2 — состояние ключа «отключено»; 3 — актуальная точка включения; 4 — напряжение включения; 5 — актуальная точка отключения; 6 — отпирающее напряжение; 7 — состояние выхода

Обратная функция переключения тиристоров, транзисторов, симисторов в состояние «выключено» обеспечивает улучшенные характеристики с точки зрения возможного образования электрической дуги, чем традиционно «болеют» контакты электромеханических реле.

Аналогично конструктивному исполнению электромеханических реле, на выходных клеммах ТТР также требуется наличие цепи демпферов из серии резистивно-конденсаторной группы. Таким способом осуществляется защита выходных полупроводников коммутационных устройств от импульсных помех и напряжений.

Как правило, этот вид помехи образуется при переключении высоко-индуктивных или ёмкостных нагрузок. Конструктивное исполнение большинства современных ТТР предусматривает внедрение защитных RC-шлюзовых цепей непосредственно в тело приборов. Этот момент исключает необходимость дополнять схему внешними электронными компонентами.

Ненулевые переключатели-детекторы перекрестных помех (мгновенное включение), типичные ТТР, используются в конструкциях с фазовым управлением.

Варианты управления ТТР: А — прямое переключение управления; В — транзисторное переключение; С — управление логическим элементом: Е — управление микроконтроллером

Простой пример: управление освещением на концертах, шоу, дискотеках и т. п. Также часто устройства используются для управления скоростью вращения вала электродвигателей. Поскольку выходным коммутационным устройством твердотельного реле является полупроводниковое устройство (транзистор для цепей коммутации постоянного тока или комбинация симистор-транзистор для переключения переменного тока), падение напряжения на выходных клеммах ТТР обычно достигает 1,5-2,0 вольт. При многократном переключении больших токов потребуется дополнительный тепловой отвод с помощью металлических радиаторов.

Системы ввода-вывода модульного типа

Модульный интерфейс ввода-вывода также следует рассматривать типичным твердотельным реле, специально предназначенным под интерфейсы компьютеров, микроконтроллеров, для «реальных» нагрузок и переключателей.

8-канальный модуль твердотельного реле (переменного тока), оснащённый интерфейсом USB. Подобные решения находят частое применение в составе компьютерной техники

Доступны четыре основных типа модулей ввода-вывода:

  1. Входное напряжение переменного тока с выходом логического уровня TTL или CMOS.
  2. Входное напряжение постоянного тока с выходом логического уровня TTL или CMOS.
  3. Выходной сигнал TTL или CMOS для переменного выходного напряжения.
  4. Выходной сигнал TTL или CMOS для постоянного выходного напряжения.

Каждый из модулей содержит в одном маленьком устройстве все необходимые схемы для обеспечения полного интерфейса и обеспечения изоляции. Устройства доступны в виде отдельных твердотельных модулей или интегрированы в составе 4, 8 или 16-канальных систем.

Недостатки твердотельных реле

Основными недостатками твердотельных реле (ТТР), по сравнению с электромеханическим реле одинаковой мощности, являются более высокие затраты на изготовление этого вида электронных приборов.

В состоянии «выключено» отмечаются утечки тока через коммутационное устройство. Кроме того, в состоянии «включено» отмечается фазное падение напряжения и рассеивание мощности, что требует применения дополнительных отводящих тепло приспособлений.

Твердотельные реле не в состоянии обеспечить переключение при малых токах нагрузки, а также прохождение высокочастотных сигналов, подобных аудио или видео. Правда, для этого варианта коммутации существуют и доступны специальные полупроводниковые переключатели.

Изготовление твердотельного реле своими руками

Непосредственно своими руками, каждому электронщику среднего уровня под силу собрать простое твердотельное реле. Прибор, сделанный своими руками, может использоваться для управления нагрузкой, питаемой от бытовой сети переменного тока.

К примеру, вполне допустимо сделать более эффективным управление лампами освещения или электродвигателями, если собрать электронный регулируемый коммутатор по схеме, представленной ниже на картинке. Сборка не представляется трудным делом, учитывая минимум используемых электронных компонентов.

Читайте также:
Чем утеплить каркасный дом снаружи под сайдинг?

Схема для сборки своими руками под нагрузку 300-600 Вт при напряжении 120 — 220В: 1 — оптопара МОС 320, МОС 341; 2 — симистор BTA06-600B; 3 — управляющий сигнал от микроконтроллера

Схема основана на электронном устройстве развязки — оптопаре MOC 3020. Между тем опто-симисторный регулятор MOC 3041 имеет те же характеристики, но дополнительно наделён встроенной системой детектирования пересечения точки нуля.

Этот вариант позволяет получить полную мощность без тяжелых пусковых токов при переключении индуктивных нагрузок. Благодаря диоду D1 предотвращается повреждение схемы по причине обратного подключения входного напряжения.

Резистор R3, номиналом 56 Ом, шунтирует прохождение токов, когда симистор находится в состоянии закрытого перехода, исключая ложное срабатывание. Этим же резистором организуется связь терминала затвора с нижним по схеме электродом, чем обеспечивается полное закрытие перехода симистора.

Если используется входной сигнал широтно-импульсной модуляции, частота переключения режимов «включено-отключено» должна быть установлена максимум на 10 Гц не более для нагрузки переменного тока. В противном случае, переключение состояния выходной цепи реле может быть нарушено.

Подробный видео-рассказ о принципах работы ТТР

Видеоролик ниже достаточно подробно показывает все тонкости функционирования электрических приборов, получивших название — твердотельное реле. Такие знания непременно пригодятся на практике, связанной с обслуживанием электрических систем:

КРАТКИЙ БРИФИНГ

Z-Сила — публикации материалов интересных полезных для социума. Новости технологий, исследований, экспериментов мирового масштаба. Социальная мульти-тематическая информация — СМИ .

Как своими руками собрать схему твердотельного реле

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.

Немного теории

Электромагнитное реле — устройство, замыкающее и размыкающее механические электрические контакты (зеленые точки) при подаче на обмотку реле (выводы обмотки отмечены красными точками) электрического тока.

Реле бывают различными по величине коммутируемого тока и напряжения, по количеству пар коммутационных контактов, по питающему напряжению катушки реле. Для наглядного примера остановимся на синих, знакомых глазу Ардуинщика, реле марки SONGLE SRD-05VDC. Они позволяют коммутировать до 10А 30V DC и 10A 250V AC, при подаче на обмотку реле всего 5 Вольт.

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.



Транзистор Дарлингтона

Если нагрузка очень мощная, то ток через неё может достигать нескольких ампер. Для мощных транзисторов коэффициент $beta$ может быть недостаточным. (Тем более, как видно из таблицы, для мощных транзисторов он и так невелик.)
В этом случае можно применять каскад из двух транзисторов. Первый транзистор управляет током, который открывает второй транзистор. Такая схема включения называется схемой Дарлингтона.

В этой схеме коэффициенты $beta$ двух транзисторов умножаются, что позволяет получить очень большой коэффициент передачи тока.

Для повышения скорости выключения транзисторов можно у каждого соединить эмиттер и базу резистором.

Читайте также:
Что может считаться удельным весом, как рассчитать величину по формулам в каждом конкретном случае

Сопротивления должны быть достаточно большими, чтобы не влиять на ток база — эмиттер. Типичные значения — 5…10 кОм для напряжений 5…12 В.

Выпускаются транзисторы Дарлингтона в виде отдельного прибора. Примеры таких транзисторов приведены в таблице.

Модель $beta$ $max I_<к>$ $max V_<кэ>$
КТ829В 750 8 А 60 В
BDX54C 750 8 А 100 В

В остальном работа ключа остаётся такой же.



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.

Твердотелки – надо ли их использовать?

Для начала рассмотрим также целесообразность применения таких реле. Например, реальный случай:

Другой случай, когда такие реле не нужны:

О перегрузках и защите твердотельных реле будет подробно сказано ниже, а в данном случае целесообразно применить обычный контактор, который прекрасно справляется с перегрузкой и стоит в 10 раз дешевле.

Поэтому, за модой гнаться не стоит, а лучше применить трезвый расчет. Расчет по току и по финансам.

Если кому-то придёт в голову, можно кнопкой звонка или герконом запускать двигатель мощностью 10 кВт! Но не так всё просто, подробности будут ниже.

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.

Варианты управления мощностью в нагрузке

Сегодня выделяется два основных варианта управления мощностью. Рассмотрим каждый и них подробнее:

  1. ФАЗОВОЕ УПРАВЛЕНИЕ. Здесь выходной сигнал по I в нагрузке имеет вид синусоиды. Выходное напряжение устанавливается на уровне 10, 50 и 90 процентов. Преимущества такой схемы очевидны — плавность сигнала на выходе, возможность подключения разных типов нагрузки. Минус — наличие помех в процессе переключения.
  2. УПРАВЛЕНИЕ С КОММУТАЦИЕЙ (В ПРОЦЕССЕ ПЕРЕХОДА ЧЕРЕЗ НОЛЬ). Плюс метода управления в том, что в процессе работы твердотельного реле не создаются помехи, мешающие третьей гармонике в процессе включения. Из недостатков — ограниченность применения. Такая схема управления подходит для емкостной и резистивной нагрузки. Использование ее с высокоиндуктивной нагрузкой не рекомендуется.

Несмотря на более высокую цену, твердотельные реле постепенно вытеснят стандартные устройства с контактами. Это объясняется их надежностью, отсутствием шума, легкостью обслуживания и продолжительным сроком службы.

Имеющие недостатки не оказывают негативного влияния, если правильно подойти к выбору и установке прибора.

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:

  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.

Напоследок – защита при КЗ

Производители рекомендуют использовать специальные предохранители для твердотельных приборов:

  • gR – предохранители для всего диапазона рабочих токов, для защиты полупроводниковых элементов(более быстродействующие , чем gS)
  • gS – предохранители для всего диапазона рабочих токов, для защиты полупроводниковых элементов, при повышенной загрузке линии.
  • aR – предохранители для всего диапазона рабочих токов, для защиты полупроводниковых элементов от короткого замыкания.

Подробнее про предохранители я писал в статье Предохранитель и автоматический выключатель: что лучше?

Такие предохранители стоят дорого (сравнимы со стоимостью самого твердотельного реле), поэтому в большинстве случаев можно использовать защитные автоматы класса В. Чем же они хороши и как они спасут наши твердотельные реле от выгорания при КЗ?

Напомню, в 99% везде встречаются автоматы класса С. Класс D ставят в качестве вводных рубильников и при больших пусковых токах (мощные двигатели, трансформаторы). А класс В – самый чувствительный, срабатывает раньше всех.

Рекомендую почитать мою жарко-летнюю статью по выбору и замене защитных автоматов.

Кстати, гуру электрики и электропроводки, cs-cs.net, предлагает дома ставить автоматы только В класса. И некоторые производители – рекомендуют ставить В класс на электроплиты, водонагреватели – туда, где нет двигателей и пусковых токов.

Почему – поясню на графике.

Кривые отключения или токо-временные характеристики

Подробно про выбор защитного автомата рассказано в другой статье.

Но мы вернёмся к нашему трехфазному твердотельному реле Fotek TSR-40AA-H на 40А, про которое я писал выше. Чтобы его гарантированно защитить от КЗ, надо обязательно поставить вот такой автомат:

Автомат с характеристикой В6 (обведено красным)

Он мгновенно сработает при токе 20…30 Ампер и спасет твердотелку. А от перегруза надо будет поставить мотор-автомат на ток 4-6,3 А. И это всё будет питать двигатель на 2,2 кВт, лучше меньше. Либо ТЭН, тогда мотор-автомат не нужен.

Пишите в комментариях, у кого какой опыт по применению!

Полезные файлы, возможно, написано информативнее, чем у меня:
• Твердотельные реле Фотек / Твердотельные реле Фотек. Руководство пользователя. Рассмотрена вся линейка Fotek, даны рекомендации по применению и схемы включения., pdf, 757.78 kB, скачан: 3717 раз./ • Твердотельные реле – устройство и принцип работы / Подробно изложено, как устроены и работают твердотельные реле, приведены схемы включения, и т.п. Автор, отзовись!, pdf, 414.19 kB, скачан: 4179 раз./

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

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.

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.

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.

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.

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.

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

Твердотельные реле часто можно встретить в общем электрощитке квартиры.

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.

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.

А о том, как подключить твердотельное реле можно прочесть в этом материале.

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 / +75 ºС.

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.

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.

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:

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.

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.

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.

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

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.

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.

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.

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.

Если у вас появились вопросы по сборке твердотельного реле, пожалуйста, задайте их в блоке с комментариями, а мы постараемся дать на них предельно понятный ответ. Там же можно поделиться опытом самостоятельного изготовления реле или сообщить ценную информацию по теме статьи.

Делаем сварочные аппараты своими руками

Сварочные работы в домашних условиях давно стали обычным делом. Доступность аппаратов и расходных материалов, возможность недорого обучиться на курсах сварщиков, различные методички для получения самостоятельных навыков. Все эти факторы дают возможность сэкономить на оплате труда профессионального сварщика, и повысить оперативность работ.

Однако, если внимательно изучить рынок сварочных аппаратов, выясняются неприятные моменты:

  • Качественные сварочники имеют высокую стоимость, выгоднее несколько раз нанять специалиста (если, конечно, вы не занимаетесь этими работами постоянно).
  • Доступные по цене агрегаты имеют ряд недостатков: низкая надежность, плохое качество шва, зависимость от питающего напряжения и типа расходников.

Отсюда вывод: если необходимо высокое качество оборудования по доступной цене, придется сделать сварочный аппарат из доступных материалов своими руками.

Прежде чем рассматривать варианты самодельных сварочников, разберем принцип их работы

В основе работы любого агрегата лежит закон Ома. При неизменной мощности, имеется обратная зависимость между током и напряжением. Для нормальной работы требуется сила тока 60–150 А. Только в этом случае металл в зоне сварки будет плавиться. Представим себе сварочный аппарат, который работает напрямую с напряжением 220 вольт. Для достижения требуемой силы тока, потребуется мощность 15–30 кВт. Во-первых, для этого надо будет прокладывать отдельную линию энергоснабжения: большинство вводов в жилые помещения ограничены техническими условиями на уровне 5–10 кВт. Кроме того, для такой силы тока потребуется проводка сечением не менее 30 мм². Варить придется с соблюдением мер защиты при работе в электроустановках до 1000 вольт: резиновые боты, перчатки, ограждение рабочего места, и прочее.

Разумеется, обеспечить такие условия в реальности невозможно.

Поэтому любой сварочный аппарат преобразует напряжение (в сторону понижения): на выходе получаем искомый ток при сохранении разумной мощности.

Оптимальное значение напряжения — 60 вольт. При сварочном токе 100 А, это вполне приемлемые 6 кВт мощности. Как преобразовать напряжение?

Существуют четыре основных типа сварочных аппаратов

  1. Трансформатор. Устройство работает на переменном токе. Основной узел ничем не отличается обычного блока питания: на входе 220 вольт, на выходе требуемые 60 вольт. За счет возможности механического перемещения вторичной обмотки по сердечнику, меняется значение рабочего тока.Преимущества: простота и дешевизна конструкции, ремонтопригодность.Недостатки: большие размер и вес, переменный ток приводит к нестабильному формированию сварочного шва, для работы требуется высокая квалификация специалиста.
  2. Выпрямитель. По сути, это тот же трансформатор, только с диодным (тиристорным) выпрямителем в цепи вторичной обмотки.После преобразования напряжения на трансформаторе (с традиционным механическим регулятором силы тока), вторичное переменное напряжение выпрямляется одним из способов. В примитивных (недорогих) конструкциях применяется диодный мост. Более продвинутые схемы работают на тиристорной схеме, с возможностью регулировки параметров.Преимущества: стабильные параметры сварки, возможность работать с различными металлами, не требуется высокая квалификация мастера.Недостатки: более высокая стоимость, сложность в ремонте и обслуживании.Некоторые мастера переделывают простейший трансформаторный сварочник в аппарат постоянного тока. Для этого необходимо лишь собрать мощный выпрямитель, и подключить его к выходу вторичной обмотки. Для этого потребуются мощные диоды (собираем мост) и радиаторы для рассеивания тепла.

Общий недостаток рассмотренных схем — зависимость выходных параметров от качества электросети. Если есть просады напряжения (при сварке — это нормальное явление), меняются характеристики выходных напряжения и тока. За счет этого страдает качество сварочного шва. Поэтому ручная регулировка силы тока (перемещением обмоток) обязательна.

Любой из перечисленных аппаратов можно собрать самостоятельно. Проведем обзор технологий изготовления по моделям:

Трансформаторы (с выпрямителем или без него)

Сердце трансформатора — сердечник. Он набирается из пластин трансформаторной стали, изготовить которые вручную довольно проблематично. Правдами и неправдами исходный материал добывается на заводах, в строительных бригадах, на пунктах сбора металлолома. Полученная конструкция (как правило, в виде прямоугольника) должна иметь сечение не меньше, чем 55 см². Это довольно тяжелая конструкция, особенно после укладки обмоток.

При сборке обязательно надо предусмотреть регулировочный винт, с помощью которого можно двигать вторичную обмотку относительно неподвижной первички.

Чтобы не вдаваться в сложности расчетов сечения проводов, возьмем типовые параметры:

  • сила тока на вторичке 100–150 А;
  • напряжение холостого хода 60–65 вольт;
  • рабочее напряжение при сварке 18–25 вольт;
  • сила тока на первичной обмотке до 25 А.

Исходя из этого, сечение провода первички должно быть не менее 5 мм², если делать с запасом — можно взять провод 6–7 мм². Изоляция должна быть жаростойкой, из материала, не поддерживающего горение.

Вторичная обмотка набирается из провода (а лучше медной шины), сечением 30 мм². Изоляция тряпичная. Пусть толщина вас не пугает, количество витков на вторичке небольшое.

Количество витков первичной обмотки определяется по коэффициенту 0.9–1 виток на вольт (для наших параметров).

Формула выглядит так:

W(количество витков) = U(напряжение) / коэффициент.

То есть, при напряжении в сети 200–210 вольт, это будет порядка 230–250 витков.

Соответственно, при напряжении вторички 60–65 вольт, количество ее витков составит 67–70.

С технической точки зрения трансформатор готов. Для удобства использования рекомендуется выполнить небольшой запас по вторичной обмотке, с несколькими ответвлениями (на 65, 70, 80 витках). Это позволит уверенно работать в местах с пониженным напряжением сети.

Прятать агрегат в корпус, или оставлять открытым — это вопрос безопасности использования. Типовой изготовленный сварочный трансформатор своими руками выглядит так:

Оптимальный материал для корпуса — текстолит 10–15 мм.

Добавляем выпрямитель

Самодельный мощный сварочный трансформатор с точки зрения схемотехники — обычный блок питания. Соответственно выпрямитель устроен так же просто, как в сетевом заряднике для мобильного телефона. Только элементная база будет выглядеть на несколько порядков массивнее.

Как правило, в простую схему из диодного моста добавляют пару конденсаторов, гасящих импульсы выпрямленного тока.

Можно собрать выпрямитель и без них, но чем ровнее ток, тем качественней получается сварочный шов. Для сборки собственно моста применяются мощные диоды типа Д161–250(320). Поскольку при нагрузке на элементах выделяется много тепла, его нужно рассеивать с помощью радиаторов. Диоды крепятся к ним с помощью болтового соединения и термопасты.

Разумеется, ребра радиаторов должны либо обдуваться вентилятором, либо выступать над корпусом. Иначе вместо охлаждения они будут греть трансформатор.

Мини сварочный трансформатор

Если вам не нужно варить рельсы или швеллера из стали 4–5 мм, можно собрать компактный сварочник для спайки стальной проволоки (изготовление каркасов для самоделок) или сварки тонкой жести. Для этого можно взять готовый трансформатор от мощного бытового прибора (идеальный вариант — микроволновка), и перемотать вторичную обмотку. Сечение провода 15–20 мм², потребляемая мощность не более 2–3 кВт.

Расчет схемы производится также, как и для более мощных агрегатов. При сборке выпрямителя можно использовать менее мощные диоды.

Микросварочник

Если сфера применения ограничена спайкой медных проводов (например, при монтаже распределительных коробок), можно ограничиться конструкцией размером с пару спичечных коробков.

Выполняется на транзисторе КТ835 (837). Трансформатор изготавливается самостоятельно. Фактически — это высокочастотный повышающий преобразователь.

В отличие от традиционных сварочников, в данной схеме используется высокое напряжение, до 30 кВ. Поэтому при работе следует соблюдать осторожность.

Трансформатор мотаем на ферритовом стержне. Две первичные обмотки: коллекторная (20 витком 1 мм), базовая (5 витков 0.5 мм). Вторичная (повышающая) обмотка — 500 витков 0.15 проволоки.

Собираем схему, припаиваем по схеме резисторную обвязку (чтобы трансформатор не перегревался на холостом ходу), аппарат готов. Питание от 12 до 24 вольт, с помощью такого аппарата можно сваривать жгуты проводов, резать тонкую сталь, соединять металлы толщиной до 1 мм.

В качестве сварочных электродов можно использовать толстую швейную иглу.

Инвертор (импульсный блок питания для сварки)

Самодельный инверторный сварочный аппарат нельзя изготовить просто «на коленке». Для этого потребуется современная элементная база и опыт работы с ремонтом и созданием электронных устройств. Однако, не так страшна схема, как ее малюют. Подобных устройств сделано великое множество, и все они работают не хуже фабричных аналогов. К тому же, чтобы создать импульсный сварочный аппарат своими руками, не обязательно приобретать десятки дорогостоящих радиодеталей и готовых узлов. Большинство из них, особенно высокочастотные элементы для блока питания, можно позаимствовать у старых телевизоров или БП от компьютера. Стоимость близкая к нулю.

Рассматриваемый инвертор имеет следующие характеристики:

  • Ток нагрузки на электродах: до 100 А.
  • Потребляемая мощность от сети 220 вольт — не более 3.5 кВт (ток порядка 15 А).
  • Используемые электроды до 2.5 мм.

На иллюстрации изображена готовая схема, которая неоднократно опробована многими домашними мастерами.

Конструктивно инвертор состоит из трех элементов:

  1. Блок питания для схемы преобразователя и управления. Выполнен на доступной элементной базе, с применением оптрона от старого блока питания компьютера. При самостоятельном изготовлении трансформатора стоимость практически нулевая: детали копеечные. Номиналы и названия радиоэлементов на иллюстрации.
  2. Блок задержки заряда конденсаторов (для стартовой дуги). Выполнен на базе транзисторов КТ972 (абсолютно не дефицит). Разумеется, транзисторы устанавливаются на радиаторы. Для коммутации достаточно обыкновенного автомобильного реле с токовой нагрузкой на контактах до 40 А. Для ручного управления установлены обычные защитные автоматы (пакетники) на 25 А. Выходные 300 вольт — холостой ход. При нагрузке напряжение 50 вольт.
  3. Трансформатор тока — самый ответственный узел. При сборке особое внимание следует обратить на точность катушек индуктивности. Некоторую подстройку можно выполнить с помощью переменного резистора (на схеме выделен красным цветом). Однако если параметры не буду согласованными, требуемой мощности дуги достичь не удастся.ШИМ реализуется на микросхеме US3845 (одна из немногих деталей, которую придется покупать). Силовые транзисторы — все те же КТ972 (973). Некоторые элементы на схеме импортные, однако их легко можно заменить на доступные отечественные, поискав аналоги на сайте datasheet.Высокочастотный блок выполнен из частей строчного трансформатора от телевизора.

На выход сварочного инвертора подключаются рабочие провода длиной не более 2 метров. Сечение не менее 10 квадратов. При работе с электродами до 2.5 мм, падение тока минимальное, шов получается гладкий и ровный. Дуга непрерывная, не хуже заводского аналога.

При наличии активного охлаждения (вентиляторы от того-же компьютерного блока питания), конструкцию можно компактно упаковать в небольшой корпус. Учитывая высокочастотные преобразователи, лучше использовать металл.

Где купить

Максимально быстро приобрести прибор можно в ближайшем специализированном магазине. Оптимальным же, по соотношению цена-качество, остаётся вариант покупки в Интернет-магазине АлиЭкспресс. Обязательное длительное ожидание посылок из Китая осталось в прошлом, ведь сейчас множество товаров находятся на промежуточных складах в странах назначения: например, при заказе вы можете выбрать опцию «Доставка из Российской Федерации»:

Чем сложнее самодельный сварочный аппарат, тем ощутимей экономия. Именно простые трансформаторы обходятся дороже, по причине использования дорогостоящей меди в обмотках или трансформаторного железа. Импульсные блоки питания, особенно при наличии в запасе старых деталей от типовых электроприборов, обходятся практически бесплатно.

Видео по теме

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: