Схема твердотельного реле на симисторе: Инструкция по сборке твердотельного реле своими руками — НА ВЕТКАХ — ПРИКОЛЫ, ФОТКИ, АНЕКДОТЫ — приходите к нам посидеть на ветках, будет интересно

Содержание

Инструкция по сборке твердотельного реле своими руками

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

Рассмотрим такую возможность подробнее.

Содержание статьи:

Конструкция и принцип действия ТТР

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Твердотельные реле часто можно встретить в общем .

Как работает твердотельное реле?

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

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

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

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

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

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:

Устройства, действующие в цепях постоянного тока.
Устройства, действующие в цепях переменного тока.
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.

Широко распространённое исполнение электронного прибора для применения в однофазной электрической сети. Также встречаются иные варианты конструкций, но значительно реже

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

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

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

Широко распространённый вариант исполнения для применения в трёхфазной электрической сети. Часто используется в качестве линейного регулятора мощных электрических нагревателей (ТЭН)

В качестве нагрузки, коммутируемой твердотельными реле, могут выступать ёмкостные, резистивные, индукционные цепи. Конструкции переключателей позволяют без лишнего шума, плавно управлять, к примеру, нагревательными элементами, лампами накаливания, электродвигателями.

Надёжность работы в достаточной степени высока. Но во многом стабильность и долговечность твердотельных реле зависит от качества производства изделий. Так, устройства, выпускаемые под некой торговой маркой «Impuls», часто отмечаются непродолжительным сроком службы.

С другой стороны, изделия фирмы «Schneider Electric» не оставляют повода для критики.

Как сделать ТТР своими руками?

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

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

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

Электронные компоненты для сборки схемы

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

Оптопара типа МОС3083.
Симистор типа ВТ139-800.
Транзистор серии КТ209.
Резисторы, стабилитрон, светодиод.

Все указанные электронные компоненты спаиваются навесным монтажом согласно следующей схеме:

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

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

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

Проверка собранной схемы на работоспособность

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

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

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

Устройство монолитного корпуса

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

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

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

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

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

Закрепление симистора на алюминиевой подложке. Главное условие – этот электронный компонент необходимо плотно прижать к металлическому основанию. Только так обеспечивается качественный теплоотвод и надёжность работы

Никакие другие детали и проводники схемы не должны касаться алюминиевой подложки. Симистор прикладывается к алюминию той частью корпуса, которая рассчитана под установку на радиатор.

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

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

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

Приготовление компаунда и заливка корпуса

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

Эпоксидная смола без отвердителя.
Порошок алебастра.

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

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

Так выглядит готовый экземпляр твердотельного реле, собранного своими руками. Несколько необычно и не очень презентабельно, но достаточно надёжно

Заливку делают до верхнего уровня, оставив на поверхности лишь часть головки контрольного светодиода. Первоначально поверхность компаунда может выглядеть не совсем гладкой, но спустя некоторое время картинка изменится. Останется только дождаться полного застывания литья.

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

Выводы и полезное видео по теме

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

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

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

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.

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.

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.

Контроллер для испытаний применил из временного состава миниатюрной печи для фьюзинга.

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.

Babay Mazay, март, 2020 г.

Литература

1. Самодельное твердотельное реле, блок управления муфельной печью.
2. Трехфазное твердотельное реле на 40 А.

Становитесь автором сайта, публикуйте собственные статьи, описания самоделок с оплатой за текст. Подробнее здесь.

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

виды и конструкция, рекомендации по изготовлению

На чтение 5 мин Просмотров 573 Опубликовано 28.05.2019 Обновлено 21.05.2019

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.

Схема твердотельного реле

Пока на входе не присутствует напряжение постоянного тока (в левой части схемы), фототранзистор TIL111 открыт. Чтобы повысить защищённость от ложных срабатываний, база TIL111 подается эмиттер через 1М резистор. На базе транзистора BC547B будет высокий потенциал и, таким образом, он остается открытым. Коллектор замыкает управляющий электрод тиристора TIC106M на минус, и он остается в закрытом положении. Через выпрямительный диодный мост ток не проходит и нагрузка отключена.

При определенном входном напряжении, скажем, 5 вольт, диод внутри TIL111 загорается и активирует фототранзистор. Происходит закрытие транзистора BC547B и отпирание тиристора. Это создает достаточно большое падение напряжения на резисторе 330 Ом для переключения симистора TIC226 во включенное положение. Падение напряжение на симисторе в тот момент всего несколько вольт, так что практически всё напряжение переменного тока течёт через нагрузку.

Симистор защищен от импульсов через 100 нФ конденсатор и 47 ом резистор. Чтобы создать возможность устойчивого переключения твердотельного реле с различными управляющими напряжениями, был добавлен полевой транзистор BF256A. Он действует как источник тока. Диод 1N4148 установлен, чтобы защитить цепь в случае неправильной полярности. Эта схема может быть использована в различных устройствах, с мощностью до 1,5 КВт, конечно если вы установите тиристор на большой радиатор.

Твердотельные реле переменного тока с использованием симисторов

Самое простое твердотельное реле.

Самое простое твердотельное реле (SSR) показано выше, это источник света и симистор со светочувствительным затвором. Для получения дополнительной информации о том, как работают симисторы и тиристоры, см. Проекты и схемы базовых симисторов и тиристоров. Твердотельное реле (SSR) состоит из четырех основных частей:

Оптоизолятор или оптрон для изоляции низковольтного управления постоянным током, часто от микрокомпьютера, от высокого напряжения переменного тока.Входной оптопара часто представляет собой светоизлучающие диоды, в то время как выход часто представляет собой фототранзистор или фотоприемник для включения симистора.
SSR часто имеет внутреннюю схему детектора перехода через ноль для включения симистора в то время, когда синусоида немного превышает ноль или 180 градусов. Это помогает предотвратить повреждение нагрузки и ненужные скачки напряжения.
Симистор, действующий как переключатель переменного тока. Если SSR предназначен для постоянного тока, на выходе будет силовой транзистор.
Демпферная цепь (и) для предотвращения ложного срабатывания симистора из-за всплесков шума, генерируемых магнитными нагрузками.

Более практичный SSR.

См. Также Использование оптопары. Важное замечание: выход не имеет электрического соединения со входом и может обеспечивать изоляцию до нескольких тысяч вольт. Также см. Дополнительные примеры схем.

Оптоизоляторы с диафрагмами

Оптоизолятор — это твердотельное устройство, предназначенное для обеспечения гальванической развязки между входом и выходом. Вход состоит из светоизлучающего диода (LED) в корпусе с шестью или восемью выводами (IC) в зависимости от типа.Выходом может быть фототранзистор, фотодатчик и т. Д. Электрический контакт между входом и выходом отсутствует. Когда светодиод включен, диод, транзистор и т. Д. Будут проводить свет, излучаемый диодом, таким образом, включив симистор как переключатель. Серия MOC3011 предназначена для подключения к симисторам, типы MOC301x на 110 вольт и типы MOC302x на 240 вольт. Просмотрите схему.

(вверху) MOC3042 Другие оптопары имеют встроенный детектор перехода через нуль.

Демпферы

Демпферная цепь (обычно типа RCA) часто используется между Mt1 и Mt2.Демпферные цепи используются для предотвращения преждевременного срабатывания, вызванного, например, скачками напряжения в сети переменного тока или индуктивными нагрузками, такими как двигатели. Кроме того, резистор затвора или конденсатор (или оба параллельно) могут быть подключены между затвором и Mt1 для дальнейшего предотвращения ложного срабатывания. Это может увеличить требуемый ток запуска и, возможно, задержку выключения при разрядке конденсатора.

В этой схеме выше «горячая» сторона линии переключается, а нагрузка подключается к холодной или заземленной стороне.Резистор на 39 Ом и конденсатор 0,01 мкФ предназначены для демпфирования симистора, а резистор на 470 Ом и конденсатор 0,05 мкФ — для демпфирования ответвителя. Эти компоненты могут быть необходимы, а могут и не потребоваться, в зависимости от конкретной нагрузки и используемой нагрузки.

Для получения дополнительной информации о вышеупомянутом оптроне см. Оптоизолятор серии moc30xx и MOC3042 с цепями перехода через ноль. (оба файла в формате pdf)

Опто-симисторы и твердотельные реле

Изучив этот раздел, вы сможете:
Опишите типичное использование оптических симисторов:
• Гальваническая развязка.
• Коммутационная способность.
• Типовая конструкция.
Опишите типичные характеристики твердотельных реле:
• Гальваническая развязка.
• Переключение нагрузок постоянного и переменного тока.
• Типовые параметры.
Опишите типичные функции безопасности, используемые в твердотельных реле (SSR):
• Защита от обратной полярности.
• Защита от перенапряжения.
• Подавление переходных напряжений.
• Демпферные цепи.
• Переход через нулевое напряжение.
Опишите основные меры для тестирования оптопар на основе ИС.
• Основные тесты.
• Меры безопасности для устройств среднего и высокого напряжения.

Опто-симисторы

Устройства, которые используются для управления высоковольтным / высокомощным оборудованием, должны иметь хорошую электрическую изоляцию между их выходом высокого напряжения и входом низкого напряжения.Использование слоя оксида кремния, толщиной в несколько атомов для обеспечения необходимой изоляции, на самом деле не вариант в таких условиях. Когда возникают неисправности (а они более вероятны в цепях большой мощности), результаты могут быть катастрофическими не только для компонентов схемы, но и для пользователей такого оборудования. Физическая изоляция (это означает, что между входом и выходом отсутствует электрическое соединение и ) — вот что необходимо. К счастью, есть легко доступные решения этой проблемы.Многие цепи высокой мощности сегодня управляются низковольтными, слаботочными цепями, такими как микропроцессоры, с использованием оптоэлектронных устройств, таких как опто-симисторы, опто-тиристоры и твердотельные реле, чтобы изолировать цепи низкой и высокой мощности.

Устройство управления должно быть способно выдерживать высокие напряжения, в том числе очень высокие скачки напряжения, которые могут возникать в выходных цепях переменного или постоянного тока из-за обратной ЭДС от индуктивных нагрузок, и скачки напряжения, которые могут случайным образом присутствовать в сети (линии). поставлять.Также высокие значения импульсного тока (намного превышающего нормальный « рабочий ток »), которые возникают, например, при включении таких нагрузок, как двигатели или лампы накаливания, могут потребовать, чтобы устройство управления было рассчитано на работу с импульсными токами до 40 или В 50 раз превышающий нормальный «рабочий» ток. Выбранное устройство управления должно также обеспечивать гальваническую развязку между входными и выходными цепями. В дополнение к этим критериям цепь вокруг устройства управления должна также обеспечивать защиту от опасных ситуаций.Например, подходящие радиаторы для используемых твердотельных устройств. Также необходимы специальные быстродействующие предохранители или автоматические выключатели, чтобы предотвратить повреждение полупроводников из-за токовых перегрузок.

Рис. 6.6.1 Opto Triac и Opto SCR

В этой группе оптопар, фототиристоров, фото-тиристоров или комбинаций фотодиод / МОП-транзистор заменяют фотодиоды и фототранзисторы, описанные в модуле 5 опто-сопряженных устройств, а также легко доступны в интегральных схемах (I.C.) форма для переключения относительно маломощных нагрузок переменного или постоянного тока. В полупроводниковых реле высокой мощности (SSR), показанных на рис. 6.6.2, используются микросхемы, подобные тем, которые показаны на рис. 6.6.1, с дополнительной «встроенной» схемой для безопасного и надежного управления высоковольтными и сильноточными нагрузками.

Рис. 6.6.2 Типичный SSR высокой мощности

Твердотельные реле

Опто-симисторы и опто-тиристоры используются для переключения нагрузок переменного тока, но также доступны твердотельные реле, использующие силовые полевые МОП-транзисторы, которые могут переключать переменный или постоянный ток.Твердотельные реле малой мощности, состоящие в основном из опто-симисторной схемы, такого как тип, показанный на рис. 6.6.1, могут использоваться как обычные интегральные схемы, установленные на печатной плате. В качестве альтернативы эти маломощные оптопары могут быть заключены в изолированный корпус вместе с мощными симисторами или тиристорами и дополнительными компонентами безопасности, такими как радиаторы и компоненты подавления импульсов, в более крупных твердотельных реле (SSR), монтируемых в стойку, всего с четырьмя или пятью винтами. клеммы для тяжелых условий эксплуатации, которые могут рассматриваться как выключатели сетевого (линейного) питания и могут заменить многие типы электромеханических реле.

Рис. 6.6.3 Твердотельное реле MOSFET

Одной из наиболее важных особенностей SSR является то, что оптопара обеспечивает полную электрическую изоляцию между входной цепью малой мощности и выходной цепью высокой мощности. Когда выходной переключатель находится в «разомкнутом» состоянии (т. Е. Полевые МОП-транзисторы выключены), SSR имеет почти бесконечное сопротивление на своих выходных клеммах и почти нулевое сопротивление в «замкнутом» состоянии (т. Е. Полевые МОП-транзисторы имеют большую проводимость). Даже в этом случае некоторая мощность будет рассеиваться полупроводниковым переключателем, когда он находится в состоянии «включено» или «выключено» с переменным или постоянным током.По этой причине необходимы соответствующие радиаторы для предотвращения перегрева.

Типичная схема базового MOSFET SSR показана на рисунке 6.6.3. Ток около 20 мА через светодиод достаточен для активации полевых МОП-транзисторов, которые заменяют контакты механического реле. (Инфракрасный) свет от светодиода попадает на фотоэлектрический блок, состоящий из нескольких фотодиодов. Поскольку один фотодиод будет производить только очень низкое напряжение, диоды в фотоэлектрическом блоке расположены последовательно / параллельно, чтобы обеспечить достаточное напряжение для включения полевых МОП-транзисторов.

Рис. 6.6.4 Использование микросхемы реле MOSFET для переключения

переменного или постоянного тока

На рисунке 6.6.4 представлен базовый пример MOSFET SSR, показывающий, как могут быть организованы выходы, позволяющие SSR переключать нагрузки переменного или постоянного тока. Для удовлетворения различных требований к выходному напряжению и току переменного и постоянного тока доступен ряд аналогичных SSR, типичным примером является PVT412 SSR от International Rectifier (теперь часть Infineon Technologies), выпускаемый в нескольких версиях в виде 6-контактного DIL-корпуса и способный заменить однополюсное механическое реле для переключения переменного или постоянного напряжения до 400 В (пиковое) с токами до 140 мА переменного тока или 210 мА постоянного тока.Доступны и другие микросхемы, которые действуют как двухполюсные, нормально замкнутые (NC), нормально разомкнутые (NO) и переключающие реле с широким спектром дополнительных возможностей. ТТР также производятся в диапазоне выходных напряжений и номинальных значений тока, с диапазоном типов корпусов, начиная от небольших компонентов для поверхностного монтажа и заканчивая сложными многополюсными микросхемами и крупнотоннажными примерами для монтажа в стойку в электрических шкафах управления. Более подробную информацию о SSR можно найти, выполнив поиск по твердотельным реле на веб-сайтах производителей, таких как Infineon Technologies, или у поставщиков полупроводников, таких как RS Components

Фиг.6.6.5 Функции безопасности твердотельного реле

Функции безопасности SSR

SSR

состоят в основном из оптопары, управляющей некоторыми мощными переключающими устройствами, такими как силовой симистор, полевые МОП-транзисторы или тиристоры, но поскольку их назначение — переключать электрические нагрузки большой мощности, часто в критических для безопасности ситуациях SSR производятся с широким спектром функций. , разработан для обеспечения безопасной и надежной работы. Некоторые из них показаны на схеме, показанной на рис. 6.6.5:

Защита от обратной полярности.Если входные клеммы подключены с неправильной полярностью, диод D1 проводит и снижает напряжение в нижней части R1 примерно до 0,7 В, тем самым спасая светодиод оптопары от повреждения. Обратите внимание, что номинальная мощность диода и токоограничивающего резистора R1 должна быть способна выдерживать ток обратной полярности при максимальном входном напряжении без повреждений, в противном случае входной предохранитель подходящего номинала может быть вставлен между входной положительной клеммой и токоограничивающим резистором.

Защита от перегрузки по току.Обычно твердотельные реле могут работать в диапазоне входных напряжений постоянного тока, например от 5 до 24 В. Эти более высокие напряжения могут привести к тому, что ток через светодиод оптопары превысит требуемый максимум, в этом случае срабатывает схема защиты от перегрузки по току, чтобы поддерживать подходящий уровень тока через светодиод. R2 — резистор низкого номинала для измерения тока; это значение выбрано таким образом, чтобы в нормальных рабочих условиях Tr1 смещен чуть ниже порога отсечки, но если ток через светодиод входа оптопары увеличивается из-за чрезмерного входного напряжения, дополнительный ток через R2 заставит Tr1 проводить, отклоняя часть тока светодиода через Tr1 снижает напряжение в нижней части R1 и ток через светодиод до безопасного уровня.

Рис. 6.6.6 Подавление переходного напряжения

Диод подавления переходных напряжений (TVS). SSR, используемые в ситуациях управления, могут быть подвержены повреждениям, вызванным внезапными и кратковременными (то есть переходными) скачками напряжения, которые могут быть вызваны внешними событиями, такими как импульсы обратной ЭДС при переключении индуктивных нагрузок; также удаленные грозовые разряды и другие электромагнитные или электростатические разряды представляют высокий риск для полупроводниковых устройств. Такие всплески напряжения могут быть очень короткими по длительности, но могут достигать сотен или тысяч вольт по амплитуде, и хотя создаваемый ими ток может быть очень небольшим, напряжение, вызванное такими напряжениями, может вызвать полный отказ полупроводниковых устройств, используемых в SSR.Одним из способов уменьшения этих опасных событий является использование диода-ограничителя переходного напряжения (TVS), подключенного параллельно с чувствительными устройствами, такими как оптопара, как показано на рис. 6.6.5.

Рис. 6.6.6 иллюстрирует действие TVS-диода и показывает выходную синусоидальную волну, наложенную на характеристики TVS-диода. Двунаправленный TVS-диод работает скорее как два встречных стабилитрона, где выше определенного обратного напряжения происходит пробой тока, и диод проводит большую проводку.Поскольку TVS-диод в этом случае является двунаправленным, пробой происходит как в прямом, так и в обратном направлении.

При использовании TVS-диод должен иметь напряжение пробоя выше пикового напряжения волны переменного тока, которое составляет 1,414 x V _RMS, поэтому TVS-диод с напряжением пробоя примерно в 1,5 раза больше, чем RMS-напряжение синусоидальной волны. обычно используется. Скачок напряжения, превышающий этот предел, вызывает сильную проводимость диода, ограничивая его напряжение до напряжения пробоя диода.Заметное различие между стабилитроном и TVS-диодом заключается в том, что TVS-диод имеет более прочную область перехода, чтобы справиться с внезапным сильным выбросом тока во время всплесков. Однако после того, как всплеск закончился, диод перестает проводить (за исключением небольшого обратного тока утечки) и не оказывает дальнейшего влияния на выходную волну до тех пор, пока не появятся новые всплески. TVS-диоды также доступны в однонаправленных типах, которые также могут использоваться на входной стороне оптопары в SSR с использованием входа постоянного тока, если существует высокий риск возникновения всплесков.Однако, поскольку на вход постоянного тока обычно подается сглаженный источник питания постоянного тока, обычно ожидается, что это минимизирует риск, поэтому использование TVS-диодов на входных компонентах редко считается необходимым.

Рис. 6.6.7 RC демпферные цепи

RC демпферные цепи. Эти схемы обеспечивают метод уменьшения разрушающего воздействия скачков напряжения, возникающих в сети переменного тока, или очень больших и быстрых изменений напряжения, которые могут произойти при включении или выключении индуктивной нагрузки (коммутации).В более старых типах симисторов или тиристоров эта RC-цепь (R5 и C1) подключается через выходной симистор или тиристор, как показано на рис. 6.6.5 и рис. 6.6.7. Его эффект заключается в замедлении быстрого увеличения или уменьшения напряжения во время всплеска. Использование демпфирующей схемы также может уменьшить радиопомехи, вызванные переключением симистора или тиристора. Если выбрать подходящую постоянную времени для R5 / C1, конденсатор не успеет зарядиться при повышении пикового напряжения, прежде чем напряжение снова снизится и разрядится конденсатор.Таким образом уменьшается амплитуда любых быстрых скачков напряжения. Типичные значения R составляют от 39 до 100 Ом для R5 и от 22 до 47 нФ для C1. Конденсатор также должен быть импульсного типа с очень высоким максимальным рабочим напряжением, намного превышающим пиковое значение выходной волны, чтобы учесть дополнительное напряжение, вызванное любыми скачками напряжения. Однако конструкция демпферных цепей более сложна, чем простой выбор типичных значений R и C, и должна учитывать ряд факторов, которые будут уникальными для цепи или компонента, который защищает демпфер, и для нагрузок, которые цепь может управлять. .

Полезное примечание по конструкции демпфера и калькулятору компонентов можно найти в сети HIQUEL (High Quality Electronics).

Генераторы переменного тока

В качестве альтернативы доступны современные симисторы, которые также можно назвать «альтернисторами» или «альтернисторными симисторами», которые гораздо менее подвержены повреждению или случайному ложному срабатыванию, вызванному быстрыми переходными напряжениями. Некоторые производители полупроводников имеют свой собственный ассортимент устройств, например, линейку «Snubberless _TM» от ST Microelectronics или «Hi-Com _TM» от WeEn Semiconductors, которые способны справляться как с скачками напряжения, так и с быстрым События dV / dt, возникающие при коммутации (выключении) с индуктивными нагрузками.Внутренняя конструкция этих симисторов отличается от оригинальных типов, что позволяет им лучше справляться с быстрыми изменениями высокого напряжения, которые могут произойти при отключении индуктивных нагрузок из-за разности фаз между током и напряжением в индукторах. В этом случае возможно, что когда симистор отключается, когда сетевой (линейный) ток проходит через ноль вольт, сетевое напряжение на симисторе может достигать максимального значения. В то время как такие события в оригинальных конструкциях симисторов могли вызвать проблемы с неконтролируемым повторным запуском, в современных конструкциях это значительно уменьшено.

Рис. 6.6.8 SSR Zero Crossing Action

Пересечение нулевого напряжения. Некоторые SSR включают схемы «пересечения нуля» или «синхронного переключения», которые уменьшают возможность введения быстро изменяющихся «всплесков» в сетевом (линейном) питании, гарантируя, что их выход будет включаться только тогда, когда цикл сетевого напряжения проходит через нулевое напряжение. . Как показано на рис. 6.6.8, если управляющее напряжение требует включения во время цикла напряжения, когда напряжение переменного тока не проходит через 0 В, действие переключения задерживается до тех пор, пока напряжение не перейдет через 0 В в конце текущей половины. цикл.Однако схема пересечения нулевого напряжения не играет никакой роли в выключении выхода; это контролируется действием симистора или тиристора, который после включения выключится только тогда, когда выходной ток нагрузки упадет ниже заданного удерживающего тока симистора или тиристора, что будет происходить при прохождении формы волны тока через ноль.

Приведенные выше описания функций безопасности предназначены для ознакомления пользователей SSR с некоторыми необходимыми ограничениями безопасности при выборе правильного SSR для любой конкретной операции.Однако этот список не предлагается в качестве исчерпывающего руководства, важность или неважность любого из этих факторов будет во многом зависеть от предполагаемого использования SSR. Поэтому рекомендуется, особенно при рассмотрении вопроса о безопасной эксплуатации цепей, получить консультацию, относящуюся к предполагаемому проекту, многие производители или национальные и международные агентства по безопасности могут легко дать квалифицированный совет относительно пригодности SSR для конкретных целей. Вам также предлагается продолжить изучение, пройдя по некоторым из рекомендуемых ссылок внизу этой страницы.

Сравнение твердотельного и механического переключения

Твердотельные реле

(SSR) имеют ряд преимуществ перед электромеханическими реле, некоторые из которых являются очевидными преимуществами, а некоторые будут оспариваться приверженцами (и производителями) электромеханических реле. Однако, какой тип реле лучше для конкретного приложения, зависит больше от приложения, а не от типа реле. Поэтому это следует внимательно учитывать при чтении следующих списков.

Преимущества ТТР перед электромеханическими реле.

Поскольку твердотельные реле не имеют индуктивных катушек или подвижных контактов, они не создают электромагнитных помех.
SSR не вызывают потенциально опасного искрения.
работают бесшумно.
не подвержены механическому износу, поэтому потенциально могут выполнять гораздо больше операций переключения, чем электромеханические реле (однако любой тип может быть спроектирован так, чтобы выполнять больше операций, чем требуется в течение срока службы оборудования, в котором они используются).
не страдают от дребезга контактов.
имеют более быстрое время переключения, чем электромеханические реле.
Для коммутации переменного тока доступны SSR с переходом через ноль, которые включаются только в момент или близко к тому времени, когда форма сигнала переменного тока проходит через нулевое напряжение, что снижает вероятность возникновения скачков напряжения, которые возникают, если цепь включается при напряжении переменного тока. максимум.
SSR могут быть физически меньше, чем электромеханические реле сопоставимых типов.

Недостатки ТТР перед электромеханическими реле.

Когда SSR включены, между выходными клеммами существует измеримое сопротивление, поэтому SSR выделяют некоторое количество тепла, а также вызывают падение напряжения во включенном состоянии.
Когда SSR находятся в выключенном состоянии, на выходе все еще протекает небольшой обратный ток утечки. В отличие от электромеханических реле, SSR не являются ни полностью включенными, ни выключенными. Поэтому их использование может быть запрещено в соответствии с некоторыми правилами техники безопасности.
Поскольку SSR могут очень быстро (за миллисекунды) включать случайные всплески помех в их входных цепях или внезапные быстрые изменения напряжения на их выходах, могут вызвать нежелательное переключение некоторых SCR или симисторов.
Отказ SSR обычно вызывает короткое замыкание (включение), тогда как отказ электромеханического реле обычно вызывает разрыв цепи (выключение). Из-за этого использование SSR может вызвать некоторые опасения в критических для безопасности системах.

Дополнительная информация

Твердотельные реле и электромеханические реле — Примечания по применению Твердотельные реле США

Как правильно выбрать реле — National Instruments

Технические советы по реле — Crydom Inc.

Цепь твердотельного реле (SSR)

с использованием симистора

В этом посте объясняется схема твердотельного реле (SSR), использующая встроенный детектор перехода через нуль. Схема чрезвычайно проста в реализации и, тем не менее, предлагает ценные возможности, такие как чистое переключение, отсутствие радиочастотных помех и способность справляться с нагрузками до 500 Вт.

Мы многое узнали о реле и о том, как они работают. Мы понимаем, что это оборудование применяется для включения больших электрических нагрузок через набор внешних удаленных контактов, по сути, для получения крошечного электрического импульса, полученного с выхода электронной схемы.

Обычно триггерный вход находится в непосредственной близости от напряжения обмотки реле, которое часто составляет 6, 12 или 24 В постоянного тока, тогда как нагрузка и ток, передаваемый контактами реле, обычно находятся в расширенных потенциалах сети переменного тока.

По сути, реле полезны, поскольку они способны переключать тяжелые цепи, подключенные к их контактам, без воздействия вредных потенциалов на чувствительную электронную схему, посредством которой они переключаются.

Однако положительные стороны обычно имеют несколько важных недостатков, которые нельзя не заметить.

Учитывая, что контакты имеют механические функции, иногда они оказываются очень неэффективными при использовании передовых схем, требующих чрезвычайно точного, быстрого и эффективного переключения.

Механизированные реле также имеют нездоровую репутацию, из-за которых при переключении генерируются радиочастотные помехи и звуки, что в конечном итоге приводит к выходу из строя контактов.

Симисторы и тиристоры могут быть отличной заменой в областях, где эти реле оказываются непродуктивными, тем не менее, это также может повлечь за собой проблемы с генерацией радиочастотных помех во время работы.

Кроме того, тиристоры и симисторы, подключенные прямо к электронным схемам, требуют, чтобы цепь заземления была связана с ее катодом, что означает, что часть схемы больше не отделена от смертоносных напряжений переменного тока через устройство — существенный недостаток, а также безопасность для потребителя.

С другой стороны, симистор может быть довольно эффективно применен, если полностью учесть упомянутые выше немногие недостатки.

Это означает 2 вещи, которые необходимо устранить с помощью симисторов, если они будут успешно заменены реле, а именно: радиочастотные помехи при переходе, а также попадание вредной сети в цепь.

Твердотельные реле созданы специально с использованием вышеуказанных функций, которые обычно избавляются от радиочастотного вывода, а также продолжают оба уровня, полностью удаленные друг от друга.

Профессиональные SSR могут быть довольно дорогими и не подлежат ремонту, если что-то пойдет не так.Даже в этом случае создание твердотельного реле одним человеком и его использование в необходимом плане могло быть именно тем, что «доктор прописал».

Поскольку он может быть сконструирован с использованием индивидуально различных электронных компонентов, он становится полностью ремонтируемым, гибким и, кроме того, предлагает человеку очевидное представление о внутренних функциях метода.
В этой статье мы собираемся исследовать создание простого твердотельного реле.

Описание схемы

Как уже говорилось в вышеупомянутой части, в рекомендуемой схеме SSR или твердотельного реле радиочастотные помехи обычно проверяются путем принудительного переключения симистора только около нулевой отметки синусоидальной фазы переменного тока, а также Использование оптопары означает, что вход удерживается отдельно от потенциалов сети переменного тока, существующих при использовании схемы симистора.

Попробуем узнать, как работает схема:
Как показано на схеме, оптрон становится порталом между триггером и схемой переключения. Триггер входа помещается на светодиод оптопара, который загорается и создает проводимость фототранзистора.

Напряжение через фототранзистор проходит через коллектор к эмиттеру и в конечном итоге достигает затвора симистора, чтобы запустить его.

Процедура может быть довольно стандартной и обычно связана с запуском всех симисторов и тиристоров.Тем не менее, этого не всегда достаточно для устранения радиочастотного шума.

Часть, включающая три транзистора плюс некоторые резисторы, специально представлена с точки зрения отслеживания создания РЧ, гарантируя, что симистор работает только около пороговых значений пересечения нуля синусоидального сигнала переменного тока.

В то время как сеть переменного тока приписывается схеме, выпрямленный постоянный ток становится доступным на коллекторе оптранзистора, и он запускается, как описано выше, даже если напряжение в переходе резисторов, прикрепленных к базе T1, настолько изменено что он включается вскоре после того, как сигнал переменного тока поднимается выше уровня 7 В.Пока форма сигнала остается выше этого конкретного уровня, T1 остается включенным.

Это заземляет напряжение коллектора оптранзистора, подавляя работу симистора, однако, как только напряжение достигает 7 вольт и приближается к нулю, транзисторы перестают проводить, позволяя симистору переключиться.

Метод повторяется на протяжении всего отрицательного полупериода, в то время как T2, T3 проводят в соответствии с напряжениями выше минус 7 вольт, что снова гарантирует, что симистор будет проводить только тогда, когда уровень фазы приближается к нулевому пересечению, соответствующим образом избавляясь от введения RF-помех, пересекающих ноль. .

Твердотельное реле

Как насчет подключения цифровой логики к мерзкому миру от 115 до 230 вольт или больше? Всегда есть решение использовать электромеханическое реле. Тем не менее, твердотельное состояние — это текущая тенденция. Твердотельное реле может позволить источнику питания с батарейным питанием включать лампочки, электродвигатели, радио или почти все, что вы можете себе представить.

Твердотельные реле могут обеспечивать изоляцию от высокого напряжения и выдерживать десятки ампер.Они продаются в пластиковых корпусах с радиатором на дне и винтами для крепления проводов. Обычно они стоят дорого и в случае повреждения не подлежат ремонту. Большинство твердотельных реле (SSR) производятся в больших количествах и обычно рассчитаны на ток около 10 А или более. Обычно не стоит платить за реле на десять ампер, когда все, что вам нужно, — это реле на два ампера. Кроме того, чем больше SSR, тем больше токи утечки.

Однако, используя несколько деталей, вы можете построить твердотельное реле за небольшую часть цены, чем коммерческое реле.И самое лучшее, что это конкретное реле можно отремонтировать, если что-то пойдет не так.

Как это работает

Твердотельное реле очень похоже на переключатель, который управляется входным напряжением или током. Этот переключатель можно использовать только для переменного напряжения. Попытка переключить линию постоянного тока приведет к срабатыванию реле, которое замыкается, но никогда не размыкается. Это связано с тем, что он использует симистор, который можно отключить, только если ток упадет до нуля.

Наша схема SSR показана ниже.Диод D1 используется для защиты от обратного напряжения. R1 ограничивает входной ток. Q1 используется как приемник тока, чтобы поддерживать ток через светодиод (светодиод внутри U1) на почти стабильном значении. Когда напряжение на R2 достигает примерно 0,65 В, Q1 начинает проводить, шунтируя ток от светодиода. В результате, хотя ток R1 увеличивается по мере увеличения входного напряжения, ток через светодиод перестает увеличиваться до определенного значения; Минимальный ток светодиода, при котором будет работать TRIAC. Это значение устанавливается R2.

Схема твердотельного реле

Выбор TRIAC

Убедитесь, что ваш TRIAC сможет выдерживать необходимое напряжение. Для переключения линии переменного тока напряжением 115 В требуется симистор 250 В. Для линии 220 В требуется симистор на 400 В. Далее следует учитывать максимальный ток. Любой TRIAC выдержит свой номинальный ток, если он должным образом отведен под теплоотвод. Помните, что многие нагрузки (например, двигатели) потребляют намного больше тока при запуске, чем при нормальной работе.

Есть еще одно требование; Ток затвора.Использование оптоизолятора, который будет обеспечивать около 100 мА, должно быть достаточно для любого TRIAC, который вы можете найти в корпусе T-220. Помните также, что из соображений безопасности следует выбирать изолированный TRIAC. Изолированные TRIAC обеспечивают гальваническую развязку электрических соединений с корпусом. Это избавляет от необходимости использовать слюдяные шайбы для изоляции радиатора от корпуса. Однако, если вы не знаете, изолирован ли ваш TRIAC, просто измерьте сопротивление от каждого вывода к корпусу. Изолированный TRIAC будет измерять обрыв на всех трех выводах.

Выбор оптоизолятора

Многие компании производят оптоизоляторы. Убедитесь, что вы используете тот, который имеет выход TRIAC и совместимую распиновку для вашего дизайна. Например, MOC3010 будет достаточно. В таблице 1 показаны некоторые типичные оптоизоляторы с триакомным выходом, совместимые с нашей конструкцией.

Вместо простого оптоизолятора можно также использовать датчик перехода через ноль (например, MOC3031). SSR с переходом через ноль принимает запуск в любое время, но откладывает включение нагрузки переменного тока до следующего раза, когда напряжение переменного тока пройдет через ноль вольт.Это полезно для устранения RFI (радиочастотных помех) и для предотвращения почти мгновенного протекания большого тока в нагрузку.

Таблица 1. Типовые оптоизоляторы TRIAC

Конструкция и безопасность

Хотя SSR, безусловно, можно построить без PCB (печатной платы), использование предоставленного нами шаблона PCB упростит задачу. Некоторые линии печатной платы будут иметь напряжение 110 или 220 вольт. С точки зрения электричества это совершенно безопасно. Однако, вероятно, будет хорошей идеей покрыть все линии печатных схем силиконовым герметиком.Кроме того, лучше использовать изолирующие TRIACS и всегда заземлять их радиатор на предохранительный провод переменного тока (зеленый или желтый, или заземление). ТТР может срабатывать от 4 до 10 В (входное напряжение). Превышение 10 В может повредить светодиод оптоизолятора.

Список деталей

R1 = 100 Ом 1 Вт
R2 = 39 Ом, см. Таблицу 1
R3 = 180 Ом
R4 = 2K2
R5 = 10K
C1 = 10 нФ, 450 В
U1 = см. Таблицу 1
Q1 = 2N3904
D1 = 1N4002
TR1 = Q4006L4 или аналогичный

Все резисторы 1 / 4Вт, 5%, если не указано иное.

Вложения

Проект твердотельного реле — детали печатной платы

Твердотельные реле

— // w3c // dtd html 4.0 переходный // ru «>

Твердотельные реле

Elliott Sound Products

Твердотельные реле и способы их изготовления и использования

Вершина

Указатель статей
Основной указатель

Содержание

Введение

Многие заставят вас поверить, что электромеханические реле (EMR) устарели и больше не являются допустимым выбором для конструкции.Другие с радостью порекомендуют вам использовать его, даже если должно быть очевидно, что он выйдет из строя из-за длительного дугового разряда. Есть бесчисленное количество мест, где просто не имеет смысла даже рассматривать что-либо еще, а также другие, где EMR даже не следует рассматривать. Хотя можно простить мысль о том, что должен быть лучший способ включения и выключения, во многих случаях EMR является самым простым, дешевым и надежным способом сделать это. В качестве электромеханических устройств электромагнит используется для притяжения подвижного стального элемента (якоря), который активирует один или несколько наборов контактов.Реле в том виде, в каком мы его знаем, было изобретено Джозефом Генри в 1835 году. С тех пор оно постоянно используется, и, вероятно, они будут с нами еще многие десятилетия.

Есть места, где ЭМИ не подходят, особенно при переключении высоковольтного постоянного тока на любой ток выше пары сотен миллиампер. В некоторых промышленных процессах используется воспламеняющаяся атмосфера (из-за газа или мелких взвешенных частиц), где дуга от ЭМИ может вызвать взрыв. Существуют полностью герметичные типы только для этого типа использования, но, как и все дуговые контакты, они со временем изнашиваются.Каждый раз, когда происходит дуга контактов, небольшое количество материала переходит от одного контакта к другому, что в конечном итоге приведет к поломке.

Иногда на сайтах форумов вы видите сообщения, в которых пытаются убедить незадачливого вопрошающего, что отключение 96 В при 20 А или более может быть выполнено с помощью обычного реле (EMR). Сразу видно, что дебил, который утверждал, что имеет , никогда не пробовал , и должен был держать свои «идеи» при себе. Да, вы можете получить специализированные реле, которые может выполнять и , но они (по определению) не только специализированные, но и очень дорогие.Вариант only для конструктора «сделай сам» или любителя — использовать тщательно подобранный SSR. Также должен быть включен предохранительный выключатель подходящего номинала (и предназначенный для этой цели).

На каждую сложную проблему есть ясный, простой и неправильный ответ. Х. Л. Менкен

Недостаток понимания может легко привести к катастрофическим (и очень опасным) сбоям, и простых ответов нет (см. Выше). Надеюсь, это поможет объяснить, почему я вхожу в такие подробности — невозможно объяснить сложные проблемы простыми ответами.На сайте ESP есть и другие статьи, в которых более подробно рассматриваются EMR, включая более сложные приложения …

Реле, выбор и использование (часть 1) Реле
(часть 2), схемы защиты контактов Гибридные реле
, использующие полевые МОП-транзисторы, триАК и тиристоры
Устранение и предотвращение возникновения контактной дуги

В этой статье рассматриваются только «твердотельные» реле (SSR), и существует несколько различных типов SSR. Некоторые из них подходят для использования в аудиосхемах, но большинство — нет. Некоторые даже не следует использовать для включения трансформаторов (как описано ниже), даже если их характеристики могут заставить вас подумать, что они были бы идеальными.

Есть много неправильных представлений о пригодности (или нет) различных схем переключения. Многие из них связаны с непониманием, особенно с трансформаторами. Цель этой статьи — предоставить подробную информацию о различных типах SSR и о том, где их лучше всего использовать. Описать каждый тип реле довольно легко, потому что существует ограниченное количество коммутационных устройств, подходящих для этой задачи.

Многие веб-сайты обсуждают твердотельные реле, но цель здесь не только в том, чтобы предоставить руководство, но и в том, чтобы изучить их глубже, чем вы найдете где-либо еще.Есть много подводных камней, которых следует избегать, чтобы обеспечить надежное переключение, и, как и для всех полупроводников, тепло является врагом, и его необходимо устранять. Есть места, где используются SSR, и вы можете ожидать, что они прослужат вечно, но это не так. Поскольку электронные устройства обычно настолько надежны, нам необходимо изучить то, что может пойти не так, и научиться определять SSR для того, что нам нужно делать.

На рынке представлены тысячи различных SSR. Они варьируются от миниатюрных типов монтажа на печатную плату, предназначенных для переключения слабых сигналов или других низких напряжений, до крупных модульных типов, которые используются для запуска электродвигателей и других сильноточных нагрузок.Вот некоторые из важных параметров …

Изоляция между цепью активатора и переключающими устройствами позволяет цепям низкого напряжения безопасно управлять питанием от сети
SSR легко управляются микроконтроллерами, и в лучшем случае для них требуется транзистор и пара резисторов в качестве «вспомогательных» компонентов.
Небольшой управляющий ток может управлять гораздо большим током через коммутационные устройства.
Есть SSR, предназначенный для большинства (но не для всех) потребностей в электротехнике или электронике.
SSR (обычно) очень надежны при условии правильного управления температурой

Для микроконтроллера довольно легко активировать небольшой SSR, который можно использовать для активации большего (электромеханического) реле, которое, в свою очередь, активирует контактор для питания большого двигателя в промышленном процессе.Это можно рассматривать как грубую форму усиления, при которой очень небольшой ток (обычно достаточно 10 мА) может в конечном итоге привести к запуску или остановке огромной машины или всей производственной линии.

1 — Основы SSR

Многие SSR активируются оптопарой. Свет (обычно от инфракрасного светодиода) падает на фототранзистор, фотодиод, фотоэлектрический элемент или фото-TRIAC (или иногда на LDR — светозависимый резистор). Все эти устройства выключены в темноте, поэтому ток не течет.При включении они либо переходят в состояние с низким сопротивлением, либо становятся «активными» и пропускают ток к переключающему устройству (ам). Есть несколько возможностей переключения, и выбор зависит от того, чего вы хотите достичь. Наиболее распространены …

SCR (кремниевый выпрямитель) — он же тиристор (только переменный ток)
TRIAC — двунаправленный тиристор (только переменный ток)
MOSFET — металлооксидный полупроводниковый полевой транзистор (переменного или постоянного тока, включая аудио) IGBT — биполярный транзистор с изолированным затвором (переменного или постоянного тока)

Помимо EMR, MOSFET SSR — единственные, которые могут использоваться со звуком.Все остальные перечисленные устройства вызывают грубых искажения , которые ухудшаются по мере уменьшения уровня. МОП-транзисторы имеют довольно линейную омическую область (R _DS-on), которая вносит некоторые искажения, но с хорошо подобранными устройствами они будут минимальными. Удержание R _DS-on как можно более низким означает, что любые искажения сведены к минимуму.

Есть также гибридные реле, сочетающие в себе лучшее из обоих миров. Например, реле защиты громкоговорителей почти всегда являются ЭМИ, но они выйдут из строя, если напряжение постоянного тока превышает 35 В или около того.Это решается за счет использования гибрида, имеющего EMR для передачи сигнального тока и SSR для управления отключением постоянного тока короткого замыкания. Этот подход описан в книге «Гибридные реле с использованием полевых МОП-транзисторов, симисторов и тиристоров», но подходящими кандидатами являются только полевые МОП-транзисторы.

A (относительно) недавняя разработка — это ИС драйвера Si8751 / 2 с изолированным МОП-транзистором. Это гораздо лучший вариант, чем фотоэлектрические ответвители, потому что они по своей природе очень медленные из-за ограниченного тока, обеспечиваемого фотоэлектрическими элементами.Это устройство подробно обсуждается в статье Project 198 MOSFET Relay.

В большинстве мощных SSR (т.е. тех, которые предназначены для переключения сети переменного тока) используются симисторы или тиристоры в качестве переключающего устройства, а также оптопара, такая как MOC3052 (или более ранняя версия MOC3022), для включения основного переключающего устройства. Эти микросхемы существуют очень давно и были основой коммерческих диммеров почти столько времени, сколько я себя помню. Хотя эти устройства невероятно распространены, они не лишены недостатков (ладно, в некоторых случаях это настоящие проблемы).MOC3052 — гораздо лучший выбор в новом дизайне, поскольку они более устойчивы к самопроизвольной проводимости.

Также доступно аналогичное устройство (например, MOC3042), которое имеет встроенную логику, предотвращающую включение опто-TRIAC, кроме случаев, когда напряжение питания близко к нулю. Они известны как типы «перехода через нуль», и, хотя они подходят для резистивных нагрузок, они не могут использоваться для диммеров, и никогда не должны использоваться для подачи питания на трансформаторы. Пусковой ток трансформатора увеличивается до максимума, когда он включен при нулевом (или близком к нему) значении напряжения (см. Серию статей о трансформаторах, чтобы увидеть формы сигналов, которые показывают, что это так).Хотя многие люди думают, что переключение при нулевом напряжении лучше всего подходит для трансформаторов или двигателей, они ошибаются. Минимальный пусковой ток составляет , всегда достигается при подаче питания на пике формы волны напряжения.

Хотя TRIAC удобны, если вам нужна сильноточная коммутация, следует использовать SCR. Они доступны в значительно более высоком номинальном токе (и напряжении), чем TRIAC, но, конечно, вам нужно установить два устройства, а также несколько вспомогательных компонентов.И TRIAC, и SCR имеют прямое напряжение 1-2 В, поэтому они рассеивают 1-2 Вт / ампер тока нагрузки. Это может показаться не таким уж большим, пока вам не понадобится переключить 20A, поэтому рассеиваемая мощность составляет не менее 20 Вт для TRIAC (или 2 × 10 Вт для SCR). Вы можете купить готовые модули (некоторые довольно дешево), и у них есть одна общая характеристика — у них есть металлическая опорная пластина, предназначенная для установки на радиатор.

Действительно, это основной недостаток SSR в целом. Контакты (и внутренняя структура) ЭМИ на 20 А, вероятно, будут иметь сопротивление менее 10 мОм, и вся структура будет рассеивать, возможно, 4 Вт при номинальном токе.Для этого не требуется охлаждения, так как сама конструкция сможет рассеивать выделяемое тепло. Большинство SSR будут рассеивать не менее 20 Вт при тех же условиях, и поскольку переключение выполняется полупроводниками, их температура перехода должна поддерживаться ниже максимально допустимой (как описано в таблице данных).

Однако твердотельные реле имеют явные преимущества во многих приложениях, и комбинация двух технологий (гибридное реле) может быть лучшим выбором для минимизации требований к радиатору, обеспечения отсутствия дуги и поддержания очень низкого электрического шума.Электрически говоря, дуги очень шумные — они использовались как первая форма радиопередачи. Гибридное реле является более сложным, и во многих случаях дополнительные затраты (и занимаемое пространство) могут не гарантироваться.

2 — EMR Vs. ССР; Преимущества и недостатки
У любой техники будут свои достоинства и недостатки. Это особенно верно в тех случаях, когда «зрелые» технологии существуют уже так давно и остаются жизнеспособными даже в условиях жесткой конкуренции.Атрибуты, показанные ниже, несколько упрощены, но они охватывают большинство различий. Конструктивно ЭМИ имеют катушку, которая является индуктором. Это вызывает противо-ЭДС, когда ток катушки прерывается, а механическая инерция означает, что всегда есть задержка для включения и выключения. ТТР TRIAC и SCR не отключатся, пока ток нагрузки не упадет до нуля, но могут быть активированы практически мгновенно (максимум несколько микросекунд).
Электромагнитный Твердотельный
Механические части, подверженные износу Нет движущихся частей
Сравнительно медленно (10-20 мс) Может быть почти мгновенно
Отскок контактов происходит при замыкании контактов Отсутствие дребезга контактов (без контактов)
Невосприимчивость к кратковременным повреждениям / статическому разряду Может быть повреждена переходными процессами
Очень низкая рассеиваемая мощность на контакте Рассеиваемая мощность зависит от тока нагрузки
Немного или совсем не нагревается, радиатор не требуется Может потребоваться радиатор, если рассеиваемая мощность превышает 1 Вт
Превосходная стойкость к переходной перегрузке Может быть повреждена при переходной перегрузке
Катушка требует значительной мощности Обычно очень низкие требования к приводу
Эрозия контактов из-за дуги Дуга отсутствует, потому что нет физических контактов
Даже «маленькие» реле физически большие Маленькие реле доступны в виде крошечных SMD IC
Не подходит для высокого напряжения / тока постоянного тока Идеально подходит для постоянного тока при любом напряжении или токе
Очень широкий диапазон, охватывающий большинство приложений Ограниченный диапазон, но улучшающийся
Практически нулевой электрический шум при включении и выключении Может быть электрически зашумленным, в зависимости от используемой технологии
Слышимый шум при работе Слышимый шум отсутствует
Низкая стоимость и легкодоступность Обычно более дорогая / менее доступная
Может подходит для предохранительных выключателей (см. Техническое описание) Как правило, не подходит для критических с точки зрения безопасности приложений
Фактически нулевой ток утечки в выключенном состоянии Ток утечки всегда существует (обычно измеряется в мкА или мА)
Типы общего назначения могут использоваться (почти) где угодно Требуется выбор по назначению (например,г. AC, DC, аудио)
Поскольку SSR не имеет движущихся частей, механический износ невозможен. Теоретическая жизнь бесконечна, но этого нельзя достичь по довольно очевидным причинам. Однако они также чувствительны к теплу, и необходимо обеспечить охлаждение, чтобы поддерживать температуру перехода ниже максимально допустимой (обычно около 150 ° C). Потребность в радиаторе возникает гораздо раньше, чем ожидалось — что-либо более 1 Вт трудно рассеять на открытом воздухе, особенно если оно заключено в корпус с небольшим воздушным потоком.ЭМИ обычно имеют гораздо меньшие внутренние потери в контактах и внутренней структуре, и никакого охлаждения не требуется ни в одном из примеров, с которыми вы, вероятно, столкнетесь. Некоторые модели и имеют вентиляционные отверстия, которые можно открыть после автоматической пайки и промывки, но большинство из них этого не делают.
Engineering — это управление компромиссами для поиска лучшего решения с наименьшими затратами (первоначальное и техническое обслуживание). Любой, кто переоценивает все требования для повышения надежности без учета затрат, либо работает в военной / аэрокосмической организации, либо постоянно ищет работу.Сделай сам — это другое дело, но в конечном итоге бюджетное давление всегда будет накладывать ограничения на то, что в конечном итоге будет использоваться. Для большинства более приземленных приложений, таких как системы плавного пуска, такие как Project 39 или системы защиты динамиков от постоянного тока (например, Project 33), EMR обычно является лучшим выбором (но только если напряжение питания усилителя не превышает ± 35 В постоянного тока для P33).
Переключение высокого напряжения (> 30 В) и сильного постоянного тока гарантированно вызовет дугу, которая часто разрушает ЭМИ. Большинство из них создадут непрерывную дугу при напряжении около 45 В, если ток будет больше пары ампер.Это ситуация, когда выбора почти нет, но некоторые методы гашения дуги очень эффективны. Для SSR постоянного тока есть два основных варианта — MOSFET или IGBT. Можно использовать биполярные транзисторы, но требуемый высокий базовый ток означает, что они, как правило, не подходят, за исключением приложений с низким током (таких как питание ИС привода для MOSFET или IGBT). Составные конфигурации Дарлингтона / Шиклаи уменьшают базовый ток возбуждения, но увеличивают напряжение насыщения (включения), тем самым увеличивая рассеиваемую мощность.Ожидайте напряжение насыщения около 0,95 В с хорошо спроектированным трехтранзисторным (NPN, PNP, NPN) переключателем (достаточно близко 1 Вт / A, когда драйверы включены). Они не подходят для переменного тока без искажений и редко встречаются с тех пор, как появились полевые МОП-транзисторы.
Твердотельные реле на основе симисторов и тиристоров не подходят для использования с электронными нагрузками , включая освещение, например как компактные люминесцентные, так и самые ранние светодиодные лампы. В некоторых случаях может показаться, что работает, но если проверить форму сигнала тока сети, вы можете увидеть всплески тока в несколько ампер. происходит каждые полупериод — для одной лампы! Это (не может — будет ) в конечном итоге приведет к отказу лампы, SSR или того и другого.Электронные нагрузки должны только когда-либо должны быть переключены с помощью электромеханических реле или реле MOSFET, и должны быть тщательно протестированы как полная установка и проверены, чтобы гарантировать, что работа безопасна как для реле, так и для нагрузки.
Нельзя игнорировать вышеприведенное предупреждение. Использование электронных нагрузок и обычных диммеров TRIAC было проблемой с момента появления компактных люминесцентных ламп и остается со светодиодными лампами, которые также используют импульсный источник питания (электронная нагрузка).Многие из новых ламп в некоторой степени решили эту проблему, но для достижения оптимальной производительности следует использовать 3-проводный диммер по задней кромке. См. Проект 157, 3-проводной диммер по задней кромке для получения подробной информации о диммере, который работает с любой регулируемой лампой (включая лампы накаливания).
Трансформатор, за которым следует мостовой выпрямитель и конденсаторы фильтра, отличается, и можно использовать TRIAC , обычно , потому что ток намагничивания будет больше, чем ток фиксации или удержания.См. Раздел, посвященный TRIAC SSR, для получения подробной информации об этих параметрах. Если вы планируете использовать TRIAC с трансформатором, вы должны тщательно протестировать его перед использованием, чтобы убедиться, что он не ведет себя неправильно. Тороидальные трансформаторы имеют более низкий ток намагничивания, чем типы E-I, что делает тестирование еще более важным.
ЭМИ
обеспечивают полную изоляцию сигнала (включая сеть) с токами утечки, которые возникают исключительно из-за используемых изоляционных материалов. Даже при питании от сети 230 В можно ожидать, что утечка составит максимум несколько наноампер.SSR (все они) имеют некоторую утечку и не могут полностью изолировать. Хотя ток утечки вряд ли будет вредным, рисковать не стоит, так как любой полупроводник может закоротить, если / когда он выйдет из строя. Контакты реле тоже могут залипать, поэтому никогда не работайте с какой-либо схемой с питанием от сети, если она не изолирована от сети — либо путем отсоединения, либо (если должен работать с под напряжением) через изолирующий трансформатор. Конечно, вы все еще можете умереть, поэтому когда-либо должны работать только квалифицированные специалисты!
3 — MOSFET реле
Одним из преимуществ реле MOSFET, в частности, является то, что они могут использоваться со звуком с очень небольшим добавленным искажением (обычно ниже слышимости).Ни одно из других полупроводниковых переключающих устройств не может этого сделать. Существуют полевые МОП-транзисторы с таким низким сопротивлением (R _DS-on), что они рассеивают очень мало энергии даже при высоком токе. Если вы стремитесь к устройству с 10 мОм R _DS-on, каждый полевой МОП-транзистор будет рассеивать только 1 Вт при среднем токе 10 А, что эквивалентно 400 Вт при нагрузке 4 Ом (типичная пиковая мощность будет более 2,4 кВт!).
Помимо краткого описания здесь, я не буду вдаваться в подробности реле MOSFET, потому что эта тема подробно рассматривается в статье MOSFET Solid State Relays and Project 198.Схема P198 должна быть особенно привлекательной, потому что все было оптимизировано с использованием новейшей и (по крайней мере, пока) самой лучшей из имеющихся ИС с изолированным драйвером. Плата и компоненты имеют очень разумную цену, хотя конечный результат будет стоить дороже, чем EMR. Однако он может работать с любым вероятным постоянным напряжением и / или током, которые могут вам понадобиться, просто путем выбора оптимальных полевых МОП-транзисторов.

Рисунок 3.1 — Реле ESP Project 198 MOSFET
На фотографии показана готовая плата P198, в данном случае оснащенная полевыми МОП-транзисторами DS-on со сверхнизким R _{.Он подходит для переключения звука высокой мощности (R _DS-on составляет около 3,6 мОм для каждого полевого МОП-транзистора), а с высоковольтными устройствами он легко справляется с переключением сети. Его можно использовать в качестве диммера лампы (передняя или задняя кромка) или в качестве регулятора скорости небольшого асинхронного двигателя (режим передней кромки только для ). В показанном реле используется микросхема Si8752, которая действует как светодиод для схемы управления. Полевые МОП-транзисторы выбираются в соответствии с областью применения — высокое напряжение (относительно) низкий ток или наоборот.Те, что показаны на рисунке 3.3, являются только примером.}

Рисунок 3.2 — Схема реле ESP Project 198 MOSFET
Единственное преимущество следующей схемы — простота, но для большинства задач она принципиально бесполезна. Источник питания 12 В требуется для оптопары, которая имеет максимальное номинальное напряжение коллектор-эмиттер 30 В (при разомкнутой базе). Это означает, что вы не можете использовать основной источник питания, если он превышает 30 В, но вы, , могли бы использовать стабилитрон для получения питания +12 В.Если вам нужно «настоящее» реле MOSFET для постоянного тока, тогда вам гораздо лучше использовать схему на рис. 3.1 с одним MOSFET. Конечно, он чувствителен к полярности, но ограничений по напряжению нет, и он может быть на стороне питания нагрузки, что сложнее сделать с упрощенными версиями. Есть много других возможностей, но они не относятся к схемам «общего назначения» и чаще всего используются в конечных схемах.

Рисунок 3.3 — Простое реле MOSFET только постоянного тока
Преимущество использования изолятора, такого как Si8752 (или Si8751), заключается в том, что переключатель MOSFET можно использовать в любом месте схемы, с единственными ограничениями на напряжение, ток и мощность, налагаемыми используемым MOSFET.Хотя рис. 3.3 (что-то вроде) квалифицируется как реле MOSFET, на самом деле это всего лишь переключатель, и для работы ему нужен источник постоянного тока. Если источник питания +12 В является плавающим (относится к источнику MOSFET), тогда схему можно использовать где угодно (верхняя или нижняя сторона), но обеспечение дополнительного питания требует дополнительных затрат и означает использование большего количества деталей. . Диод (D1) не является обязательным и необходим, если нагрузка индуктивная.
Реле
MOSFET также можно включать и выключать с помощью ИС фотоэлектрических оптопар — светодиод светит на кучу крошечных фотоэлементов, которые генерируют достаточно напряжения для включения полевого МОП-транзистора.К сожалению, они находятся где-то между медленными и невероятно медленными , в зависимости от емкости MOSFET. Медленное переключение означает большое рассеивание во время периода переключения. У некоторых есть схемы, обеспечивающие быстрое отключение, но вы ничего не можете сделать, чтобы заставить их быстро включиться (кроме использования нескольких параллельно). Типичный выходной ток составляет всего около 50 мкА, поэтому с парой полевых МОП-транзисторов для их включения может потребоваться до 5 мс, потому что емкость затвора должна быть заряжена до порогового напряжения, прежде чем произойдет что-либо полезное.Для некоторых приложений этого может быть достаточно. но для других это слишком медленно.
Примером фотоэлектрической оптопары является Toshiba TLP591B, но есть и многие другие. У всех одинаковые ограничения, и они недешевы (около 5 австралийских долларов каждый). Иногда можно использовать небольшой импульсный источник питания для обеспечения питания, которым затем можно управлять с помощью стандартной оптопары на фототранзисторах, но это дорого и громоздко. Если вам нужно полностью изолированное реле MOSFET, трудно найти что-либо, что лучше схемы Project 198.Его можно использовать с переменным или постоянным током, как показано, но для постоянного тока требуется только один полевой МОП-транзистор (другая позиция закорочена между стоком и истоком).

Рисунок 3.4 — Фотоэлектрическое реле MOSFET
Фотоэлектрические оптопары
довольно распространены, но полевые МОП-транзисторы с высокой емкостью затвор-исток означают более длительное время включения, а это может быть ограничением во многих приложениях. VOM1271 имеет внутреннюю схему «выключения», поэтому, по крайней мере, рассеяние минимально при выключении SSR. Выходное напряжение VOM1271 всего 8.9 В при токе светодиода 30 мА, при токе короткого замыкания 47 мкА. Для пары полевых МОП-транзисторов с объединенной входной емкостью 8,4 нФ (пары полевых МОП-транзисторов IRFP460, как показано) для достижения полной проводимости может потребоваться до 6 мс, в зависимости от тока нагрузки и напряжения питания. Общая входная емкость — это емкость затвор-исток плюс емкость Миллера (сток-затвор), и последняя может создавать «интересные» эффекты.
В частности, рассеиваемая мощность устройства может быть очень высокой во время критического периода включения, хотя обычно она длится всего несколько миллисекунд.В отличие от микросхем Si8751 / 2, здесь нет схемы зажима Миллера, предотвращающей включение полевого МОП-транзистора при подаче напряжения питания с быстрым временем нарастания. В статье о реле MOSFET описывается схема изготовления дискретных зажимов Миллера, если это окажется необходимым. В статье также показано, как сделать цепь отключения с помощью резистора 2,2 МОм и полевого транзистора.
Вы заметите, что стабилитрон на 12 В включен в все схемы MOSFET и IGBT . Это предусмотрено для защиты изоляции ворот, которая легко может быть повреждена перенапряжением, однако это может быть вызвано.Это дешевая страховка, и я не рекомендую исключать ее.
Вы также можете получить встроенные реле MOSFET, обычно в шести- или восьмиконтактном корпусе. Примером может служить LCA110, рассчитанный на 350 В при среднеквадратичном значении до 100 мА или 200 мА постоянного тока, и есть много подобных устройств. В этом типе ИС почти всегда используется фотоэлектрическая оптопара, а время включения / выключения довольно медленное — 3 мс указаны для тока светодиода 5 мА. TLP592A (F) — другой, рассчитанный на 60 В переменного / постоянного тока и 500 мА RMS или 1 А постоянного тока.Время включения составляет 2 мс (макс.), А выключения — 500 мкс (макс.). Существует множество подобных устройств, многие из которых используют схему, аналогичную показанной на рисунке 3.4 (но обычно без схемы «выключения»). Я ожидаю, что стабилитрон включен внутри, но он не упоминается в таблицах данных.
3.1 — Переключающие или нормально замкнутые SSR
Большинство SSR обычно открыты , и для их включения требуется сигнал. Это очень отличается от EMR, которые могут обеспечивать как нормально разомкнутые (NO), так и нормально замкнутые (NC) операции, включая типы переключения.Можно использовать полевые МОП-транзисторы в режиме истощения, но они гораздо менее доступны, чем типы в режиме улучшения, и имеют ограниченный диапазон номинальных значений напряжения и тока. Большинство из них также намного дороже для аналогичных рейтингов, поэтому обычно закрытые SSR встречаются редко. Это неприятно, потому что нормально замкнутые реле используются во многих приложениях.
Эквивалентным является использование стандартного MOSFET, IGBT, SCR или TRIAC SSR, у которого обычно есть питание, поэтому он включен по умолчанию. Выключить его означает снять сигнал привода.Если пара SSR используется для обеспечения функции переключения (SPDT — однополюсный, двойной бросок на языке EMR), вы, , должны обеспечить наличие встроенной задержки. Поскольку переключение может быть почти мгновенным, любое перекрытие (когда оба реле частично включены) может вызвать серьезную неисправность цепи. Это особенно верно для типов TRIAC и SCR, используемых с переменным током, потому что проводящий набор будет продолжать делать это, пока ток не упадет до нуля. Для этого может потребоваться задержка до 10 мс, чтобы убедиться, что проводящий SSR действительно отключился.Если вам нужна эта функция, рекомендуется, чтобы контрольная цепь блокировала непроводящий SSR, пока другой полностью не прекратил проводимость .
4 — IGBT реле
Хотя IGBT могут показаться идеальными для реле, они могут иметь некоторые недостатки по сравнению с MOSFET. Может показаться, что недостатком является скорость — полевые МОП-транзисторы намного быстрее, чем IGBT, но для реле это редко является важным фактором. Одним из их преимуществ является то, что они доступны с очень высоким номинальным напряжением (до 2500 В) и часто (но не всегда) имеют более низкое падение напряжения при максимальном токе.Ниже показаны несколько примеров, выбранных только для того же напряжения, тока и аналогичной мощности. Каждый полевой МОП-транзистор будет рассеивать 103 Вт при 30 А, в то время как IGBT рассеивают только 55,5 Вт. Однако обратите внимание, что предел рассеивания составляет 25 ° C, и в таблице данных будет указан коэффициент снижения мощности для повышенных температур. Как и в случае MOSFET R _DS-on с повышением температуры, падение напряжения на IGBT (V _CE-sat) также увеличивается с повышением температуры. Однако это проблема только при очень высоком токе — при низком токе (например.г. От 5А до 30А IGBT) он обычно остается довольно постоянным.
Технология Типовой номер Номинальные характеристики В, падение при 30 А Стоимость (2020 г.)
MOSFET R6030ENZ4C13 30A, 600V, 305W 3,45V (104W) AU $ 7.80
IGBT STGW30V60F 30A, 600V, 260W 1.85 В (56 Вт) AU $ 6,19
Те, что показаны выше, являются только примерами, но вы можете получить IGBT, которые могут выдерживать переходные токи до 570 А и напряжения до 2,5 кВ (хотя и не в одном устройстве!). Хотя вы увидите спецификации, которые кажутся совершенно невозможными, они почти всегда являются «краткосрочными», обычно не более 1 мс или около того. Все полупроводники в конечном итоге ограничены допустимым тепловыделением в зависимости от температуры, и каждый раз, когда вам нужно переключить значительный ток, вам понадобится радиатор.Добавление большого алюминиевого радиатора (вероятно, с вентилятором для обеспечения наилучшего охлаждения) ничего не делает для видимого уменьшения размера по сравнению с большим ЭМИ или контактором.

Рисунок 4.1 — Реле ESP Project 198 MOSFET с использованием IGBT
Похоже, что существует очень мало реле IGBT. Кажется, нет причин, по которым вы не можете использовать плату Project 198 с IGBT (хотя я не тестировал это), но она не может переключать звук, а для приложений переменного тока IGBT должны иметь ‘ антипараллельные диоды.Некоторые делают, некоторые нет. Без них IGBT почти наверняка будут разрушены при включении переменного тока. Хотя использование IGBT может дать некоторые преимущества для определенных приложений, в большинстве случаев P198 будет использовать MOSFET, как и было задумано.
Показанные IGBT (NGTB15N60S1EG) являются только примером, в данном случае выбранным для встроенного антипараллельного диода, а не для каких-либо конкретных характеристик. Печатная плата не была рассчитана на ток, с которым могут работать эти устройства (30 А), но это недорогое устройство (2 австралийских доллара.20 в 2020 году) и, вероятно, будет хорошо служить для переключения сети. Напряжение насыщения составляет 1,75 В (типичное), поэтому оно рассеивает 17,5 Вт при 10 А (это , а не , включая диоды, поэтому общее рассеивание будет ближе к. Это ожидается для IGBT в целом. Обратите внимание, что TRIAC SSR будет рассеивать около 10 Вт при том же токе.
Конечно, такая же схема может быть использована для постоянного тока, и нужен только один IGBT. Если используется печатная плата P198, другое положение устройства просто замыкается между коллектором и эмиттером (эквивалентно стоку и истоку для полевого МОП-транзистора).
5 — Реле TRIAC
TRIAC SSR (почти буквально) так же распространены, как грязь. Они существуют уже много лет и доступны в виде полных модулей. С номинальным током от 200 мА до 70 А есть TRIAC, который соответствует вашим требованиям. Однако будьте очень осторожны при заказе модулей или микросхем драйверов, поскольку они бывают двух разных «разновидностей». Типы переключения при нулевом напряжении (ZVS, также известные как ZC — переход через ноль) очень распространены, и часто номер детали не указывает на то, что реле использует ZV или «случайное» переключение.Несмотря на то, что вы думаете, трансформаторы и двигатели никогда не следует включать с помощью реле ZVS TRIAC (или SCR). Это гарантирует максимально возможный (в худшем случае) пусковой ток … при каждом включении!
Это задокументировано (с формами сигналов) в статьях о трансформаторах, и я использовал специально разработанную систему переключения, которая позволяет включать напряжение при переходе через ноль или пике формы волны переменного тока. Для минимального пускового тока питание должно подаваться при пиковом переменном напряжении (номинально 325 В для сети 230 В).Было бы полезно, если бы реле TRIAC / SCR с переключением пикового напряжения были легко доступны, но, насколько я могу судить, они доступны только у промышленных специализированных поставщиков, и они очень скромно раскрывают подробности. Так называемые «случайные» переключающиеся реле TRIAC могут быть включены в любое время в течение цикла, кроме перехода через нулевое напряжение, потому что нет доступного напряжения (или тока) срабатывания.
Что такое , именно такое TRIAC? Они описаны как подмножество тиристорных (SCR) устройств и фактически представляют собой пару SCR, соединенных спина к спине (с измененной топологией затвора.SCR — это твердотельный эквивалент оригинального газового тиратрона ^[1] (переключающий клапан). Они выглядят (но не являются) электронными лампами, потому что используют газ внутри. Термин «тиристор» представляет собой комбинацию «тиратрона» и «транзистора», и тиристоры стали коммерчески доступными в 1958 году. TRIAC — это двунаправленная версия основного тиристора (название происходит от «TRI», что означает три, а AC — переменный ток. ), и может переключать переменный ток с помощью одного устройства (два необходимы для переключения переменного тока с помощью тиристоров).SCR и TRIAC были впервые разработаны General Electric ^[4]. Хотя в принципе TRIAC кажутся достаточно простыми, для их надежной работы необходимо учитывать множество факторов.
Характеристика включения TRIAC (и SCR) является регенеративной — по мере прохождения тока он заставляет устройство включаться быстрее, что приводит к очень быстрым переходам напряжения и тока. Если напряжение на устройстве высокое, скорость включения (и амплитуда гармоник) таковы, что они могут создавать электрические помехи в диапазоне МГц, и во многих схемах, в которых используются симисторы (например.г. диммеры (передние светорегуляторы) требуют ВЧ-фильтрации для уменьшения электрических шумов. Регенерация — это просто еще одно слово для обозначения положительной обратной связи.

Рисунок 5.1 — Триггерные квадранты TRIAC
Один из малоизвестных аспектов TRIAC заключается в том, что они чувствительны к полярности. Теоретически не имеет значения, положительный или отрицательный сигнал запуска, независимо от полярности входящего сигнала, однако это не совсем так. На приведенном выше рисунке показаны четыре возможных квадранта для проведения, а квадрант IV вызывает затруднения.Если полярность основного вывода 2 (MT2) отрицательная, положительное напряжение затвора включит симистор , но это нечувствительно по сравнению с квадрантами I-III. Стоит отметить, что некоторые TRIAC специально разработаны для , исключая срабатывание Q4. Их часто называют TRIAC «Snubberless ^™», потому что за счет исключения запуска Q4 многие проблемы, связанные с этим режимом запуска, устраняются. Вы также можете увидеть, что они называются «Альтерннистор ^™» или TRIAC с высокой коммутацией (Hi-Com ^™), в зависимости от производителя.Квадранты I и III оптимальны, но не всегда достижимы.
Вы также увидите основные терминалы TRIAC, обозначенные как «A1» и «A2», что эквивалентно MT1 и MT2 (главный терминал 1, главный терминал 2). Обозначение «A» означает «анод», что может вводить в заблуждение, поскольку спорный вопрос, являются ли эти выводы анодами или катодами. Тем не менее, если вы видите TRIAC, обозначенный как A1 и A2, они эквивалентны MT1 и MT2, а ворота относятся к A1 или MT1.

Рисунок 5.2 — Внутренняя схема и фото реле TRIAC
На рис. 5.1 показан упрощенный чертеж коммерческого TRIAC SSR вместе с фотографией примера. Показан только относительно слабый ток (пик 400 В при максимуме 8 А, переключение при нулевом напряжении), и он предназначен для использования с радиатором при работе с максимальным током. Фото-TRIAC является внутренним, но есть много триггерных ИС, доступных от ряда поставщиков. MOC3022 (и ему подобные), вероятно, самые известные, и они могут использоваться сами по себе для слаботочных приложений.Их можно использовать с током до 100 мА, но для предотвращения перегрева предпочтительнее использовать более низкий ток (50 мА при 70 ° C). Также доступны версии с логикой ZVS. Иногда их называют «ZC» и «NZC» — переход через нуль и ненулевой переход.

Рисунок 5.3 — Схема TRIAC SSR
Оптопара питается от источника тока (Q1, Q2, R3), который поддерживает постоянным ток через оптопару во всем диапазоне входного напряжения (5–20 В постоянного тока). Регулятор тока, который гарантирует, что оптопара будет получать одинаковый ток всякий раз, когда присутствует управляющее напряжение, независимо от напряжения (в разумных пределах).С R3 на 56 Ом ток составляет около 12 мА. В индикаторе нет ограничителя тока, но при желании он может быть включен (или индикатор можно не указывать). Стабилизатор тока не нужен, если управляющее напряжение фиксировано — вам нужно только использовать последовательный резистор, чтобы поддерживать ток в оптическом кабеле в пределах 10-15 мА. Q1 / Q2 может быть любым малосигнальным NPN-транзистором, который у вас есть под рукой — это не критично. В худшем случае рассеиваемая мощность составляет менее 170 мВт при напряжении на входе 15 В. Демпфер и MOV не являются обязательными и требуются только в том случае, если у вас индуктивная нагрузка и / или шумная сеть.
Схема включает схемы, предназначенные для работы с индуктивными нагрузками, и она была упрощена за счет использования резисторов одинакового номинала во всех местах срабатывания триггера. Для них может потребоваться регулировка при проблемных нагрузках. В некоторых случаях это может привести к серьезным нарушениям, поэтому дополнительные RC-сети действуют как демпферы, ограничивая DV / Dt, применяемые к TRIAC и запускающие IC. Второй демпфер (C2, R7) может подвергаться чрезвычайно быстрым переходам, поэтому и резистор, и конденсатор должны быть импульсными.В худшем случае ток в этой сети составляет около 1,2 А при напряжении сети 230 В, поэтому пиковое рассеивание в R7 может достигать 70 Вт. Он очень недолговечный, но вам нужно будет использовать резистор из углеродного состава . Эти резисторы предназначены для импульсных применений.
Для этого доступны выделенные сети пульта дистанционного управления
, объединяющие обе части в один компонент. В показанном примере используется конденсатор из металлизированной бумаги, и устройство может выдерживать импульсный ток 12А. Также можно использовать дискретные (импульсные) части.Не думайте, что вы можете использовать конденсаторы X2 или даже X1, поскольку они являются металлизированными пленочными типами, они не рассчитаны на импульс и выйдут из строя. Выживут только конденсаторы , специально разработанные для сильноточных импульсов . Пиковый ток через демпфер зависит от напряжения переменного тока и места его переключения, но в худшем случае — до нескольких ампер, что приводит к чрезвычайно высокому мгновенному рассеянию. При питании от сети 230 В пиковое рассеивание может составлять 120 Вт с резистором 47 Ом. Среднее рассеивание невелико — обычно несколько милливатт.Конденсатор также должен выдерживать такой же пиковый ток, поэтому будет использоваться фольга, а не металлизированная пленка.
Если кто-то строит самодельный TRIAC SSR, который будет себя вести при любой нагрузке, я предлагаю использовать триак без демпфера. Примером может служить BTA26-800CWRG, трехквадрантный TRIAC на 25 А, 800 В. Конечно, есть много других, и в большинстве случаев вам не нужно быть придирчивым. Недостатком «стандартных» симисторов является то, что демпфер обычно необходим, если нагрузка индуктивная.Использование MOV (металлооксидного варистора) необязательно и в большинстве случаев не требуется.
Преобразователи TRIAC
(и SCR, о которых идет речь ниже) имеют минимальное требование по току (называемое «ток удержания»), ниже которого они отключаются. Это может варьироваться от нескольких миллиампер до 500 мА для сильноточных типов. Если ваша нагрузка не потребляет достаточный ток, TRIAC может не достичь значения с фиксацией тока , и он не останется включенным после окончания триггерного импульса. Любая ситуация может привести к неожиданному прекращению проводимости реле TRIAC (или SCR).У них также есть максимальная скорость изменения напряжения (называемая DV / Dt или ΔVΔt, также известная как критическая скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии), и если приложенное напряжение растет быстрее, чем максимально допустимое, TRIAC будет проводить. Обычно используется демпферная цепь (резистор-конденсатор) параллельно с TRIAC для ограничения DV / Dt и предотвращения спонтанной проводимости. Вы также должны знать о критическом росте тока в открытом состоянии (DI / Dt / ΔI / Δt). Если это превышено, TRIAC может выйти из строя из-за внутренних «горячих точек».

Рисунок 5.4 — Форма волны проводимости TRIAC SSR
Эти устройства по своей природе несколько излучают электрические помехи. Пики на переднем фронте сигнала, видимые на осциллограмме, указывают на очень быстрые переходы, а это значит, что должен быть высокочастотный электрический шум. Эти выбросы узкие (около 100 мкс, но с очень быстрыми переходами , когда TRIAC проводит), что гарантирует, что генерируемые частоты простираются до нескольких МГц. Показанная форма сигнала была получена от FOTEK SSR-25-DA TRIAC SSR.Это тип ZVS, рассчитанный на 25 А при напряжении до 380 В переменного тока. Форма волны была получена при 40 В переменного тока и нагрузке 8 Ом — среднеквадратичное значение 5 А. Как и ожидалось, прямое напряжение составляет 1 В и очень мало меняется с током. Рассеивание составляет 1 Вт / А, поэтому во время моего теста оно рассеивалось 5 Вт.
Пики в начале каждого полупериода показывают, что должно присутствовать определенное напряжение (по крайней мере, пиковое 5 В), чтобы позволить TRIAC зафиксироваться, в данном случае обеспечивая около 625 мА. Испытания при низком напряжении показали, что при среднеквадратичном напряжении менее 5 В Fotek SSR либо не включается вообще, либо ведет себя неправильно (полуволновая работа).Использование его для низковольтной или слаботочной нагрузки не сработает, и он прекратил «нормальную» проводимость при токе нагрузки ниже 100 мА. Это совсем не похоже на EMR, который обычно нормально функционирует практически при любом напряжении или токе в пределах своих номиналов.
TRIAC
никогда не следует эксплуатировать с любой нагрузкой, потребляемой меньше, чем ток фиксации наихудшего случая (если вы достаточно смелы, вы можете вместо этого использовать «типичное» значение). Для серии BT139 максимальное значение составляет 40 мА, но меня это не совсем устраивает.Вы намного безопаснее, если удвоите показатель для наихудшего случая, особенно с тяжелыми нагрузками (например, реактивными или электронными нагрузками). Это означает около 20 ВА при напряжении сети 230 В или 10 ВА при 120 В. Есть все шансы, что он будет работать с меньшими затратами, но при некоторых нагрузках проводимость может быть неустойчивой.
Несмотря на эти предупреждения, большинство SSR TRIAC (или просто TRIAC) без проблем переключают силовые трансформаторы, а некоторые производители использовали TRIAC, поэтому сетевой выключатель может быть слаботочным. Он по-прежнему должен быть рассчитан на полное сетевое напряжение, но крошечный ток затвора TRIAC означает, что нет необходимости в сверхмощном переключателе для включения или выключения оборудования.Это (строго говоря) не реле, потому что нет изоляции, но оно все же позволяет управлять большим током с помощью гораздо меньшего тока.

Рисунок 5.5 — Пример сетевого переключателя TRIAC
В приведенном выше описании коммутатор должен выдерживать всего несколько миллиампер, в то время как TRIAC может использоваться для переключения очень большого силового трансформатора. Обычно для этого требуется сверхмощный переключатель, но для эстетики многие дизайнеры предпочли бы использовать миниатюрный переключатель. Он по-прежнему должен быть рассчитан на сетевое напряжение, но резкое снижение тока означает, что даже легкий выключатель, вероятно, прослужит дольше оборудования.Для TRIAC может потребоваться радиатор, если требуется большой ток (1 Вт / А типичен для большинства TRIAC). R2 и демпферная сеть не являются обязательными и могут (а могут и не потребоваться) при проектировании.
С TRIAC BT139F-600, как показано, для всего, что превышает средний ток 1A, потребуется радиатор (помните, что TRIAC рассеивают 1 Вт / А). Суффикс «F» означает, что это «полный комплект» (полностью изолированный), поэтому слюдяные шайбы и изолирующие втулки не нужны (а — очень плохая идея для , если вы изолируете сетевое напряжение).Вы должны использовать термопасту между TRIAC и радиатором. Необходимо следить за тем, чтобы выводы TRIAC имели соответствующие расстояния утечки и зазоры, чтобы они не могли закоротить радиатор, которым часто является корпус, если он сделан из алюминия. Установка должна иметь крышку для предотвращения случайного прикосновения, а для подключения к переключателю должен использоваться сетевой кабель.
6 — Реле SCR
Во многих отношениях SSR (кремниевый выпрямитель) схожи с типами TRIAC, и для их управления могут использоваться те же оптопары с фото-TRIAC.Использование SCR вместо TRIAC дает преимущества, особенно с точки зрения текущей пропускной способности. Например, тиристор CLA50E1200HB рассчитан на 1200 В, 50 А и рассеиваемую мощность 500 Вт в знакомом пластиковом корпусе TO247. При цене менее 10 австралийских долларов каждая (цена 2020 года) пара может выдержать колоссальную нагрузку. С номинальным пиковым током 650 А (10 мс) он может выдерживать гораздо больший ток, чем может обеспечить любая бытовая розетка. Ток срабатывания составляет 50 мА (макс.) При 25 ° C.
На следующем рисунке показан SSR с парой SCR.Этот рисунок очень похож на показанный выше (Рисунок 5.3), но изменен для использования SCR. SCR SSR несколько менее восприимчив к ложной или спонтанной проводимости, поэтому триггерные демпфирующие сети не нужны. Доступны тиристоры с гораздо более высоким номинальным током, чем триАК (последний ограничен примерно до 40 А), в то время как тиристоры могут выдерживать 2000 А или более (что несколько выходит за рамки диапазона цепей DIY). Номинальное напряжение также намного выше, до 2,6 кВ — они, как правило, недоступны для домашних хозяйств и требуют более сложных триггерных сетей.Как и следовало ожидать, здесь они не рассматриваются, но это дает вам представление о доступном диапазоне.

Рисунок 6.1 — Схема SCR SSR
На приведенном выше рисунке я использовал SCR, которые немного больше соответствуют тем, которые могут использоваться в версии DIY. Они по-прежнему могут обрабатывать 20A RMS для пары и могут обеспечивать пиковый ток 200A в течение 10 мс. Одним из самых больших преимуществ использования SCR вместо TRIAC является то, что мощность распределяется между двумя устройствами, поэтому их легче поддерживать в холодном состоянии из-за эффективного уменьшения вдвое тепловых сопротивлений.Регулятор тока такой же, как на рисунке 5.3. Как и в случае с версией TRIAC, демпфер и MOV не являются обязательными и требуются только в том случае, если у вас индуктивная нагрузка и / или шумная сеть.
SCR
имеют полупроводниковую структуру PNPN с дополнительной легированной секцией для создания затвора. Сделать тиристор, используя пару транзисторов, удивительно просто. Концепция показана ниже, и она работает так же, как «настоящая вещь», за исключением того, что ток ограничен, потому что большая его часть должна проходить через базовые соединения.Время включения очень быстрое, потому что два транзистора работают в контуре положительной обратной связи. Согласно симулятору, проводимость начинается в пределах 15 нс от приложенного триггерного импульса, а время нарастания тока нагрузки составляет менее 18 нс.

Рисунок 6.2 — Сделай сам «SCR» на двух транзисторах
Хотя эта схема непрактична для силовых цепей, ее стоит помнить, если вам когда-нибудь понадобится слаботочный высокочувствительный переключатель с защелкой. Как и все тиристоры, он имеет минимальный ток удержания.В данном случае это около 65 мкА, установленное R1 и R2. Однако ожидать, что он будет работать с током менее 5 мА, вероятно, неразумно. При любом токе от 7 мА до 50 мА напряжение на «тиристоре» остается на уровне около 800 мВ. Это зависит от используемых транзисторов (для моделирования я использовал BD139 [NPN] и BD140 [PNP]). Диод предотвращает снижение чувствительности схемы резистором затвора (и увеличение требуемого тока удержания). В отличие от «настоящего» SCR, версия с транзистором может быть отключена. Доступны тиристоры GTO (выключение затвора), но для этого требуется отрицательный импульс затвора высокой энергии.
Важно понимать, что реле SCR (вместе с TRIAC) имеют некоторый ток утечки, который указан в таблице данных. Если демпферная цепь R / C включена параллельно с реле, она увеличивается в зависимости от емкости и частоты. Например, конденсатор 10 нФ будет пропускать 722 мкА на частоте 50 Гц, и это может быть больше, чем вы получите из-за обратной утечки в выключенном состоянии. SCR серии BT152 имеют максимальные характеристики утечки 1 мА при 125 ° C и максимальном номинальном напряжении. Обычно это игнорируется, но это означает, что существует некоторый риск «покалывания», если вы полагаетесь на реле SCR для изоляции напряжения сети.Это одна из причин, по которой , а не использовать их в качестве защитного отключения.
Один тиристор может также переключать переменный ток, используя его между положительной и отрицательной клеммами мостового выпрямителя, причем одна клемма переменного тока является входом, а другая — выходом. Сильноточные тиристоры дешевле и имеют меньшую рассеиваемую мощность, чем сильноточные мостовые выпрямители, поэтому этот метод бесполезен и здесь не показан.
7 — переход через нуль, случайное, пиковое переключение и импульсный привод
В приведенных выше описаниях упоминались переход через нуль, случайное переключение и переключение пиков.Реле MOSFET (и IGBT) всегда «случайны», если не включены дополнительные схемы. Детекторы пересечения нуля подробно обсуждаются в статье AN-005 — Детекторы пересечения нуля, и аналогичная схема включена в микросхемы драйверов ZCS TRIAC. Очевидно, вы не можете включить TRIAC или SCR, когда напряжение составляет , фактически ноль, и у большинства из них есть порог до 35 В перед срабатыванием триггера. Это работает правильно только при напряжении питания переменного тока выше 30 В RMS, потому что при более низких напряжениях он может вообще не сработать.
Пиковое переключение несколько сложнее. Хотя, безусловно, можно зафиксировать (и удержать) пиковое напряжение, это требует времени. Как правило, может пройти до 40 мс (два полных цикла при 50 Гц), прежде чем схема сможет обнаружить пиковое напряжение и запустить реле. Альтернатива (и метод, который я использовал для специального тестера, который я сделал) состоит в том, чтобы обнаружить переход через ноль и подождать 5 мс (сдвиг на 90 ° при 50 Гц, что является пиковым напряжением) перед срабатыванием реле TRIAC или SCR. Это несложно, но требует дополнительных схем.Для приложений 50 Гц и 60 Гц потребуются разные блоки, поэтому неудивительно, что этот метод не будет использоваться в коммерческих устройствах.
Случайное переключение означает, что SSR включится, как только появится достаточно напряжения, чтобы вызвать срабатывание и фиксацию TRIAC или SCR. С реле MOSFET или IGBT они будут включаться, когда напряжение затвора выше порогового значения — даже при нулевом токе — поэтому задержка очень мала. Для большинства реле TRIAC / SCR с произвольной коммутацией задержка в наихудшем случае будет составлять всего пару миллисекунд в большинстве случаев.
Триггерный сигнал для реле TRIAC / SCR может быть непрерывным или импульсным с высокой частотой (обычно> 10 кГц). Последняя система распространена, когда запуск осуществляется с помощью импульсных трансформаторов. Этот подход здесь не рассматривался, но ниже показан пример. Импульсные трансформаторы имеют некоторые преимущества перед оптопарами в том, что они могут обеспечивать более высокий пусковой ток и не подлежат ограничениям DV / Dt в той же степени, что и симисторы. Импульсное переключение может быть настроено для перехода через ноль, пика, случайного или определенного фазового угла (используется для схем диммера).Схема привода более сложна, чем при использовании оптронов.

Рисунок 7.1 — Запуск импульсного трансформатора для TRIAC SSR
Хотя этот подход выглядит идеальным, важна полярность импульса. Обратитесь к запускающим квадрантам, показанным на рисунке 5.1, и очевидно, что квадранты II и III являются единственным вариантом (поскольку квадрант IV следует избегать при использовании многих TRIAC ^{[5, 6]}). Это означает, что триггерные импульсы должны быть отрицательными , хотя это спорный вопрос, когда используется трансформатор, потому что опорный сигнал постоянного тока всегда является средним значением формы сигнала.
Включение диодов Шоттки заставляет большую часть импульсного напряжения быть отрицательным, что позволяет запускать в квадрантах II и III. Это позволяет полностью избежать квадранта IV и обычно дает наилучшую производительность. Если частота запускающего импульса достаточно высока, диод можно не устанавливать, поэтому даже если TRIAC попытается (но потерпит неудачу) сработать в Q4, полярность изменится всего за несколько микросекунд, поэтому он сработает правильно. При использовании импульсного запуска последовательность импульсов требуется до тех пор, пока TRIAC включен.Применение только одного импульса в точке, где требуется проводимость, может привести к прерывистой работе, особенно с индуктивными нагрузками.
Наихудшая из возможных неисправностей возникает, когда TRIAC проводит только полуволны, так как это может привести к сгоранию двигателя или трансформатора. Это совсем не редкость, особенно если разработчик пытается запустить триггер в квадранте IV. К сожалению, похоже, что большинство любителей (и даже заявителей на патенты) не осведомлены о «проблеме квадранта IV» с TRIAC и пытаются запускать, используя только положительные импульсы, тогда как отрицательные импульсы всегда будут работать лучше.Если вы посмотрите таблицы данных TRIAC, вы обнаружите, что квадранты I-III более чувствительны, чем квадранты IV (последний может потребовать удвоения тока срабатывания по сравнению с квадрантами I-III), и многие типы TRIAC вообще запрещают запуск квадранта IV . .
Импульсный трансформатор должен быть рассчитан на напряжение изоляции, необходимое для цепи, и обычно составляет не менее 2 кВ. Их легко приобрести у многих поставщиков. Демпфер не включен, но может потребоваться в зависимости от области применения.
8 — Сводка SSR
Существует огромное количество различных типов реле (EMR и SSR) не только для коммутационных устройств, но и для требований к входам. Некоторые SSR предназначены исключительно для работы с переменным током, другие — только с постоянным током. Небольшое количество коммерческих SSR можно использовать с переменным или постоянным током. В этом отношении они гораздо более строгие, чем EMR, но они также предлагают некоторые уникальные преимущества. Излишне говорить, что они также имеют некоторые уникальные недостатки.
ТТР
могут использовать широкий спектр методов изоляции и управления, включая герконовые реле (что, строго говоря, делает его гибридным), преобразователи переменного / постоянного или постоянного / постоянного тока, преобразователи частоты сети, высокочастотные импульсные трансформаторы или (и чаще всего ) инфракрасный свет в корпусе IC. Оптопары значительно превосходят по численности другие методы для устройств средней мощности. Если контролируется значительная мощность, в схеме управления, вероятно, будет использоваться импульсный трансформатор.
Как и обычные реле, большинство SSR обеспечивают гальваническую развязку между входом и выходом, обычно рассчитанная на 2–3 кВ.Вместо того, чтобы использовать катушку для управления реле, в SSR обычно используется оптопара (Si875x является заметным исключением), поэтому активирующей средой является инфракрасный свет, а не магнитное поле. Там, где для электромеханического реле может потребоваться входная мощность до пары ватт (вплоть до 100 мВт), SSR обычно работают с мощностью всего 50 мВт, а некоторым требуется даже меньше.
Однако там, где контакты обычного реле могут рассеивать только несколько милливатт, SSR обычно рассеивает гораздо больше, а для мощных типов требуется радиатор для охлаждения электронного коммутационного устройства (устройств).Это связано с тем, что переключающий элемент является полупроводниковым устройством, и поэтому на него распространяются все ограничения любого полупроводника. Сюда входит естественный враг всех полупроводников — тепло! Распространенными коммутационными устройствами являются тиристоры, симисторы, полевые МОП-транзисторы и IGBT , и каждое из них имеет свои собственные преимущества и ограничения.
Будьте особенно осторожны, если ваше приложение имеет высокий пусковой ток. Максимальный ток в наихудшем случае должен быть в пределах номиналов SSR, иначе вы рискуете повредить реле.SSR имеют удивительный набор спецификаций (некоторые из них более непостижимы, чем другие), но всегда будет указан максимально допустимый ток (обычно как «неповторяющийся пиковый импульсный ток»). Обратите внимание на использование термина «неповторяющиеся» — это означает все, что производитель говорит о его значении. Это может быть 20 мс (один цикл при 50 Гц), это также может означать другую заданную продолжительность (например, 1 мс), и, если вам повезет, будет график и даже некоторая информация о том, как бороться с пусковым током. Для получения дополнительной информации по этой теме, пожалуйста, прочтите статью о пусковом токе.
Переключение Используется для Комментарии
SCR ½ Wave AC Два обычно используются в обратной параллели для мощного двухполупериодного переменного тока
TRIAC Full Wave AC Обычно используется только для версий с низким энергопотреблением (например, 10 А или меньше)
MOSFET AC или DC AC и DC версии доступны, но обычно не взаимозаменяемы
IGBT AC или DC То же, что и выше, но не подходит для аудио.Подходит для высокого тока / напряжения
Чтобы ознакомиться с некоторыми из многих методов, используемых для реле MOSFET, см. Статью «Реле MOSFET», в которой описаны различные схемы управления, которые можно использовать. Статья в первую очередь нацелена на схемы защиты громкоговорителей от постоянного тока, но аналогичные методы могут быть использованы и в других местах. В SSR на основе полевого МОП-транзистора постоянного тока можно просто использовать полевой МОП-транзистор и фотоэлектрическую оптопару. Как правило, преимущества использования предварительно упакованной версии по сравнению с эквивалентом дискретных компонентов практически отсутствуют, за исключением случаев, когда требуется сертификация SSR для приложений, критически важных для безопасности.Хотя это возможных , обычно предпочтительнее использовать EMR, потому что в выключенном состоянии утечка нулевая.
Общая компоновка, показанная на схеме на рис. 5.2, является общей для большинства SSR на основе SCR и TRIAC. Оптрон можно приобрести в виде дискретной ИС в версиях «мгновенного / случайного действия» или «с переходом через нуль». В этом случае «мгновенный» (или NZC — ненулевое пересечение) просто означает, что опто-TRIAC срабатывает мгновенно, когда на светодиод подается постоянный ток, независимо от напряжения переменного тока или полярности в этот момент времени.Версии с переходом через ноль предотвращают срабатывание, если напряжение переменного тока не находится в пределах (обычно) 30 В от нуля. Примерами являются MOC3052 (мгновенная / случайная фаза) или MOC3042 (переход через нуль). Оба рассчитаны на входной ток 10 мА.
Вам также необходимо внимательно прочитать документацию, чтобы убедиться, что ваши запасы и нагрузка никогда не превышают каких-либо ограничений, описанных в таблицах данных. Кратковременное перенапряжение обычно не причиняет ни малейшей боли контактам стандартного реле, и даже кратковременное превышение тока обычно не является проблемой.С твердотельным реле нельзя превышать предельное значение … когда-либо . Вы также должны убедиться, что напряжение и / или ток не изменяются слишком быстро, потому что тиристоры и симисторы имеют определенные пределы, известные как DV / Dt (критическое изменение напряжения с течением времени) и DI / Dt (критическое изменение тока сверх время). При превышении любого из них устройство может неожиданно включиться или выйти из строя. Вы также увидите эти термины, записанные как ΔV / Δt и ΔI / Δt.
Максимальное пиковое напряжение также не может быть превышено, и горе вам, если нагрузка потребляет больше номинального пикового тока.Вы также должны использовать радиатор, если ток нагрузки в противном случае приведет к повышению температуры выше номинального максимума (типичный абсолютный максимум температура перехода составляет 150-175 ° C). Минусов много, но иногда нет выбора. Например, вы не можете использовать механическое реле в диммере с отсечкой фазы, потому что оно не может действовать достаточно быстро. Вы также не можете гарантировать, что механическое реле включается при определенном фазовом угле формы волны переменного тока — например, идеальным вариантом для индуктивной нагрузки является подача мощности на пике формы волны переменного тока.Это легко сделать с помощью SSR.
Несмотря на то, что SSR с TRIAC и SCR редко указываются, они имеют минимальный номинальный ток, ниже которого вероятна неустойчивая работа. Если ток нагрузки ниже требуемого тока фиксации, SSR либо не будет работать должным образом (например, полуволновой режим), либо он может вообще не работать. Обычно это не проблема с ЭМИ, хотя некоторые и указывают минимальный ток, чтобы контакты не оставались открытыми из-за загрязнения поверхности. Обычно это происходит только при очень низких напряжениях.
Стоит еще раз взглянуть на (обобщенные) преимущества и недостатки полупроводников по сравнению с электромеханическими реле.
Преимущества
SSR …
У некоторых из них корпус меньшего размера, позволяющий использовать больше устройств на единицу объема, но если требуется радиатор, это преимущество исчезает
Нет контактов, поэтому искрение отсутствует, может использоваться во взрывоопасных средах
Увеличенный срок службы независимо от количества циклов переключения. Нет движущихся частей, которые изнашиваются
Бесшумная работа (без слышимого шума)
Намного быстрее электромеханических реле, и время их переключения составляет порядка микросекунд.
Без дребезга контактов, с положительным переключением (может не относиться к ТТР TRIAC и SCR при низком токе)
Версии
постоянного тока могут отключать высокое напряжение и / или высокий ток, что может вызвать серьезное искрение на контактах.
Менее чувствителен к механическим ударам, вибрации, влажности и внешним магнитным полям
Чувствительная входная цепь означает, что для работы требуется низкая мощность привода
ССР Недостатки…
Большинство ограничено «1 форма-A» — один нормально разомкнутый «контакт»
Вольт-амперные характеристики полупроводников, а не механических контактов
Более высокое внутреннее сопротивление в замкнутом состоянии с выделением тепла
Относительно высокий ток утечки, зависящий от напряжения, в открытом состоянии
Искажение формы сигнала из-за нелинейных характеристик напряжения и тока
Некоторые SSR имеют переключающие устройства, чувствительные к полярности.
Реле
SCR и TRIAC обычно не могут использоваться с постоянным током (их нельзя выключить)
Реле
SCR и TRIAC имеют минимальный рабочий ток , который обычно не указывается
Некоторые могут переключаться случайным образом из-за скачков напряжения
Как и большинство полупроводников, SSR откажутся от короткого замыкания
Чувствительная входная цепь означает, что переходные помехи могут вызвать непредвиденную работу
Неспособность большинства SSR обеспечить переключающие контакты или несколько наборов контактов может быть серьезным ограничением, а также может значительно увеличить затраты.Добавление еще одного набора контактов к электромеханическому реле стоит очень мало, но с SSR вам понадобится сверхсильное коммутирующее устройство и улучшенный драйвер. В большинстве случаев, если вам нужно, чтобы цепь была нормально замкнута при выключенном питании, вам, вероятно, не повезло. Такие вещи действительно существуют (с использованием полевых МОП-транзисторов в режиме истощения), но я никогда не встречал ничего, кроме как в таблицах данных.
Одна из областей, где превосходят SSR на основе MOSFET и IGBT, — это прерывание высокого напряжения и высокого постоянного тока, что в корне является злом.При напряжении более 35 В и достаточном токе, протекающем в цепи, постоянный ток просто образует дугу на контактах большинства механических реле и переключателей. При высоком токе дуга будет плавить контакты и контактные рычаги до тех пор, пока воздушный зазор, наконец, не станет достаточно большим, чтобы разорвать дугу. Подумайте о аппарате для дуговой сварки, потому что такие условия могут существовать при достаточном напряжении и токе. MOSFET не имеет этого ограничения и может отключать любое напряжение или ток, которые находятся в пределах его номинальных значений.
Также доступно множество небольших (DIP6, DIP8 или SMT) реле MOSFET. Они не подходят для больших токов, но некоторые из них, вероятно, будут хорошим выбором для переключения аудио и других сигналов низкого уровня. Номинальное напряжение колеблется от 60 В до 300 В и более. Примеры включают G3VM-61G1 (60 В, 400 мА переменного тока), Lh2156AT (300 В, 200 мА переменного тока) и PVDZ172N (60 В, 1,5 А, постоянный ток). Они выбираются более или менее случайно, и существуют сотни различных типов. Как и ожидалось, все, что я видел, — это нормально открытые SPST.Принципы работы во многом такие же, как описано выше, но все в одном пакете. Для типов переменного / постоянного тока номинальное напряжение — это пиковое переменное или непрерывное постоянное напряжение.
Твердотельные реле никогда не следует использовать в качестве системы отключения, критичной для безопасности. Поскольку отказ обычно означает короткое замыкание коммутационного устройства, в случае отказа SSR нагрузка будет постоянно находиться под напряжением. Вы должны знать свои характеристики нагрузки и знать, что многие SSR могут не выключить , если нагрузка имеет характеристику, которая генерирует переходные процессы достаточно быстро, чтобы вызвать самопроизвольное повторное срабатывание SCR или TRIAC.Некоторые нелинейные нагрузки могут вызывать срабатывание SSR только на одной полярности, вызывая полуволновое выпрямление и составляющую чистого постоянного тока в цепи питания нагрузки (обычно в сети). Некоторые проблемы SSR (даже временные) могут вызвать серьезные сбои в другом оборудовании, использующем тот же источник питания. Например, переходное однополупериодное выпрямление сети может вызвать насыщение трансформатора, серьезную перегрузку двигателя (снова насыщение), срабатывание автоматических выключателей и общий ущерб.
Меры предосторожности
При использовании любого SSR никогда не стоит недооценивать, насколько сильно может нагреться коммутационное устройство (а).Для TRIAC 1 Вт / А может показаться не таким уж большим, но даже в большом корпусе с креплением на шпильках будет очень тепло, рассеивает всего пару ватт (2 А), а меньшие корпуса хуже. Коммутационные устройства могут находиться внутри шасси с небольшим охлаждением или без него, что делает проблему более серьезной. Всегда необходимо правильное тестирование, о чем обычно не нужно беспокоиться с EMR. Точно так же не предполагайте ничего другого — SSR могут (и делают) неправильно работать с некоторыми нагрузками, они используют полупроводники, которые не работают при коротком замыкании, и они могут быть «случайно» включены с кратковременным скачком напряжения.
Является ли это проблемой (или нет) зависит от приложения и от того, отказывает ли устройство (или нет) в результате. Для сетевых приложений рассмотрите возможность использования MOV (металлооксидного варистора) для ограничения пикового напряжения. Для приложений 230 В не используйте ничего, кроме MOV с номинальным среднеквадратичным значением 275 В (или около 400 В пикового значения). Для 120 В используйте 150 В RMS MOV 220 В, пик). Эти устройства несколько «резиновые» по своим характеристикам и могут иметь отрицательную характеристику сопротивления, когда они проводят. Когда они используются для зажима очень высокой энергии, они нередко катастрофически выходят из строя, поэтому не кладите к ним ничего деликатного.
MOV — это отдельная тема, поэтому я рекомендую, чтобы, если вы хотите включить один, вы читали как можно больше и покупали только у признанных поставщиков. Littelfuse производит устройство, которое они называют TMOV, которое включает в себя внутренний термовыключатель. Это предотвращает рассеяние MOV по шасси в случае отказа, но, конечно, если перегорает предохранитель, MOV навсегда выйдет из строя (и вы не узнаете, что это произошло). По крайней мере, если вы слышите взрыв внутри своего оборудования, вы знаете, что что-то не удалось, но это не то, что большинство людей хотят испытывать.
Снабберы
— это проблема, поэтому везде, где это возможно, используйте безнапорные триаки, которые (по определению) в них не нуждаются. Добавление демпфера означает, что используется больше места на печатной плате, и, хотя они не особенно дороги, каждая дополнительная деталь увеличивает размер и стоимость. В некоторых случаях (с TRIAC и SCR) может потребоваться включить небольшую индуктивность последовательно с нагрузкой. Это ограничивает ΔV / Δt, подаваемое на переключатель, и помогает уменьшить ΔI / Δt при его включении.
MOSFET SSR имеют свои ограничения, но при разумном выборе MOSFET проблем возникнуть не должно.Очень высокие скорости переключения не достигаются при использовании микросхемы драйвера, такой как Si8752, поэтому электромагнитные помехи возникают редко. По-прежнему важно выполнить надлежащее тестирование, чтобы гарантировать, что полевые МОП-транзисторы никогда не нагреваются больше, чем немного при нормальном использовании, и может потребоваться радиатор, если вам нужно проводить большой постоянный ток. Низкое R _DS-on минимизирует рассеяние, но всегда ненулевое значение, когда идет ток.
Безопасность сети Всегда важна.Любой SSR, используемый для переключения сетевого напряжения, должен быть защищен от случайного прикосновения. Все соединения должны быть надежными, чтобы ничто не могло отсоединиться, что может привести к короткому замыканию или другим опасностям. Никогда не подключайте электрические цепи с помощью Veroboard или подобного, потому что дорожки расположены слишком близко друг к другу и у них нет приемлемых расстояний утечки или зазоров. Для обеспечения электробезопасности необходимы полоски с бирками, пустой материал печатной платы с жесткой разводкой или правильно спроектированная печатная плата. Никогда не используйте слюдяные изоляторы и монтажные втулки для крепления TRIAC к радиатору, поскольку они не обеспечивают приемлемых расстояний утечки и зазоров.Помните, что для всех сетевых проводов должен использоваться сетевой кабель, а не соединительный провод общего назначения.
Выводы
Нет сомнений, что некоторые приложения требуют использования SSR. Например, отключить источник постоянного тока на 100 В при токе нагрузки 20 А практически невозможно с помощью чего-либо еще. Однако у них также есть недостатки, прежде всего в цене и тепловых ограничениях. Иногда стоит взглянуть на гибридную систему (информацию см. В разделе «Гибридные реле») или даже изучить активные методы подавления дуги (см. Подавление дуги и усиление).В конечном итоге то, что вы делаете, будет компромиссом, но если вы сможете собрать всю свою информацию воедино и выработать решение, вы сможете получить лучшую производительность при наименьших затратах. Вы заплатите за это сложностью, но если это единственный разумный способ заставить что-то работать надежно, то это цена, которую нужно заплатить.
Когда я публикую проекты, у меня есть привычка всегда проверять любую выдвигающуюся гипотезу. То же самое относится и к статьям, поскольку нет смысла распространять информацию, которая не является явно точной.Многие тесты проводятся с использованием симулятора, но все «интересное» также проходит стендовые испытания. К сожалению, Interweb дал право голоса всем, кто умеет печатать (особенно на страницах форума), и доступно огромное количество дезинформации. Новички обычно не знают ничего лучшего и часто принимают полностью ложную информацию как евангелие, где ее тут же публикуют повторно, пока она не станет настолько распространенной, что люди решат, что она должна быть правдой. Это не было изначально, и никакие повторные публикации лжи не сделают это реальным.
Если вы сделаете домашнее задание, изучите таблицы данных и проведете несколько тестов, вы найдете твердотельное или электромагнитное реле, которое сделает именно то, что вам нужно. В некоторых случаях вы обнаружите, что EMR по-прежнему является лучшим выбором, и это может применяться большую часть времени для «нормального» переключения. В некоторых таблицах данных и обсуждениях вы увидите, что многое связано с высокой чувствительностью SSR, снижающей потери мощности, но на самом деле переключающиеся полупроводники часто рассеивают гораздо больше энергии, чем даже самое нечувствительное электромеханическое реле с аналогичной номинальной нагрузкой.С любым SSR вы, , должны делать домашнее задание и знать о многих вещах, которые могут пойти не так. Также имейте в виду, что неисправность в SSR может вызвать повреждение другого оборудования, даже если оно не контролируется SSR, а просто находится на той же электросети.
Как и все в электронике, вам придется где-то идти на компромисс. В целом обычные реле обычно имеют меньше компромиссов, чем твердотельные версии, и предлагают гораздо более гибкое переключение. Имея потребляемую мощность всего полватта, вы можете легко контролировать 2 кВт или более, и вы можете рассчитывать, что он будет работать для сотен тысяч операций даже при полной нагрузке.Коммутационные потери минимальны, не требуются радиаторы, а надежность является выдающейся, если вы используете правильное реле для работы. Что важно для многих людей, электромеханические реле намного проще получить и, как правило, намного дешевле, чем твердотельные эквиваленты.
Есть также много приложений, в которых ничто не может сравниться с твердотельным реле. Полная свобода от искрения, что действительно важно для во взрывоопасных средах с легковоспламеняющимися материалами, такими как газ или мелкие взвешенные частицы (порошки, мука и т. Д.), быстрый (MOSFET), исключительно быстрый (типы SCR и TRIAC) и предсказуемое время отклика, а также отсутствие дребезга контактов могут иметь решающее значение в некоторых конструкциях. Процесс проектирования основан на знании доступных вариантов, поэтому вы можете выбрать тот, который лучше всего подойдет для вашего проекта. Не существует «лучшего» решения для всех приложений, и вы должны выбрать решение с наименьшим количеством записей в столбце «недостатки».
Список литературы
Википедия — не самое надежное справочное место, но описания этих устройств довольно хорошие.
Тиратрон — Википедия
Тиристор — Википедия
TRIAC — Википедия
История компании General Electric
Управление TRIAC с микроконтроллером, питающимся от плюса — ST Microelectronics
Управление TRIAC импульсным трансформатором — ST Microelectronics
Решения
для фотоэлектрических однокомпонентных / изолированных МОП-транзисторов — Vishay
TRIAC — Основные понятия — IDC Online
Статьи, упомянутые в начале, также очень полезны и, возможно, являются наиболее полными описаниями, которые вы найдете в любом месте.
Указатель статей
Основной индекс
Уведомление об авторских правах. Эта статья, включая, но не ограничиваясь, весь текст и диаграммы, является интеллектуальной собственностью Рода Эллиотта и защищена авторским правом © 2020. Воспроизведение или повторная публикация любыми способами, электронными, механическими или электромеханическими, строго запрещены. в соответствии с международными законами об авторском праве. Автор (Род Эллиотт) предоставляет читателю право использовать эту информацию только для личного использования, а также разрешает сделать одну (1) копию для справки при создании проекта.Коммерческое использование запрещено без письменного разрешения Рода Эллиотта.
Журнал изменений: страница создана, авторские права © Род Эллиотт, 28 сентября 2020 г./ Опубликовано в ноябре 2020 г.
Симистор
против реле
Симистор против реле Твитнуть
Симистор против реле
Когда выбирать симистор вместо реле?

Моника Мусиелак
Менеджер по продукту,
Global Control 5
Симисторы полупроводниковые устройства, предназначенные для управления уровнем распределения Переменный ток, потому что в твердотельном корпусе он работает бесшумно.В то время как реле являются электромеханическими устройствами и могут работать как с переменным, так и с постоянным током. текущие, но когда они работают, вы можете услышать щелчок. Из-за тех особенности, мы используем симисторы или реле для разных целей.
Реле работают просто — при подаче питания на катушку контакты входят в зацепление. Контакты размыкаются, когда вы обесточиваете катушку. Вам понадобится простой транзистор для управления им. Одна вещь, которая может произойти, — это индукция. отдача; если переключатель в цепи изначально замкнут, а затем сразу же открывается, произойдет мгновенное падение тока.К Чтобы предотвратить эту ситуацию, вам нужно будет добавить пренебрежение.
Другой дело в том, что контакты реле не непобедимы; если вы откроете контакт под нагрузкой его можно сломать, и он больше не откроется. На с другой стороны, если используется реле, рассчитанное на мощность, и вы пытаетесь переключить небольшие сигналы, контакты со временем могут испачкаться, и хорошее соединение контактов.
Один из самых больших особенностей симисторов молчание, благодаря их твердое состояние.Симисторы могут использоваться как ШИМ (широтно-импульсная модуляция) для приводы регулирующих клапанов в радиаторном отоплении. Потому что там нет индуктивной связи, симисторы могут использоваться в опасных средах, особенно во взрывоопасных средах, где искровое реле контакты абсолютно отсутствуют.
Симисторы Выходы имеют гораздо больший срок службы, чем реле. Потому что они построены полупроводников, они могут длиться миллионы циклов. Чтобы вставить это с точки зрения перспективы, давайте представим, что вам нужно управлять приводом PWM, чтобы контроль нагрева; он будет работать с частотой 1 Гц (один раз в второй).Реле обычно может длиться 100000 циклов, что дает около 1 дня и 4 часов работы и постоянный щелчок. Симистор может last / работают миллионы циклов, и это тихо.
Итак: когда вам нужен тихий и часто работающий вывод, вы должны выбрать симистор. Лучше всего использовать в гостиничных номерах или любом другом месте, где вам нужно бесшумно управлять светом или обогревом и т. д. В остальных случаях нужно рассчитайте, что лучше всего подходит для вашего приложения.
Global Control 5 предлагает два модуля ввода-вывода iSMA с симисторными выходами: iSMA-B-4TO-H и iSMA-B-4TO-H-IP.
Если вам нужна дополнительная информация о iSMA I / O модули обращайтесь: [email protected]
или посетите наш веб-сайт: https://gc5.pl/en/produkt/mini-4to-h/#product-header
О компании Автор:
Моника Мусиелак — менеджер по продукции, отвечающий за модули ввода / вывода iSMA и HMI. панели в Global Control 5. Она сделала свои первые шаги в электронике. world, работая менеджером по маркетингу продукции с дисплеями.Теперь она расширяет свои знания в мире BMS.

нижний колонтитул

[Щелкните баннер, чтобы узнать больше]
[Домашняя страница] [The Automator] [О нас] [Подписаться ] [Контакты Нас]
Твердотельные реле | Электромеханические реле
Ограничения электромеханических реле
Какими бы универсальными ни были электромеханические реле, они имеют множество ограничений.Они могут быть дорогими в изготовлении, иметь ограниченный срок службы контактов, занимать много места и медленно переключаться по сравнению с современными полупроводниковыми устройствами.
Эти ограничения особенно актуальны для контакторных реле большой мощности.
Твердотельные реле
Чтобы устранить эти ограничения, многие производители реле предлагают «твердотельные» реле, в которых для переключения регулируемой мощности вместо механических контактов используется SCR, TRIAC или транзисторный выход. Выходное устройство (SCR, TRIAC или транзистор) оптически связано со светодиодным источником света внутри реле.
Реле включается при включении этого светодиода, обычно с помощью низковольтного источника постоянного тока. Эта оптическая изоляция между входом и выходом не уступает лучшему, что могут предложить электромеханические реле.
Преимущества твердотельных устройств
Будучи твердотельными устройствами, в них нет движущихся частей, которые могут изнашиваться, и они могут включаться и выключаться намного быстрее, чем может двигаться любой механический релейный якорь. Между контактами нет искры и проблем с контактной коррозией.
Одним из значительных преимуществ твердотельного реле SCR или TRIAC перед электромеханическим устройством является его естественная тенденция к размыканию цепи переменного тока только в точке нулевого тока нагрузки. Поскольку тиристоры SCR и TRIAC представляют собой тиристоры , присущий им гистерезис поддерживает непрерывность цепи после обесточивания светодиода до тех пор, пока переменный ток не упадет ниже порогового значения (удерживающий ток ).
На практике это означает, что цепь никогда не будет прервана в середине пика синусоидальной волны.Такие несвоевременные прерывания в цепи, содержащей значительную индуктивность, обычно вызывают большие всплески напряжения из-за внезапного коллапса магнитного поля вокруг индуктивности.
Этого не произойдет в цепи, разорванной SCR или TRIAC. Эта функция называется переключением через нуль .
Недостатки твердотельных реле
Одним из недостатков твердотельных реле является их тенденция к отказу, «закорачивающему» на своих выходах, в то время как контакты электромеханического реле имеют тенденцию выходить из строя «размыкаться».
No related posts.

Электромагнитный	Твердотельный

Механические части, подверженные износу	Нет движущихся частей
Сравнительно медленно (10-20 мс)	Может быть почти мгновенно
Отскок контактов происходит при замыкании контактов	Отсутствие дребезга контактов (без контактов)
Невосприимчивость к кратковременным повреждениям / статическому разряду	Может быть повреждена переходными процессами
Очень низкая рассеиваемая мощность на контакте	Рассеиваемая мощность зависит от тока нагрузки
Немного или совсем не нагревается, радиатор не требуется	Может потребоваться радиатор, если рассеиваемая мощность превышает 1 Вт
Превосходная стойкость к переходной перегрузке	Может быть повреждена при переходной перегрузке
Катушка требует значительной мощности	Обычно очень низкие требования к приводу
Эрозия контактов из-за дуги	Дуга отсутствует, потому что нет физических контактов
Даже «маленькие» реле физически большие	Маленькие реле доступны в виде крошечных SMD IC
Не подходит для высокого напряжения / тока постоянного тока	Идеально подходит для постоянного тока при любом напряжении или токе
Очень широкий диапазон, охватывающий большинство приложений	Ограниченный диапазон, но улучшающийся
Практически нулевой электрический шум при включении и выключении	Может быть электрически зашумленным, в зависимости от используемой технологии
Слышимый шум при работе	Слышимый шум отсутствует
Низкая стоимость и легкодоступность	Обычно более дорогая / менее доступная
Может подходит для предохранительных выключателей (см. Техническое описание)	Как правило, не подходит для критических с точки зрения безопасности приложений
Фактически нулевой ток утечки в выключенном состоянии	Ток утечки всегда существует (обычно измеряется в мкА или мА)
Типы общего назначения могут использоваться (почти) где угодно	Требуется выбор по назначению (например,г. AC, DC, аудио)

Технология	Типовой номер	Номинальные характеристики	В, падение при 30 А	Стоимость (2020 г.)

MOSFET	R6030ENZ4C13	30A, 600V, 305W	3,45V (104W)	AU $ 7.80
IGBT	STGW30V60F	30A, 600V, 260W	1.85 В (56 Вт)	AU $ 6,19

Переключение	Используется для	Комментарии

SCR	½ Wave AC	Два обычно используются в обратной параллели для мощного двухполупериодного переменного тока
TRIAC	Full Wave AC	Обычно используется только для версий с низким энергопотреблением (например, 10 А или меньше)
MOSFET	AC или DC	AC и DC версии доступны, но обычно не взаимозаменяемы
IGBT	AC или DC	То же, что и выше, но не подходит для аудио.Подходит для высокого тока / напряжения

Инструкция по сборке твердотельного реле своими руками

Конструкция и принцип действия ТТР

Как работает твердотельное реле?

Разновидности твердотельных переключателей

Как сделать ТТР своими руками?

Электронные компоненты для сборки схемы

Проверка собранной схемы на работоспособность

Устройство монолитного корпуса

Приготовление компаунда и заливка корпуса

Выводы и полезное видео по теме

Простое твердотельное реле своими руками

ТВЕРДОТЕЛЬНОЕ РЕЛЕ

Преимущества твердотельных реле

виды и конструкция, рекомендации по изготовлению

Что такое твердотельные реле и их классификация

Преимущества ТТР

Самостоятельное изготовление

Электронные элементы

Конструкция корпуса (заливка компаундом)

Разновидности ТТР

рекомендации по сборке устройства своими руками и инструкция по подключению

Преимущества и недостатки

Виды устройств

Рекомендации по изготовлению

Электронные элементы и проверка работоспособности

Конструкция корпуса

Заливка компаундом

Твердотельное реле своими руками

Схема

Детали и корпус

Изготовление твердотельного реле

Смотрите видео

Схема твердотельного реле — РАДИОСХЕМЫ

Схема твердотельного реле

Твердотельные реле переменного тока с использованием симисторов

Оптоизоляторы с диафрагмами

Демпферы

Опто-симисторы и твердотельные реле

Опто-симисторы

Рис. 6.6.1 Opto Triac и Opto SCR

Рис. 6.6.2 Типичный SSR высокой мощности

Твердотельные реле

Рис. 6.6.3 Твердотельное реле MOSFET

Рис. 6.6.4 Использование микросхемы реле MOSFET для переключения

Фиг.6.6.5 Функции безопасности твердотельного реле

Функции безопасности SSR

Рис. 6.6.6 Подавление переходного напряжения

Рис. 6.6.7 RC демпферные цепи

Генераторы переменного тока

Рис. 6.6.8 SSR Zero Crossing Action

Сравнение твердотельного и механического переключения

Преимущества ТТР перед электромеханическими реле.

Недостатки ТТР перед электромеханическими реле.

Дополнительная информация

с использованием симистора

Твердотельное реле

Твердотельные реле

против реле

Твердотельные реле | Электромеханические реле

Ограничения электромеханических реле

Твердотельные реле

Преимущества твердотельных устройств

Недостатки твердотельных реле

Похожие записи

Угловой шкаф купе наполнение: Угловой шкаф-купе: наполнение, размещение, виды шкафов

Фартук скинали: Фартук для кухни из стекла

Детская игровая комната своими руками: Как обустроить детскую комнату — идеи и советы (32 реальных фото + видео)

Какую температуру выдерживает силиконовый герметик: высокотемпературная продукция, какую температуру эксплуатации выдерживает

Добавить комментарий Отменить ответ