Твердотельное реле — электронный компонент без механических частей.
Рассмотрим такую возможность подробнее.
Конструкция и принцип действия ТТР
Большинство подобной электроники традиционно содержит подвижные детали контактных групп, тогда как твердотельное реле таких деталей лишена совсем. Переключение цепи схемой устройства происходит по принципу электронного ключа. В роли электронных ключей обычно выступают полупроводники – силовые транзисторы, симисторы, тиристоры, встроенные в тело реле.
Перед изготовлением твердотельного реле рекомендуется изучить его строение и принципы работы.
При изучении устройства сразу видно главные достоинства ТТР.
- коммутация мощной нагрузки;
- высокая скорость переключения;
- идеальная гальваническая развязка;
- Способность выдерживать значительные ускорения в течение короткого времени.
Механические конструкции с такими же характеристиками найти проблематично. Твердотельные реле обладают значительными преимуществами по сравнению с механическими аналогами.
Условия эксплуатации ТТР практически не накладывают ограничений на их использование. Отсутствие движущихся частей положительно влияет на срок службы устройств. Поэтому есть все основания для самостоятельного изготовления устройства с использованием твердотельных реле.
Несмотря на положительные характеристики, у реле есть и недостатки. Например, для работы с мощными устройствами часто нужен дополнительный элемент системы, отвечающий за отвод тепла.
Радиаторы охлаждения для твердотельных реле значительно больше по размерам, чем сами ТТР, что усложняет установку и делает её менее эффективной.
В работе, при закрытом состоянии, устройства ТТР вырабатывают обратный ток утечки и демонстрируют нелинейную зависимость тока от напряжения. Не каждое твердотельное реле можно применять без ограничений к характеристикам коммутируемых напряжений.
Некоторые устройства функционируют только с постоянным током. Включение полупроводниковых реле в схему часто нуждается в дополнительных защитных элементах от несанкционированных включений.
Сотрудники фирмы часто встречают твердотельные реле. электрощитке квартиры.
Как работает твердотельное реле?
Сигнал управления (обычно напряжение низкого уровня от контроллера) поступает на светодиод оптоэлектронной пары схемы ТТР. Светодиод испускает свет, направленный на фотодиод, который размыкается и пропускает ток.
Ток, проходящий через фотодиод, подается на управляющий электрод ключа (транзистора или тиристора). Ключ срабатывает, замыкая цепь нагрузки.
Работа механизма переключения прибора осуществляется следующим образом. Все электронные компоненты размещены внутри единого корпуса. Отсюда и пошло название — твердотельное реле.
Информацию о подключении твердотельного реле можно найти в… этом материале.
Разновидности твердотельных переключателей
Ассортимент приборов можно классифицировать по группам с учётом категории подключаемой нагрузки, особенностей управления и коммутации напряжения.
В итоге получится три группы.
- Приборы для работы на прямых токах.
- Приборы для работы на переменном токе.
- Универсальные конструкции.
Первую группу составляют приборы с параметрами рабочих управляющих напряжений от 3 до 32 вольт. Это компактная электроника с светодиодным индикатором, работающая бесперебойно в диапазоне температур от -35 до +75 градусов Цельсия.
Вторая группа устройств предназначена для монтажа в сетях переменного напряжения. Здесь показаны конструкции ТТР для сетей переменного тока, работающие от напряжения 24 – 250 вольт. Среди них есть устройства, способные управлять мощными нагрузками.
Третья группа – устройства общего назначения. Схемы этих приборов допускают ручную регулировку для работы в разных ситуациях.
В зависимости от характера подключаемой нагрузки различают однофазные и трёхфазные твердотельные реле переменного тока. Оба вида предназначены для коммутации мощной нагрузки при токах 10 — 75 А, с пиковыми кратковременными значениями до 500 А.
В качестве нагрузки для коммутируемых твердотельными реле могут быть ёмкостные, резистивные и индукционные цепи. Благодаря конструкции переключателей возможно тихое и плавное управление, например, нагревательными элементами, лампами накаливания или электродвигателями.
Надежность работы достаточно высока, но стабильность и долговечность твердотельных реле во многом зависят от качества изготовления. Устройства, выпускаемые под торговой маркой «Impuls», порой имеют недолговечный срок службы.
Изделия фирмы «Schneider Electric» не подвергаются критике.
Как сделать ТТР своими руками?
Ввиду монолитной конструкции прибора сборка схемы выполняется методом навесного монтажа вместо традиционной текстолитовой платы.
В этой области существует много схемотехнических решений. Выбор конкретного варианта определяется необходимой коммутируемой мощностью и другими характеристиками.
Электронные компоненты для сборки схемы
Для самостоятельного изготовления твердотельного реле понадобится следующее оборудование:
- Оптопара типа МОС3083.
- Симистор типа ВТ139-800.
- Транзистор серии КТ209.
- Резисторы, стабилитрон, светодиод.
Все перечисленные электронные элементы устанавливаются при помощи пайки поверхностного монтажа по представленной схеме.
Применение оптопары МОС3083 в схеме генерации управляющего сигнала позволяет изменять напряжение на входе от 5 до 24 вольт.
С помощью последовательности стабилитрона и ограничивающего резистора ток, текущий через контрольный светодиод, уменьшается до минимума. Это продлевает срок службы контрольного светодиода.
Проверка собранной схемы на работоспособность
Схему необходимо проверить на работоспособность. Подключить напряжение нагрузки в цепь коммутации через симистор не обязательно. Можно подключить параллельно линиям коммутации симистора измерительный прибор — тестер.
Настрой режим измерения прибора на «мОм» и подайте напряжение питания (5-24 В) на схему генерации управляющего напряжения. При правильной работе прибор отобразит разницу сопротивлений от «мОм» до «кОм».
Устройство монолитного корпуса
Для основания корпуса твердотельного реле понадобится алюминиевая пластина толщиной 3-5 миллиметров. Размер пластины не имеет особого значения, но должен обеспечивать эффективное охлаждение симистора в процессе работы.
Поверхность алюминиевой пластины должна быть ровной. Обе ее стороны нужно обработать: зачистить мелкой шкуркой и отполировать.
На следующем этапе к подготовленной пластине приклеивают по периметру бордюр из плотного картона или пластика, формируя короб, который потом заливают эпоксидной смолой.
В изготовленный короб устанавливают собранную по типу навесного монтажа схему твердотельного реле. На алюминиевую пластину размещают лишь симистор.
Другие элементы схемы и провода не должны соприкасаться с алюминиевой основой. Симистор крепится к алюминию своей частью корпуса, предназначенной для крепления на радиатор.
Для наилучшей передачи тепла поверхность корпуса симистора должна быть обработана теплопроводящей пастой на площади соприкосновения с алюминиевой подложкой. Некоторые типы симисторов, имеющие неизолированный анод, требуют установки через слюдяную прокладку.
Симистор необходимо крепко прижать к основанию с помощью груза и облепить его эпоксидным клеем по периметру. Другой вариант — зафиксировать симистор таким образом, чтобы не повредить гладкость обратной стороны подложки (например, заклёпкой).
Приготовление компаунда и заливка корпуса
Для создания твердого корпуса электронного устройства понадобится приготовить композиционную смесь. Смесь составляется из двух компонентов.
- Эпоксидная смола без отвердителя.
- Порошок алебастра.
Добавление алебастра позволяет мастеру решить две задачи одновременно: получить достаточный объём заливочного состава при стандартном потреблении эпоксидной смолы и сформировать заливку с подходящей консистенцией.
Тщательно перемешайте смесь, затем добавьте отвердитель и снова тщательно перемешайте. Аккуратно залейте созданный компаундом «навесной» монтаж внутри картонного короба.
Заливка выполняется до верхней границы, оставляя на поверхности лишь часть головки контрольного светодиода. Поверхность компаунда сначала может казаться не совсем гладкой, однако со временем ситуация изменится. Нужно просто подождать полного затвердевания заливки.
Можно использовать любые подходящие растворы для литья. Главное – состав заливки не должен проводить электричество, и после застывания должна образовываться прочная отливка. Литой корпус твердотельного реле служит защитой электронной схемы от случайных механических повреждений.
Выводы и полезное видео по теме
Видео демонстрирует процесс создания электронного реле из твердотельных компонентов. Автор подробно описывает все этапы работы и личный опыт реализации электронного переключателя.
Видео демонстрирует проблему, которая может возникнуть после покупки китайского однофазного ТТР. В процессе показа устройство коммутации также рассматривается.
Изготовить твердотельные реле самостоятельно реально, но только для устройств с низковольтной нагрузкой и небольшим энергопотреблением.
Самостоятельно изготовить более мощные и высоковольтные устройства затруднительно.
Такая задача потребует затрат, сравнимых с стоимостью заводского аналога. При необходимости целесообразнее приобрести готовую промышленную модель.
Возникли вопросы о сборке твердотельного реле? Задайте их в блоке комментариев, и мы постараемся дать вам исчерпывающий ответ. В этом же разделе можно поделиться опытом самостоятельного изготовления реле или предоставить полезную информацию по теме статьи.