Κύκλωμα 220V Solid State Relay (SSR) χρησιμοποιώντας Triac και OptoCoupler

Ένα ρελέ στερεάς κατάστασης εναλλασσόμενου ρεύματος ή SSR είναι μια συσκευή που χρησιμοποιείται για την εναλλαγή βαρέων φορτίων εναλλασσόμενου ρεύματος σε επίπεδο δικτύου, μέσω απομονωμένων ελάχιστων ενεργοποιητών τάσης DC, χωρίς να ενσωματωθούν μηχανικές κινούμενες επαφές.

Σε αυτήν την ανάρτηση μαθαίνουμε πώς να κατασκευάσουμε ένα απλό ρελέ στερεάς κατάστασης ή ένα κύκλωμα SSR χρησιμοποιώντας ένα Triac, BJTs, έναν οπτικό ζεύκτη διέλευσης μηδέν.

Πλεονέκτημα SSR στερεάς κατάστασης έναντι μηχανικών ρελέ

Ο μηχανικός τύπος ρελέ μπορεί να είναι αρκετά αναποτελεσματικός σε εφαρμογές που απαιτούν πολύ ομαλή, πολύ γρήγορη και καθαρή εναλλαγή.

Το προτεινόμενο κύκλωμα ενός SSR μπορεί να κατασκευαστεί στο σπίτι και να χρησιμοποιηθεί σε χώρους που απαιτούν πραγματικά εξελιγμένο χειρισμό φορτίου.

Σε αυτό το άρθρο περιγράφεται ένα κύκλωμα ρελέ στερεάς κατάστασης με ενσωματωμένο ανιχνευτή διέλευσης μηδέν.

Το κύκλωμα είναι πολύ εύκολο να κατανοηθεί και να κατασκευαστεί, αλλά παρέχει χρήσιμα χαρακτηριστικά, όπως καθαρή εναλλαγή, χωρίς διαταραχές RF και ικανό να χειριστεί φορτία έως και 500 watt. Έχουμε μάθει πολλά για τα ρελέ και τον τρόπο λειτουργίας τους.

Γνωρίζουμε ότι αυτές οι συσκευές χρησιμοποιούνται για την εναλλαγή βαρέων ηλεκτρικών φορτίων μέσω εξωτερικού απομονωμένου ζεύγους επαφών, ως απόκριση σε έναν μικρό ηλεκτρικό παλμό που λαμβάνεται από μια έξοδο ηλεκτρονικού κυκλώματος.

Κανονικά, η είσοδος σκανδάλης βρίσκεται κοντά στην τάση πηνίου ρελέ, η οποία μπορεί να είναι 6, 12 ή 24 V DC, ενώ το φορτίο και το ρεύμα που αλλάζουν από τις επαφές ρελέ βρίσκονται κυρίως στα επίπεδα των δυνατοτήτων του δικτύου AC.

Βασικά τα ρελέ είναι χρήσιμα επειδή είναι σε θέση να εναλλάσσουν βαριά συνδεδεμένα στις επαφές τους χωρίς να φέρουν τα επικίνδυνα δυναμικά σε επαφή με το ευάλωτο ηλεκτρονικό κύκλωμα μέσω του οποίου αλλάζει.

Ωστόσο, τα πλεονεκτήματα συνοδεύονται από μερικά κρίσιμα μειονεκτήματα που δεν μπορούν να αγνοηθούν. Δεδομένου ότι οι επαφές περιλαμβάνουν μηχανικές λειτουργίες, μερικές φορές είναι αρκετά ανίκανοι με εξελιγμένα κυκλώματα που απαιτούν πολύ ακριβή, γρήγορη και αποτελεσματική εναλλαγή.

Τα μηχανικά ρελέ έχουν επίσης την κακή φήμη ότι δημιουργούν παρεμβολές RF και θόρυβο κατά τη διάρκεια της αλλαγής, γεγονός που έχει επίσης ως αποτέλεσμα την υποβάθμιση των επαφών του με το χρόνο.

Για SSR που βασίζεται σε MOSFET ανατρέξτε σε αυτήν την ανάρτηση

Χρήση του SCR ot Triac για κατασκευή SSR

Οι Triacs και SCRs θεωρούνται καλές αντικαταστάσεις σε μέρη όπου τα παραπάνω ρελέ αποδεικνύονται αναποτελεσματικά, ωστόσο αυτά μπορεί επίσης να περιλαμβάνουν προβλήματα δημιουργίας παρεμβολών RF κατά τη λειτουργία.

Επίσης, τα SCR και τα Triacs όταν ενσωματώνονται απευθείας σε ηλεκτρονικά κυκλώματα απαιτούν τη σύνδεση της γείωσης του κυκλώματος με την κάθοδο του, πράγμα που σημαίνει ότι το τμήμα κυκλώματος δεν είναι πλέον απομονωμένο από τις θανατηφόρες τάσεις AC από τη συσκευή - ένα σοβαρό μειονέκτημα όσον αφορά την ασφάλεια στο ενδιαφέρεται ο χρήστης.

Ωστόσο, ένα triac μπορεί να εφαρμοστεί πολύ αποτελεσματικά εάν ληφθούν πλήρως υπόψη τα παραπάνω μειονεκτήματα. Επομένως, τα δύο πράγματα που πρέπει να αφαιρεθούν με triacs, εάν επρόκειτο να αντικατασταθούν αποτελεσματικά για ρελέ είναι, η παρεμβολή RF κατά τη μετάβαση και η είσοδος του επικίνδυνου δικτύου στο κύκλωμα.

Τα ρελέ στερεάς κατάστασης έχουν σχεδιαστεί ακριβώς με τις παραπάνω προδιαγραφές, η οποία εξαλείφει την εξαγωγή RF και διατηρεί επίσης τα δύο στάδια εντελώς μακριά από τα άλλα.

Τα εμπορικά SSR μπορεί να είναι πολύ δαπανηρά και δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν εάν κάτι πάει στραβά. Ωστόσο, η δημιουργία ενός ρελέ στερεάς κατάστασης από εσάς και η χρήση του για την απαιτούμενη εφαρμογή μπορεί να είναι ακριβώς αυτό που είχε διατάξει ο «γιατρός». Δεδομένου ότι μπορεί να κατασκευαστεί χρησιμοποιώντας διακριτά ηλεκτρονικά εξαρτήματα καθίσταται πλήρως επισκευάσιμο, τροποποιήσιμο και επιπλέον σας παρέχει μια σαφή ιδέα σχετικά με τις εσωτερικές λειτουργίες του συστήματος.

Εδώ θα μελετήσουμε τη δημιουργία ενός απλού ρελέ στερεάς κατάστασης.

Πως δουλεύει

Όπως συζητήθηκε στην παραπάνω ενότητα, στον προτεινόμενο σχεδιασμό κυκλώματος ρελέ SSR ή στερεάς κατάστασης, η παρεμβολή RF ελέγχεται αναγκάζοντας το triac να αλλάξει μόνο γύρω από το μηδενικό σημάδι της φάσης ημιτονοειδούς AC και η χρήση ενός οπτικού ζεύκτη διασφαλίζει ότι η είσοδος είναι διατηρείται μακριά από τα δυναμικά εναλλασσόμενου ρεύματος που υπάρχουν στο κύκλωμα triac.

Ας προσπαθήσουμε να καταλάβουμε πώς λειτουργεί το κύκλωμα:

Όπως φαίνεται στο διάγραμμα, ο οπτικός ζεύκτης γίνεται η πύλη μεταξύ της σκανδάλης και του κυκλώματος μεταγωγής. Η σκανδάλη εισόδου εφαρμόζεται στο LED του οπτικού που φωτίζει και κάνει τη φωτο-τρανζίστορ συμπεριφορά.
Η τάση από το φωτο-τρανζίστορ περνάει από τον συλλέκτη στον πομπό και φτάνει τελικά στην πύλη του triac για να το λειτουργήσει.

Η παραπάνω λειτουργία είναι αρκετά συνηθισμένη και συνήθως σχετίζεται με τη σκανδάλη όλων των Triacs και SCR. Ωστόσο, αυτό μπορεί να μην είναι αρκετό για να εξαφανιστεί ο θόρυβος RF.

Το τμήμα που περιλαμβάνει τα τρία τρανζίστορ και ορισμένες αντιστάσεις εισάγονται ειδικά με σκοπό τον έλεγχο της παραγωγής RF, διασφαλίζοντας ότι η τριάδα διεξάγεται μόνο κοντά στα μηδενικά κατώφλια της ημιτονοειδούς κυματομορφής AC.

Όταν εφαρμόζεται κύκλωμα εναλλασσόμενου ρεύματος στο κύκλωμα, ένα διορθωμένο DC καθίσταται διαθέσιμο στον συλλέκτη του οπτο-τρανζίστορ και διεξάγεται όπως εξηγείται παραπάνω, ωστόσο η τάση στη διασταύρωση των αντιστάσεων που συνδέονται με τη βάση του Τ1 ρυθμίζεται έτσι ώστε να διεξάγεται αμέσως μετά την αύξηση της κυματομορφής AC πάνω από το σήμα 7 volt. Για τόσο μεγάλο χρονικό διάστημα η κυματομορφή παραμένει πάνω από αυτό το επίπεδο διατηρεί το T1 ενεργοποιημένο.

Αυτό υπολογίζει την τάση συλλέκτη του οπτο-τρανζίστορ, εμποδίζοντας τη διεξαγωγή του triac, αλλά τη στιγμή που η τάση φτάσει στα 7 βολτ και πλησιάζει το μηδέν, τα τρανζίστορ σταματούν να επιτρέπουν την ενεργοποίηση του triac.

Η διαδικασία επαναλαμβάνεται κατά τη διάρκεια του αρνητικού μισού κύκλου όταν τα Τ2, Τ3 διεξάγονται σε απόκριση τάσεων πάνω από μείον 7 βολτ κάνοντας αθόρυβο ότι η τριάδα ενεργοποιείται μόνο όταν το δυναμικό φάσης πλησιάζει το μηδέν, εξαλείφοντας αποτελεσματικά την επαγωγή μηδενικών παρεμβολών RF.

Διάγραμμα κυκλώματος κυκλώματος SSR στερεάς κατάστασης

Λίστα ανταλλακτικών για το προτεινόμενο κύκλωμα ρελέ στερεάς κατάστασης

• R1 = 120 Κ,
• R2 = 680K,
• R3 = 1 Κ,
• R4 = 330 Κ,
• R5 = 1 Μ,
• R6 = 100 Ohms 1 W,
• C1 = 220 uF / 25 V,
• C2 = 474/400 V Μεταλλοποιημένος πολυεστέρας
• C3 = 0,22uF / 400V PPC
• Z1 = 30 βολτ, 1 W,
• T1, T2 = BC547B,
• T3 = BC557B,
• TR1 = BT 36,
• OP1 = MCT2E ή παρόμοιο.

Διάταξη PCB

Χρήση SCR Opto-Coupler 4N40

Σήμερα με την έλευση των σύγχρονων οπτικών ζεύξεων, η κατασκευή ενός ρελέ στερεάς κατάστασης υψηλής ποιότητας (SSR) έχει γίνει πραγματικά εύκολη. Το 4N40 είναι μία από αυτές τις συσκευές που χρησιμοποιεί μια φωτογραφία SCR για την απαιτούμενη απομονωμένη ενεργοποίηση ενός φορτίου AC.

Αυτός ο οπτοζεύκτης μπορεί απλά να διαμορφωθεί για τη δημιουργία ενός εξαιρετικά αξιόπιστου και αποτελεσματικού κυκλώματος SSR. Αυτό το κύκλωμα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ενεργοποίηση ενός φορτίου 220V μέσω ενός πλήρως απομονωμένου λογικού ελέγχου 5V, όπως φαίνεται παρακάτω:

Η εικόνα προσφέρθηκε: Φάρελ