Электронное реле своими руками: Твердотельное реле своими руками

Твердотельное реле своими руками

Для многих схем силовой электроники твердотельное реле стало не просто желательно но и необходимо. Их преимущество – в  количестве срабатываний несоизмеримо больших, по сравнению с  электромеханическими,  на порядок (а на практике и того больше).

До изготовления твердотельного реле я обычно изготавливал  цепочки из симистора и схемы управления с гальванической развязкой типа симистороной  оптопары MOC30***. Для примера  будем использовать следующие (базовые) компоненты:

  1. Симисторная оптопара MOC3083 (VD1)
  2. Симистор с изолированным анодом марки BT139-800 16A (V1 от Philips)
  3. Сопротивление для ограничения тока через светодиод MOC3083 (R1 750Ом 0,5Вт)
  4. Светодиод индикации АЛ307А (LD1)
  5. Резистор на управляющий электрод симистора 160 Ом (R2 , 0.125Вт)


Рис 1

Твердотельное реле – эта как бы инкапсуляция такой цепочки. Для изготовления твердотельного реле воспользуемся рекомендациями предложенными в сборнике [1 ] .

В ней автор рекомендует для повышения надежности электронных устройств (и самодельных в том числе) заключать их в эпоксидный брикет, приводя подробное описание данной технологии. Посмотрим, что нам понадобиться для изготовления твердотельного реле по этой методике. (см. фото 1). Отметим попутно, что во время написания статьи [ 1 ] клеевые пистолеты ещё не были столь распространены как сейчас.

Итак, выбираем подложку из металла, который быстро проводит тепло, например алюминий. Размер и толщина подложки выбираются исходя из количества тепла, которое потребуется отвести от симистора с учетом того , что сама подложка для этой цели, может быть установлена на металлической поверхности.  Далее выбираем опалубку для заливки, с таким расчетом, чтобы внутри нее разместить все элементы  указанной цепочки. В качестве опалубки используем любые удобные элементы из пластика напр. цилиндр от пластиковой трубы, часть пластикового короба от кабельного лотка, в моем случае опалубка изготовлена из части пенала для принтерных  расходников.

Далее приклеиваем  пистолетом опалубку к подложке, и заклеиваем отверстия и щели, если они есть. Помещаем схему, спаенную и проверенную. Здесь необходимо отметить, что выводы у симистора определяются не всегда однозначно. Чтобы проверить открывается ли симистор от протекания тока через светодиод оптопары MOC3083, в большинстве случаев,  можно узнать (без подключения напряжения 220В),  подцепившись тестером на мегаомах к выходным концам симистора схемы. При открывании симистора сопротивление будет падать от десятком мегаом  до единиц килом (по тестеру).

Для симистора, в обязательном порядке,  делаем промежуточный слой между спинкой корпуса и подложкой из теплопроводной пасты марки КПТ-8. Если у симистора анод не является изолированным,  необходима также изоляционная прокладка, например из  пластинки слюды, вырезанной по размеру корпуса и обработанной пастой КПТ с обеих сторон (все элементы схемы не должны иметь электрического контакта с подложкой!). Далее, прижав корпус симистора,  фиксируем  его на подложке с помощью клеевого пистолета (рис 2).

Укладываем остальные части схемы, обращая внимание, чтобы они не касались металлической подложки, а находились  как бы «на весу».  Готовим компаунд для заливки формы в отдельной емкости. Для этого основной компонент эпоксидки смешиваем с порошком алебастра, не добавляя пока отвердитель. Следует отметить, что алебастр добавляем не только для увеличения объема компаунда, но и для снижения текучести эпоксидки. В противном случае раствор ЭДП будет вытекать через мельчайшие отверстия в форме.  Добавляем отвердитель к полученной массе компаунда и вновь перемешиваем. Масса должна сохранять текучесть.  Заполнив форму не следует беспокоиться об образовавшихся неровностях на поверхности брикета.  (рис 3).

Если расположить его на горизонтальной поверхности, то силы гравитации сделают поверхность достаточно гладкой в течении получаса  (рис 4) и имеющую цвет светлого кофе.  Автор далек от мысли, чтобы настаивать на указанных материалах и технологии, как единственно возможной. Наверняка, например, подойдет использование клея типа «жидкие гвозди» или полиуретановая пена в качестве компаунда, лишь бы материал обладал низкой электропроводностью и достаточной электрической прочностью.

Теперь внимательно посмотрим на исходную схему. Если подключать новоиспеченное реле к Arduino и т.п. устройствам на микроконтроллерах с питанием не более 5В, этой схемы будет достаточно. Что же делать , если необходимо расширить диапазон управляющих напряжений, скажем, от 5 до 24 В? Схемотехника  MOC30** позволяет нам это сделать без дополнительных ухищрений, поскольку диапазон тока через светодиод  оптопары простирается там до 50 мА. Сложнее обстоит дело с индикаторным светодиодом, таким, например, как  АЛ307А . Согласно рекомендациям производителей:  не следует устанавливать постоянный прямой ток /

ПР через светодиод, близкий к максимальному пределу, указанному в даташите. Обычно это 20 мА. Длительная работа с таким током снижает долговременную надёжность. Для получения приемлемой яркости свечения достаточно задать ток 4…10 мА. Т.Е. нужно каким-то образом организовать схему так, чтобы ток, протекающий по цепи АЛ307 – 1,2 MOC3083 мало зависел бы от прилагаемого напряжения. Кажется , что наиболее просто этого добиться подключив стабилитрон D  после балластного сопротивления R1, учитывая тот факт, что напряжение на светодиоде, как правило линейно зависит от протекаемого тока, начиная от некоторого уровня (напр. 1,6 В) . В этом случае стабилитрон с  опорным напряжением 3,3В откроется при достижения опорного,  и будет «стравливать»  избыточный ток через себя.

Но более эффективны в этом случае схемы с питанием данной цепи источником тока [ 2, 3 ].

Следуя рекомендациям указанных источников,  построим схему с питанием стабильным током в диапазоне 7—14 мА и в диапазоне питающих напряжений 4—24В.


Рис 2

Освоив данную технологию и «набив руку», без  сомнения, можно изготавливать твердотельные реле в больших количествах  словно «горячие пирожки».  

Литература:

  1. Бирюков С. А.Устройства на микросхемах: цифровые измерительные устройства, источники питания, любительские конструкции, Москва «Солон-Р», 2000, стр. 188
  2. П. Хоровиц, У Хилл  Искусство  схемотехники, Москва, «Мир» ред. М.В. Гальперина 1986 Том 1. Стр.103
  3. Горошков Б.И. Радиоэлектронные устройства (Справочник) М. «Радио и связь» 1984г
Список радиоэлементов
Обозначение Тип Номинал Количество ПримечаниеМагазинМой блокнот
Рисунок 1.
V1 Симистор

BT139-800

1 Поиск в магазине ОтронВ блокнот
VD1 Оптопара

MOC3083M

1 Поиск в магазине ОтронВ блокнот
D Стабилитрон3. 3 В1
Поиск в магазине Отрон
В блокнот
LD1 Светодиод

АЛ307А

1 Поиск в магазине ОтронВ блокнот
R1 Резистор

750 Ом

1 0.5 ВтПоиск в магазине ОтронВ блокнот
R2 Резистор

160 Ом

1 Поиск в магазине ОтронВ блокнот
Рисунок 2.
Биполярный транзистор

КТ209К

1 Поиск в магазине ОтронВ блокнот
V1 Симистор

BT139-800

1
Поиск в магазине Отрон
В блокнот
VD1 Оптопара

MOC3083M

1 Поиск в магазине ОтронВ блокнот
D Стабилитрон3. 3 В1 Поиск в магазине ОтронВ блокнот
LD1 Светодиод

АЛ307А

1 Поиск в магазине ОтронВ блокнот
R1 Резистор

240 Ом

1 Поиск в магазине ОтронВ блокнот
R2 Резистор

4.7 кОм

1 Поиск в магазине ОтронВ блокнот
R2 Резистор

160 Ом

1 Поиск в магазине ОтронВ блокнот
Добавить все

Скачать список элементов (PDF)

Теги:
  • Твердотельное реле

виды и конструкция, рекомендации по изготовлению

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.

Содержание

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

Что такое твердотельные реле и их классификация

Самодельное твердотельное реле

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

Переключение твердотельных реле основано на принципе срабатывания электронного ключа.

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

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

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

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

Преимущества ТТР

К преимуществам реле относят:

  • возможность коммутации сравнительно мощных нагрузок;
  • высокое быстродействие;
  • работа в условиях гальванической развязки;
  • способность выдерживать кратковременные перегрузки.

Ни один образец механических или электромеханических изделий не в состоянии конкурировать с электронными коммутаторами. Поэтому новые структуры на основе полупроводников полностью вытеснили старые механические образцы.

Уникальные эксплуатационные характеристики ТТР позволяют применять их без каких-либо ограничений с одновременным увеличением ресурса срабатываний. Все перечисленные достоинства этих приборов являются прекрасным поводом для того, чтобы попытаться собрать твердотельное реле своими руками. К минусам этих изделий следует отнести необходимость дополнительного питания, а также потребность в отводе излишков тепла, образующегося при работе с мощными нагрузками.

Самостоятельное изготовление

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

Электронные элементы

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

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

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

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

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

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

Конструкция корпуса (заливка компаундом)

Заливка платы компаундом

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

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

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

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

Разновидности ТТР

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

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

Как собрать твердотельное реле своими руками с помощью TRIAC

Вы можете купить как механические, так и твердотельные релейные модули. Однако твердотельные реле новее и стоят немного дороже, чем традиционные модули релейных переключателей, которые вы, возможно, уже используете в своих интеллектуальных переключателях DIY или проектах домашней автоматизации.

В этом руководстве мы создадим твердотельное реле всего из нескольких доступных компонентов. Вы можете использовать эти самодельные твердотельные реле в производственной среде, а также в проектах домашней автоматизации или интеллектуальных переключателей.

В отличие от переключателей механических реле твердотельные реле не имеют движущихся частей. Это похоже на сравнение механического жесткого диска и твердотельного накопителя, который намного быстрее и энергоэффективнее.

Точно так же твердотельное реле (ТТР) работает быстрее и не потребляет энергии, когда оно не используется или выключено. Он работает или включается, когда триггерное напряжение обеспечивается подключенным MCU. Самое главное, твердотельное реле занимает меньшую площадь и не издает щелчков при срабатывании.

Твердотельное реле также можно использовать для индуктивного переключения нагрузки. Тем не менее, вы должны добавить снабберную цепь к твердотельному реле, чтобы предотвратить повреждение симистора (триода для переменного тока). Это может не требоваться в некоторых TRIACS, таких как BTA16.

Кроме того, изготовление твердотельного реле дешевле, чем его покупка или изготовление модуля механического реле. Мы создали несколько и использовали их в производственной среде в течение последних нескольких месяцев. На сегодняшний день они работают более плавно и без проблем.

Вы можете выбрать одноканальное, двухканальное или многоканальное твердотельное реле в зависимости от ваших требований. Для сборки одноканального твердотельного реле потребуются следующие компоненты:

  • Резистор 220 Ом ¼ Вт
  • Резистор 1K ¼ Вт
  • BT136 или аналогичный TRIAC
  • Оптопара MOC3021
  • Винтовые клеммы
  • Два- штыревой разъем berg strip
  • Универсальная печатная плата
  • 6-контактная база ИС (дополнительно)
  • Радиатор (дополнительно, но рекомендуется для управления более тяжелыми нагрузками)
  • Светодиод (дополнительно)
  • Паяльник и припой

Вам также потребуется научиться паять, если вы никогда этого раньше не делали, для сборки этого Модуль твердотельного реле своими руками.

Шаг 1: Припаяйте компоненты к печатной плате

Возьмите печатную плату общего назначения и соедините все компоненты, как показано на следующей схеме.

Вот так должно выглядеть после сборки и пайки необходимых компонентов на плате.

Для проверки самодельного твердотельного реле вам понадобится несколько проводов и блок питания на 3,3 В или 5 В. Вы можете использовать любую батарею на 3,3 В или микроконтроллер, например NodeMCU, D1 Mini, Arduino Uno и т. д., для подачи триггерного напряжения, необходимого для тестирования переключателя твердотельного реле.

Проверка твердотельного реле и его установка предполагают работу с источником питания переменного тока 110–240 В. Пожалуйста, продолжайте, только если вы знаете, что делаете. Это может быть смертельным, если не сделать это осторожно.

  1. Получите плату расширения и убедитесь, что она не подключена к розетке переменного тока.
  2. Приобретите устройство переменного тока, например вентилятор или лампочку.
  3. Возьмите два провода и подключите их к нагрузке переменного тока, например. вентилятор или лампочка.
  4. Подсоедините один из проводов, подключенных к нагрузке переменного тока, к винтовой клемме твердотельного реле (T1).
  5. Возьмите еще один провод и подключите один конец к винтовой клемме твердотельного реле (T2), а другой — к разъему платы расширения. Это должно выглядеть так, как показано на следующей диаграмме. Убедитесь, что соединения надежны, чтобы избежать короткого замыкания.
  6. Теперь подключите две клеммы батареи 3,3 В или клеммы 3,3 В MCU и GND к входным контактам твердотельного реле, как показано на схеме. Если вы используете MCU, используйте провода DuPont. Также убедитесь, что полярность правильная, как показано на схеме.
  7. Подключите плату расширения к выключателю переменного тока и включите его.
  8. Нагрузка должна включиться. Если отключить питание 3,3 В от входных клемм твердотельного реле, нагрузка должна отключиться.

Работа твердотельного реле

Когда на твердотельное реле подается 3,3 В или триггерное напряжение, внутренний светодиод или ИК-светодиод в оптопаре включается и начинает излучать свет на подключенный оптический датчик к контактам 4 и 6.

В результате сопротивление между контактами 4 и 6 становится низким, что приводит к срабатыванию симистора и включению подключенной нагрузки переменного тока. Оптопара помогает разделить высоковольтные и низковольтные цепи, защищая Arduino или микроконтроллер от любых помех или повреждений.

Теперь вы можете подключить твердотельное реле к Arduino или другому микроконтроллеру. Вместо трех перемычек для механического реле вам нужны только две для твердотельного реле: одна для входного сигнала (3,3 В) и другая для земли (GND).

В зависимости от нагрузки вы можете выбрать симисторы с более высокой нагрузкой, такие как BTA16, с радиатором для создания твердотельных реле для больших нагрузок (2000 Вт и более). Не забудьте использовать снабберную схему, если вы собираетесь использовать твердотельное реле для индуктивного переключения нагрузки, например, для двигателя или насоса.

Вы можете использовать эти твердотельные релейные модули в своих проектах умного дома. Вы можете спроектировать модули интеллектуальных переключателей на базе ESP12 со встроенным твердотельным реле, используя инструмент для создания эскизов электроники Fritzing. После разработки вы можете заказать печать печатной платы у поставщика услуг по прототипированию/производству печатных плат или просто продолжать использовать печатные платы общего назначения.

Вы можете использовать это реле для создания интеллектуального выключателя освещения с датчиком движения или выключателя Wi-Fi и установить их дома или в офисе. Интеллектуальные устройства могут помочь вам в значительной степени сократить потери энергии, помимо того, что они удобны в использовании. Кроме того, вы также можете настроить сервер Home Assistant на Raspberry Pi, чтобы добавить автоматизацию.

Теперь, когда вы научились создавать твердотельные реле, вы можете заменить механические реле твердотельным реле, чтобы обеспечить эффективное переключение и избежать щелчков. Имея меньшую площадь по сравнению с механическими реле, вы можете проектировать и создавать прототипы или интеллектуальные переключатели в гораздо меньших 3D-печатных корпусах для вашего проекта умного дома.

Самостоятельное изготовление реле в домашних условиях

 

Реле  – это электрический переключатель. Многие реле используют электромагнит для механического управления механизмом переключения, но также используются и другие принципы работы. Реле применяют там, где необходимо управлять цепью маломощным сигналом (при полной гальванической развязке между управляющей и управляемой цепями), или там, где одним сигналом необходимо управлять несколькими цепями. Первые реле использовались в телеграфных цепях дальней связи, повторяя сигнал, поступающий из одной цепи, и ретранслируя его в другую.

Реле широко использовались в телефонных станциях и первых компьютерах для выполнения логических операций.

Реле используются для:

  1) Усиление цифрового сигнала, коммутация большой мощности при малой рабочей мощности. Некоторые особые случаи:

  2) Телеграфное реле, повторяющее слабый сигнал, полученный на конце длинного провода.

  3) Управление цепью высокого напряжения с помощью сигнала низкого напряжения, как в некоторых типах модемов или аудиоусилителей.

  4) Управление сильноточной цепью с помощью слаботочного сигнала, как в соленоиде стартера автомобиля.

  5) Обнаружение и изоляция неисправностей на линиях передачи и распределения путем размыкания и замыкания автоматических выключателей (реле защиты),     

  6) Изолирование цепи управления от контролируемой цепи, когда они имеют разные потенциалы, например, при управлении сетью питание устройства от низковольтного выключателя. Последний часто применяется для управления офисным освещением, так как низковольтные провода легко прокладываются в перегородках, которые можно часто перемещать по мере необходимости. Они также могут контролироваться датчиками присутствия в помещении для экономии энергии.

        A)  Теперь вам нужно всего лишь сделать 2 контура.

        B)  Первая схема очень проста, как вы можете видеть на картинках. Эту схему делают дети в школах. Надеюсь, вам не составит труда это сделать.

 

       C)  Теперь все готово к созданию 2-й -й цепи. Это самая простая схема в мире, поскольку она не требует ничего, кроме LDR. Мы не можем сказать, что это схема, поскольку она ничего не требует.

        D)  Теперь соедините две цепи, которые вы сделали.

        E)  Закрепите светодиод и LDR параллельно. Но напротив друг друга.

       F) На этом видно, что мы сделали реле, в котором проходит только один ток, что означает, что оно однонаправленное.

       G) Эта схема основана только на текущей пропускной способности LDR.

Здесь мы видим, что это цепь, которая потребляет очень мало энергии и выдает ток только в одном направлении. Но нам нужно реле, которое нужно подключать не другим концом, если сигнал не приходит. Для этого нам понадобится помощь магнитного поля.

         1. Убедитесь, что светодиод и LDR находятся на одной линии.

         2. Аккумулятор должен быть хорошо подключен.

         3. Соединительный провод должен быть туго намотан.

Нам нужно что-то, что может заставить реле включать другую цепь, когда сигнал не поступает.

        1. Возьмите весь материал перед собой и приступайте к работе.

         2. Сначала возьмите двигатель, а затем прикрепите к нему крыло из алюминия, если оно не из алюминия, то накройте его алюминиевой фольгой.

         3. Присоедините пружину очень малой мощности, чтобы получить восстанавливающий крутящий момент или усилие.

         4. Подсоедините провод двигателя к сигнальному проводу.

      5. Присоедините провод к корпусу ( примечание: провод, который вы собираетесь прикрепить, будет проводом, к которому вы собираетесь прикрепить что-либо.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *