Solid state-relä gör det själv: monteringsinstruktion och anslutningstips

Ett solid state-relä (SSR) är en enhet från serien av elektroniska komponenter utan mekanisk verkan. Frånvaron av mekanik öppnar fler möjligheter för elektronikentusiaster att bygga ett solid state-relä själv för personligt bruk.

Låt oss titta närmare på denna möjlighet.

Konstruktion och funktionsprincip för SSR

Medan större delen av liknande elektronik traditionellt innehåller rörliga delar i kontaktgrupper, har ett solid state-relä inga sådana delar alls. Kretsomkoppling utförs av enhetens krets enligt principen för en elektronisk switch. Och rollen som elektroniska switchar spelas vanligtvis av halvledare som är inbyggda i reläkroppen – effekttransistorer, triacer, tyristorer.

Innan man försöker tillverka ett solid state-relä själv är det logiskt att bekanta sig med den grundläggande konstruktionen av sådana enheter och förstå deras funktionsprincip.

Industriell tillverkning producerar solid state-reläer av olika konfigurationer, avsedda för en mängd olika praktiska användningsförhållanden. Urvalet av varianter är omfattande.

Vid en noggrann studie av enheten bör man omedelbart lyfta fram fördelarna med SSR:

• omkoppling av kraftiga laster;
• hög omkopplingshastighet;
• perfekt galvanisk isolering;
• förmåga att kortvarigt tåla höga överbelastningar.

Bland mekaniska konstruktioner är det i praktiken inte möjligt att hitta reläer med sådana parametrar. Generellt sett har solid state-reläerna en imponerande lista över fördelar jämfört med sina mekaniska motsvarigheter.

Två elektroniska enheter som funktionellt säkerställer kretsomkoppling: till vänster en baserad på solid state-konstruktion, till höger – ett traditionellt mekaniskt omkopplingssystem

Driftsförhållandena för SSR begränsar praktiskt taget inte användningen av dessa enheter. Dessutom har avsaknaden av rörliga mekaniska delar en positiv effekt på enheternas livslängd. Så det finns all anledning att ägna sig åt solid state-reläer – att bygga enheten själv.

Men för att vara rättvis, tillsammans med de positiva aspekterna bör man notera relayets egenskaper som kännetecknas som nackdelar. För drift av kraftfulla apparater krävs i allmänhet en extra konstruktionskomponent som är avsedd att leda bort värme.

Vid koppling av kraftfull last kompletteras solid state-reläer nästan alltid med kraftiga kylflänsar. Detta komplicerar användningen av SSR något.

Kylflänsarna för solid state-reläer är flera gånger större än SSR:s mått, vilket minskar monteringsbekvämlighet och rationalitet.

SSR-apparater ger under drift (i stängt tillstånd) en backläckström och uppvisar en olinjär ström-spänningskarakteristik. Alla solid state-reläer får inte användas utan begränsningar i de kommuterade spänningarnas egenskaper.

Konstruktion endast för användning i kretsar där strömförsörjningen sker med likström. Vanligtvis kännetecknas dessa enheter av små dimensioner och låg kopplingseffekt.

Vissa typer av enheter är avsedda att endast koppla likström. Införande av solid state-reläer i kretsen kräver vanligtvis ytterligare åtgärder för att blockera falska utlösningar.

Solid state-reläer finns ofta i den gemensamma lägenhetens elcentral.

Hur fungerar ett solid state-relä?

Styrsignalen (vanligtvis en lågspänning, till exempel från en styrenhet) matas till lysdioden i det optoelektroniska paret som finns i SSR-kretsen. Lysdioden börjar stråla ljus mot fotodioden, som i sin tur öppnas och börjar leda ström.

Generellt schema för SSR, som tydligt visar hur den elektroniska enheten fungerar: 1 – spänningskälla för styrning; 2 – optokopplare inuti reläets hölje; 3 – strömkälla för last; 4 – last

Strömmen som går genom fotodioden når styrelektroden på nyckeltransistorn eller tyristorn. Nyckeln öppnas och sluter lastkretsen.

Så här fungerar enhetens kopplingsfunktion. All elektronik är traditionellt innesluten i ett monolitiskt hölje. Det är därför enheten fick namnet solid state-relä.

Och om hur man ansluter ett solid state-relä kan du läsa i detta material.

Varianter av solid state-omkopplare

Hela det befintliga sortimentet av enheter kan grovt delas in i grupper baserat på kategorin av ansluten last, egenskaper för kontroll och spänningskoppling.

Således finns det totalt tre grupper:

1. Enheter som verkar i likströmskretsar.
2. Enheter som verkar i växelströmskretsar.
3. Universella konstruktioner.

Den första gruppen består av enheter med parametrar för arbetsstypspänningar 3 – 32 volt. Det är relativt kompakt elektronik, utrustad med LED-indikering, som kan fungera utan avbrott vid temperaturer -35 / +75 °C.

En mycket vanlig utförande av en elektronisk enhet för användning i enfas elnät. Det finns även andra konstruktionsvarianter, men betydligt mer sällan.

Den andra gruppen – enheter avsedda för installation i växelspänningsnät. Här presenteras konstruktioner av SSR för installation i växelströmsnät, styrda med spänning 24 – 250 volt. Det finns enheter som kan koppla högeffektbelastning.

Den tredje gruppen – apparater för allmänt bruk. Kretsdesignen för denna typ av enheter stödjer manuell inställning för användning under olika förhållanden.

Om man utgår från den anslutna lastens karaktär, bör man urskilja två typer av SSR för växelström: enfas och trefas. Båda typerna är avsedda för att koppla ganska kraftfull last vid strömmar 10 – 75 A. Samtidigt kan de korta toppströmmarna nå upp till 500 A.

En mycket vanlig utförande för användning i trefas elnät. Används ofta som linjärregulator för kraftiga elektriska värmare (värmeelement).

Som last som kopplas av SSR kan kapacitiva, resistiva och induktiva kretsar användas. Strömställarnas konstruktioner tillåter tyst och jämn styrning av till exempel värmeelement, glödlampor, elmotorer.

Driftsäkerheten är tillräckligt hög. Men stabiliteten och livslängden hos SSR beror i hög grad på produktionskvaliteten. Till exempel enheter tillverkade under varumärket 'Impuls' har ofta en kort livslängd.

Å andra sidan ger produkter från företaget 'Schneider Electric' ingen anledning till kritik.

Hur gör man ett SSR själv?

Med tanke på enhetens konstruktionsegenskap (monolit) monteras kretsen inte på ett kretskort som vanligt, utan med lödning av lösa komponenter (flygande montering).

Så här ser en hemmabyggd SSR-konstruktion ut. Det är inte svårt att göra något liknande. Du behöver bara grundläggande kunskaper inom elektronik och el. Materialkostnaderna är låga.

Det finns många kretsdesignlösningar inom detta område. Det specifika alternativet beror på den erforderliga kopplingseffekten och andra parametrar.

Elektroniska komponenter för kretsmontering

Lista över komponenter i en enkel krets för praktisk inlärning och byggande av ett SSR själv är följande:

1. Optokopplare av typ MOC3083.
2. TRIAC av typ VT139-800.
3. Transistor av serie KT209.
4. Motstånd, zenerdiod, LED.

Alla angivna elektroniska komponenter löds med ytmontering enligt följande schema:

Kretsschema för ett DIY-lågeffekts SSR. Få komponenter och enkel ytmontering gör att kretsen kan lödas utan problem.

Tack vare användningen av optokopplaren MOC3083 i styr-signalkretsen kan inspänningen varieras från 5 till 24 volt.

Och tack vare en kedja bestående av en zenerdiod och ett begränsningsmotstånd, har strömmen genom kontroll-LED minskats till ett minimum. Denna lösning garanterar lång livslängd för kontroll-LED.

Kontroll av den monterade kretsens funktion

Den monterade kretsen måste testas för funktion. Det är inte nödvändigt att ansluta 220 volts belastningsspänning till triacens kopplingskrets. Det räcker att parallellt med triacens kopplingsledning ansluta ett mätinstrument – en multimeter.

Funktionstest av SSR med hjälp av mätinstrument. Om en styrspänning läggs på enheten, ska triacens övergång vara öppen.

Mätinstrumentet ska ställas in på 'MΩ' och ström (5-24V) ska tillföras styrspänningsgenereringskretsen. Om allt fungerar korrekt, ska mätinstrumentet visa en skillnad i motstånd från 'MΩ' till 'kΩ'.

Konstruktion av monolitiskt hölje

För basen av det framtida SSR-höljet behövs en aluminiumplatta 3-5 mm tjock. Plattans dimensioner är inte kritiska, men måste möjliggöra effektiv värmeavledning från triacen när denna elektroniska komponent värms upp.

Ram för gjutning av det framtida apparatens hölje. Görs av kartongremsa eller andra lämpliga material. Fästs på aluminiumunderlag med universallim.

Aluminiumplattans yta måste vara jämn. Dessutom måste båda sidor bearbetas – rengöras med fint sandpapper och poleras.

I nästa steg förses den förberedda plattan med en 'form' – en kant av tjock kartong eller plast limmas längs omkretsen. Resultatet ska bli en låda som senare fylls med epoxiharts.

Inuti den skapade lådan placeras den monterade SSR-kretsen (med ytmontering). Endast triacen placeras på aluminiumplattans yta.

Fastsättning av triac på aluminiumunderlag. Huvudvillkoret är att denna elektroniska komponent måste tryckas hårt mot metallbasen. Endast så garanteras effektiv värmeavledning och driftsäkerhet.

Inga andra komponenter eller kretsledare får vidröra aluminiumsubstratet. Triacen appliceras mot aluminiumet med den del av höljet som är avsedd för montering på kylfläns.

Värmeledande pasta ska användas på kontaktytan mellan triacens hölje och aluminiumsubstratet. Vissa märken av triacer med oisolerad anod måste monteras med en glimmerbricka.

Alternativ för montering av triacen på substratet med hjälp av en nit. På baksidan plattas nitten ut i jämnhöjd med substratets yta.

Triacen måste tryckas hårt mot basen med en vikt och gjutas in runt om med epoxilim, eller fästas på något sätt utan att störa substratets baksidas planhet (t.ex. med en nit).

Beredning av kompound och inkapsling

För tillverkning av solid state-enheten krävs en kompoundblandning. Kompoundblandningen består av två komponenter:

1. Epoxiharts utan härdare.
2. Alabasterpulver.

Tillsatsen av alabaster löser två problem på en gång – man får en tillräcklig volym gjutkompound med nominell åtgång av epoxiharts och skapar en gjutning med optimal konsistens.

Blandningen måste blandas noggrant, därefter kan härdaren tillsättas och blandas noggrant igen. Därefter gjuts ytmonteringen försiktigt inuti kartonglådan med den skapade kompounden.

Så här ser ett färdigt exemplar av ett hemmabyggt solid state-relä ut. Något ovanligt och inte särskilt presentabelt, men tillräckligt pålitligt.

Gjutningen görs upp till överkant, så att endast en del av kontroll-LEDens topp är synlig på ytan. Till en början kan kompoundytan se lite ojämn ut, men efter ett tag ändras utseendet. Det återstår bara att vänta på att gjutningen stelnar helt.

I princip kan alla lämpliga gjutlösningar användas. Huvudkriteriet är att gjutmassan inte är elektriskt ledande, samt att gjutningen ger en god styvhet efter härdning. Solid state-reläets gjutna hölje fungerar som ett skydd för den elektroniska kretsen mot oavsiktliga fysiska skador.

Slutsatser och användbar video om ämnet

Den här videon visar hur man kan göra ett solid state-relä och vilka elektroniska komponenter som används. Författaren berättar tydligt om alla detaljer i tillverkningspraktiken som han personligen stötte på under produktionen av den elektroniska omkopplaren:

Video om ett problem som kan uppstå efter att ha köpt ett enfasigt SSR från kinesiska säljare. Samtidigt görs en slags genomgång av omkopplarens konstruktion:

Egen tillverkning av solid state-reläer – en fullt möjlig lösning, men endast för produkter avsedda för lågspänningsbelastning som förbrukar relativt låg effekt.

Det är svårt att tillverka kraftfullare och högspänningsapparater på egen hand. Och det kommer att kosta lika mycket som en fabrikstillverkad enhet. Så om det behovs är det enklare att köpa en färdig industritillverkad apparat.

Om du har frågor om montering av solid-state-relät, ställ dem gärna i kommentarsfältet, så ska vi försöka ge ett så tydligt svar som möjligt. Där kan du också dela med dig av dina erfarenheter av att själv tillverka reläer eller lämna värdefull information om ämnet.