Твердотельное реле своими руками: виды и конструкция, рекомендации по изготовлению

Твердотельное реле своими руками

Собирая схему реле в домашних условиях, главное, учитывать ударные токи подключаемой нагрузки и выбирать тиристоры и симисторы соответствующего запаса по мощности.

Для остальных частей схемы реле следует придерживаться рекомендаций:

для коммутации маленьких переменных токов лучше использовать симисторы, больших – тиристоры;
ставить для защиты силового ключа параллельно ему варистор или защитный диод (при коммутации индуктивной нагрузки);
перед диодным мостом на входе управляющей цепи ставить токоограничивающие резисторы;
последовательно оптрону нужно ставить токоограничивающее сопротивление, параллельно – сглаживающий конденсатор.

Самостоятельное изготовление

Чтобы сделать реле тока своими руками, нужно запастись рядом электронных компонентов, составляющих основу схем переключения. Также потребуются специальные материалы, из которых будет изготовлен корпус самодельного реле.

Электронные элементы

В качестве электронных компонентов, используемых при самостоятельном изготовлении простейшего образца SSR, обычно используются следующие общие детали:

оптрон MOS3083;
симистор марки VT139-800;
биполярный транзистор серии КТ209;
набор резисторов, а также стабилитрон и светодиод, служащий индикатором срабатывания реле.

Схема твердотельного реле

Перечисленные электронные элементы сварены на петлях по схеме, приведенной в источниках. Вместе с другими компонентами он содержит ключевой транзистор, который подает стабилизированные импульсы на управляющий диод пары оптронов.

Под действием этих импульсов происходит мгновенное срабатывание полупроводникового симистора, включенного в коммутируемую цепь. Использование пары оптронов в такой схеме переключения позволяет управлять постоянными потенциалами от 5 до 24 вольт.

ограничительная цепочка резистора с стабилитроном необходима для минимизации амплитуды тока, протекающего через светодиод и элемент управления. Такая схемотехника позволяет продлить срок службы большинства элементов, используемых в схемотехнике.

Конструкция корпуса (заливка компаундом)

Заполните доску смесью

Для изготовления корпуса сборного изделия в первую очередь потребуется алюминиевая пластина толщиной 3-5 мм, которая послужит основой для сборки электроники. Размеры можно выбирать, если они обеспечивают хороший отвод тепла в окружающую среду. Еще одно требование к этой детали – хорошо обработанная поверхность, абсолютно гладкая, отполированная специальным инструментом или отполированная до зеркала.

На следующем этапе подготовки тела тарелку, выбранную в качестве основы, оснащают бордюром, состоящим из проклеенной по периметру полосы картона. В результате вы получите небольшую коробку, предназначенную для размещения ранее собранной электронной схемы. На его основании компонентами жестко закреплен только симистор, все остальные элементы удерживаются внутри корпуса своими связями.

В дальнейшем надежное крепление всей сборки обеспечивается жидким компаундом, заливаемым в коробку, заранее приготовленной в подходящей емкости. После застывания получается монолитная конструкция, не уступающая лучшим промышленным образцам по защите от вибраций и других воздействий. Единственный его недостаток – невозможность разборки с целью последующего ремонта схемы.

Как сделать ТТР своими руками?

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

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:

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Принцип работы и устройство твердотельных реле

Для начала, что такое обычное реле? Это устройство, которое имеет контакты, и катушку управления

Контакты приводятся в действие (замыкаются, или размыкаются, не важно) подачей напряжения на катушку реле. То есть, нужно некоторое управляющее (активирующее) напряжение, которое приводит в действие контакты

В твердотельном реле – то же самое. Есть управляющее напряжение (постоянное или переменное, разного уровня, зависит от типа реле), и есть «контакты», которые замыкаются. Почему «контакты» в кавычках – потому что их реально нет, их роль выполняют полупроводниковые (твердотельные, отсюда и название) приборы. Как правило, тиристоры или симисторы (для коммутации переменного тока) и транзисторы (для постоянного тока).

Твердотельное реле переменного тока OMRON. Управляющие контакты – на переднем плане

В принципе, любой ключевой транзистор можно назвать твердотельным реле. Например, в датчике движения или датчике освещенности на выходе стоит транзистор, который подает напряжение на обычное реле.

Обычное реле применяется не только для увеличения коммутируемого тока. Транзистор может пропускать ток только в одном направлении, а вот симистор или тиристоры, используемые в твердотелках, прекрасно пропускают переменный ток (ток в обоих направлениях).

Так же, как и в обычных реле, в твердотельных существует гальваническая развязка между напряжением катушки и напряжением на силовых контактах. Только в «электромеханических» реле это достигается за счет разнесения в пространстве, а в твердотельных – за счет оптической развязки. Т.е, на входе стоит оптрон.

Устройство твердотельного реле постоянного тока – реле вскрыто, один транзистор “подгорел”

На фото показано, как устроено твердотельное реле 5…24 VDC – 5…200 VDC. Всё просто – стабилизация (приведение к одному уровню) входного напряжения, оптическая развязка, выходной ключ.

Твердотельные реле потребляют и теряют гораздо меньше энергии при работе, имеют меньшие габариты, высокое быстродействие, гораздо более длительный срок службы и всё это – абсолютно бесшумно!

Однако не стоит впадать в эйфорию, контакторы и реле прекрасно справляются со своими функциями не только в быту, но и в промышленной аппаратуре. И в обозримом будущем твердотельные реле их полностью не заменят, это точно.

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).

Что такое твердотельные реле и их классификация

Самодельное твердотельное реле

Твердотельные реле (или SSR) – это электронные устройства, в конструкции которых отсутствуют механические компоненты. Принцип их действия основан на особенностях работы полупроводниковых переходов, характеризующихся высокой скоростью переключения и защитой от физических полей.

Коммутация твердотельных реле основана на принципе активации электронного ключа.

В этих продуктах в качестве ключевых элементов традиционно используются обычные электронные компоненты, такие как транзисторы, управляемые диоды или тиристоры. В зависимости от используемых при их изготовлении конструкций ТТР делятся на устройства, построенные на основе одного из перечисленных элементов (например, реле на симисторах).

По режимам работы и типу коммутируемых напряжений образцы твердотельных реле, изготовленных на основе полупроводников, делятся на следующие группы:

коммутационные аппараты постоянного тока;
устройства, контролирующие работу линий нагрузки с переменными параметрами тока;
универсальные изделия, работающие в различных схемах.

Для первых устройств характерно управление постоянными напряжениями, не превышающими 32 вольт. Представители двух оставшихся позиций способны переключать потенциалы значительной величины (до десятков киловольт).

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.

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.

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 реле

Реле контроля напряжения однофазное цифровое на DIN-рейку

Релейные устройства классифицируются по нескольким параметрам.

Количество фаз

Подразделяются на:

однофазные – предназначены для подачи напряжения в жилых помещениях;
трехфазные – подходят для применения в промышленных условиях.

Тип переключения

Можно приобрести модели:

максимальные – повышают параметр напряжения до определенной величины;
минимальные – понижают показатель до заданного значения.

Порог напряжения пользователем не устанавливается.

Тип активации воспринимающего элемента

Реле промежуточное РП-18-54 220В DC

Воспринимающий элемент, по включению которого будет работать прибор, – это электромагнит, магнитоэлектрический узел, индукционная или электродинамическая система. В зависимости от его вида существуют реле:

первичные с прямым подключением контактов в сеть;
вторичные – могут подключаться через измерительные индуктивные или емкостные трансформаторы;
промежуточные – усиливают или преобразуют сигналы первичных/вторичных моделей.

Тип управления нагрузкой

Для управления напряжением применяются модели:

прямого действия – нагрузка переключается контактами;
косвенного действия – нагрузку подключаются вторичные элементы.

Нагрузка подается и приостанавливается с определенными промежутками.

Тип поступления сигнала

Герконовое реле

В продаже можно найти следующие коммутационные устройства:

электронные – обеспечивают контроль напряжения в условиях высокой нагрузки. Управляют освещением и узлами автомобиля;
герконовые – небольшие модели в виде катушки. Предназначены для замыкания, переключения, размыкания сети. Чувствительны к механическим воздействиям и ультразвуку;
электротепловые – отключают и включают электрический ток по нагреву биметаллической пластины. Используются для электродвигателей на производстве, обустройства однофазной или трехфазной электросети;
временной выдержки – для создания кратковременных пауз применяются схемы замедления. Приборы работают в автомобилях, светофорах, елочных гирляндах;
таймеры света – позволяют программировать освещение теплиц, аквариумов, животноводческих комплексов. К ним подключаются нагреватели, вентиляторы;
электромагнитные – ток статистической обмотки активируется по воздействию магнитного поля. Приборы со средней нагрузкой до 320 А и напряжение до 1,6 кВт могут работать только в сети с постоянным током.

Реле для поворотников своими руками

Представленная схема не нуждается в дополнительной настройке и заработает сразу после включения в цепь. А подключается она в разрыв плюса питания или иначе говоря последовательно с нагрузкой. Наглядно это продемонстрировано на рисунке ниже:

Теперь давайте более подробно разберем как работает данная схема. По сути это несимметричный мультивибратор, слегка подогнанный для работы с полевым ключом. В начальный момент времени через диод d1 заряжается конденсатор c1, оба транзистора закрыты.

Время срабатывания полевого транзистора, а следовательно и миганий ламп, зависит от номиналов конденсатора c2 и резисторов r2 и r3. Чем больше емкость конденсатора или сопротивление резисторов, тем меньше частота миганий. И наоборот, чем меньше номинал резисторов r2 и r3, а также конденсатора с2, тем соответственно будет выше частота миганий поворотников.

А при мощности около 50 Вт в радиаторе нет необходимости. Если нагрузка не очень большая, например, светодиодная лампа, то вместо полевого транзистора можно использовать биполярный транзистор обратной проводимости. В этом случае схема будет выглядеть следующим образом:

Видео:

Назначение и область применения твердотельных реле

Твердотельные изделия предназначены для обеспечения замыкания и размыкания участков в высоковольтных и низковольтных электрических цепях. Они выполняют ту же функцию что и обычные реле с механическими размыкателями контактов на основе электромагнитной катушки. Основное отличие в том, что оно не имеет механических контактов и электромагнита, коммутация осуществляется полупроводниковыми приборами.

Область применения таких реле та же что и обычных, используются при необходимости коммутации элементов индуктивной нагрузки:

В системах нагрева с электрическими тэнами;
В производственных технологиях, где необходимо поддерживать стабильную температуру;
Для коммутации цепей систем управления в комплексе различного оборудования;
В некоторых случаях твердотельными реле заменяют бесконтактные пускатели реверсного типа;
В схемах управления электродвигателями;
В системах контроля и диагностики оборудования, нагрева трансформаторов и других элементов с установленными пределами определенных параметров в процессе эксплуатации;
В схемах управления уровнем освещения на различных объектах.

Невозможно перечислить все варианты, сфера применения этих изделий очень обширна.

Классификация твердотельных реле

Сферы применения реле разнообразны, поэтому и их конструктивные особенности могут сильно отличаться, в зависимости от потребностей конкретной автоматической схемы. Классифицируют ТТР по количеству подключенных фаз, виду рабочего тока, конструктивным особенностям и типу схемы управления.

По количеству подключенных фаз

Твердотельные реле используются как в составе домашних приборов, так и в промышленной автоматике с рабочим напряжением 380 В.

Поэтому эти полупроводниковые устройства, в зависимости от количества фаз, разделяются на:

однофазные;
трехфазные.

Однофазные ТТР позволяют работать с токами 10-100 или 100-500 А. Их управление производится с помощью аналогового сигнала.

К трехфазному реле рекомендуется подключать провода различных цветов, чтобы при монтаже оборудования можно было правильно их присоединить

Трехфазные твердотельные реле способны пропускать ток в диапазоне 10-120 А. Их устройство предполагает реверсивный принцип функционирования, который обеспечивает надежность регуляции одновременно нескольких электрических цепей.

Часто трехфазные ТТР используются для обеспечения работы асинхронного двигателя. В его электросхему управления обязательно включаются быстрые предохранители из-за высоких пусковых токов.

По виду рабочего тока

Твердотельные реле нельзя настроить или перепрограммировать, поэтому они могут нормально работать только при определенном диапазоне электропараметров сети.

В зависимости от потребностей ТТР могут управляться электроцепями с двумя видами тока:

постоянным;
переменным.

Аналогично можно классифицировать ТТР и по виду напряжения активной нагрузки. Большинство реле в бытовых приборах работают с переменными параметрами.

Постоянный ток не используется в качестве основного источника электроэнергии ни в одной стране мира, поэтому реле такого типа имеют узкую сферу применения

Устройства с постоянным управляющим током характеризуются высокой надежностью и используют для регуляции напряжение 3-32 В. Они выдерживают широкий диапазон температур (-30..+70°С) без значительного изменения характеристик.

Реле, регулирующиеся переменным током, имеют управляющее напряжение 3-32 В или 70-280 В. Они отличаются низкими электромагнитными помехами и высокой скоростью срабатывания.

По конструктивным особенностям

Твердотельные реле часто устанавливают в общий электрощит квартиры, поэтому многие модели имеют монтажную колодку для крепления на DIN-рейку.

Кроме того, существуют специальные радиаторы, располагающиеся между ТТР и опорной поверхностью. Они позволяют охлаждать прибор при высоких нагрузках, сохраняя его рабочие характеристики.

Реле крепиться на DIN-рейку преимущественно через специальный кронштейн, который имеет и дополнительную функцию – отводит излишки тепла при работе прибора

Между реле и радиатором рекомендуется наносить слой термопасты, который увеличивает площадь соприкосновения и увеличивает теплоотдачу. Существуют и ТТР, предназначенные для крепления к стене обычными шурупами.

По типу схемы управления

Не всегда принцип работы регулируемой реле техники требует его мгновенного срабатывания.

Поэтому производители разработали несколько схем управления ТТР, которые используются в различных сферах:

Контроль «через ноль». Такой вариант управления твердотельным реле предполагает срабатывание только при значении напряжения, равном 0. Используется в устройствах с емкостной, резистивной (нагреватели) и слабой индуктивной (трансформаторы) нагрузкой.
Мгновенное. Используется при необходимости резкого срабатывания реле при подаче управляющего сигнала.
Фазовое. Предполагает регулирование выходного напряжения методом изменения параметров управляющего тока. Применяется для плавного изменения степени нагрева или освещения.

Твердотельные реле различаются и по многим другим, менее значимым, параметрам

Поэтому при покупке ТТР важно разобраться в схеме работы подключаемой техники, чтобы приобрести максимально соответствующее ей регулировочное устройство

Обязательно должен быть предусмотрен запас мощности, потому что реле имеет эксплуатационный ресурс, который быстро расходуется при частых перегрузках.

Где используются?

Твердотельные реле — уникальные устройства, которые после монтажа не требуют особого обслуживания. Здесь работает принцип «установил и забыл». К примеру, в простых моделях очистка контактной группы осуществляется с определенной периодичностью — как правило, через определенное число циклов. Если изделие работает редко, это не вызывает проблем.

Но как быть с аппаратурой, для работы которой требуется частое срабатывание — один раз в секунду или даже чаще? Пример такой техники — станок с клапанами соленоидного типа.

Подача напряжения происходит через реле, которому приходится разрывать до десяти ампер индуктивного I. Если поставить контактное устройство, его замену придется осуществлять раз в 1-2 месяца. Если поставить твердотельный аналог, об этом можно забыть на долгие годы.

Несмотря на надежность работы, ТТР требуют периодического осмотра. Базовые рекомендации в этом вопросе дает производитель изделия. Как правило, речь идет о проверке факта замыкания контактов, целостности корпуса и изоляции.

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.

Самодельные твердотельные реле — схема и устройство