Polovodičové relé vlastnými rukami: návod na montáž a tipy na pripojenie

Polovodičové relé (SSR) – prístroj z radu elektronických súčiastok nemechanického účinku. Absencia mechaniky otvára viac možností nadšencom elektroniky vyrobiť si polovodičové relé vlastnými rukami na osobné použitie.

Pozrime sa na túto možnosť podrobnejšie.

Konštrukcia a princíp činnosti SSR

Ak väčšina podobnej elektroniky tradične obsahuje pohyblivé časti kontaktných skupín, polovodičové relé také časti vôbec nemá. Komutácia obvodu schémou zariadenia sa uskutočňuje na princípe elektronického spínača. A úlohu elektronických spínačov zvyčajne plnia vstavané polovodiče v tele relé – výkonové tranzistory, triaky, tyristory.

Skôr než sa pokúsite vyrobiť polovodičové relé samostatne, je logické oboznámiť sa so základnou konštrukciou podobných zariadení a pochopiť princíp ich fungovania.

Priemyselnou výrobou sa vyrábajú polovodičové relé rôznej konfigurácie, určené pre najrôznejšie podmienky praktického použitia. Výber modifikácií je rozsiahly.

V rámci dôkladného štúdia prístroja treba hneď vyzdvihnúť výhodné stránky SSR:

• komutácia výkonnej záťaže;
• vysoká rýchlosť prepínania;
• ideálne galvanické oddelenie;
• schopnosť krátkodobo znášať vysoké preťaženia.

Medzi mechanickými konštrukciami nie je reálne možné nájsť relé s podobnými parametrami. Celkovo sú výhody polovodičových relé oproti mechanickým súrodencom vyjadrené pôsobivým zoznamom.

Dva elektronické prístroje, funkčne zabezpečujúce komutáciu obvodov: vľavo je vyrobený na základe polovodičovej konštrukcie, vpravo – tradičný mechanický systém prepínania

Podmienky prevádzky pre SSR prakticky neobmedzujú použitie týchto zariadení. Okrem toho absencia pohyblivých mechanických častí priaznivo ovplyvňuje životnosť prístrojov. Takže sú všetky dôvody, aby ste sa pustili do polovodičového relé – zostaviť si zariadenie vlastnými rukami.

Avšak, v záujme spravodlivosti, popri pozitívnych stránkach treba uviesť vlastnosti relé, ktoré sú charakterizované ako nedostatky. Napríklad na prevádzku výkonných zariadení sa spravidla vyžaduje dodatočný konštrukčný komponent, ktorý je určený na odvod tepla.

Pre prípad spínania výkonnej záťaže sa polovodičové relé takmer vždy dopĺňajú výkonnými chladiacimi radiátormi. Tento moment trochu komplikuje použitie SSR.

Chladiace radiátory polovodičových relé majú rozmery niekoľkonásobne presahujúce rozmery SSR, čo znižuje pohodlie a racionálnosť montáže.

Prístroje SSR počas prevádzky (v zatvorenom stave) vykazujú spätný zvodový prúd a ukazujú nelineárnu volt-ampérovú charakteristiku. Nie všetky polovodičové relé je možné používať bez obmedzení v charakteristikách spínaných napätí.

Konštrukcia určená na použitie len v obvodoch, kde je napájanie jednosmerným prúdom. Tieto prístroje sa zvyčajne vyznačujú malými rozmermi a malým spínacím výkonom.

Niektoré typy zariadení sú určené na spínanie len jednosmerného prúdu. Zavedenie polovodičových relé do obvodu si zvyčajne vyžaduje dodatočné opatrenia zamerané na blokovanie falošných spínaní.

Polovodičové relé možno často nájsť v spoločnom elektrickom rozvádzači bytu.

Ako funguje polovodičové relé?

Riadiaci signál (zvyčajne nízke napätie, pochádzajúce napríklad z riadiaceho kontroléra) sa privádza na LED diódu optoelektronického páru, ktorý je prítomný v obvode SSR. LED dióda začne vyžarovať svetlo smerom k fotodióde, ktorá sa následne otvorí a začne prepúšťať prúd.

Zovšeobecnená schéma SSR, ktorá názorne ukazuje, ako funguje elektronický prístroj: 1 – zdroj riadiaceho napätia; 2 – optočlen v puzdre relé; 3 – zdroj prúdu záťaže; 4 – záťaž

Prúd prechádzajúci cez fotodiódu prichádza na riadiacu elektródu spínacieho tranzistora alebo tyristora. Spínač sa otvorí a uzatvorí obvod záťaže.

Takto funguje funkcia spínania prístroja. Celá elektronika je tradične uzavretá v monolitickom puzdre. V podstate preto zariadenie dostalo názov polovodičové relé.

A o tom, ako pripojiť polovodičové relé, si môžete prečítať v tomto materiáli.

Druhy polovodičových spínačov

Celý existujúci sortiment prístrojov možno orientačne rozdeliť do skupín na základe kategórie pripájanej záťaže, spôsobu riadenia a spínania napätí.

Takto vzniknú celkovo tri skupiny:

1. Zariadenia pracujúce v obvodoch jednosmerného prúdu.
2. Zariadenia pracujúce v obvodoch striedavého prúdu.
3. Univerzálne konštrukcie.

Prvá skupina je zastúpená prístrojmi s parametrami pracovných riadiacich napätí 3 – 32 V. Ide o relatívne malorozmernú elektroniku, vybavenú LED indikáciou, schopnú fungovať bez prerušenia pri teplotách -35 / +75 ºC.

Široko rozšírené prevedenie elektronického prístroja na použitie v jednofázovej elektrickej sieti. Vyskytujú sa aj iné konštrukčné varianty, ale výrazne menej často.

Druhá skupina – zariadenia určené na inštaláciu v sieťach striedavého napätia. Sú tu uvedené konštrukcie SSR na inštaláciu v sieťach striedavého prúdu, riadené napätím 24 – 250 V. Existujú zariadenia schopné spínať záťaž s vysokým výkonom.

Tretia skupina – prístroje univerzálneho určenia. Obvodová technika tohto druhu zariadení podporuje manuálne nastavenie na použitie v tých či iných podmienkach.

Ak vychádzame z charakteru pripájanej záťaže, treba rozlíšiť dva druhy polovodičových relé striedavého prúdu: jednofázové a trojfázové. Oba druhy sú určené na spínanie pomerne výkonnej záťaže pri prúdoch 10 – 75 A. Pritom špičkové krátkodobé hodnoty prúdu môžu dosahovať až 500 A.

Široko rozšírený variant prevedenia na použitie v trojfázovej elektrickej sieti. Často sa používa ako lineárny regulátor výkonných elektrických ohrievačov (TEN).

Ako záťaž spínanú polovodičovými relé môžu vystupovať kapacitné, rezistívne a indukčné obvody. Konštrukcie prepínačov umožňujú bez zbytočného hluku plynule riadiť napríklad vykurovacie telesá, žiarovky, elektromotory.

Spoľahlivosť prevádzky je v dostatočnej miere vysoká. Ale stabilita a životnosť polovodičových relé do značnej miery závisí od kvality výroby výrobkov. Tak napríklad zariadenia vyrábané pod akousi obchodnou značkou «Impuls» sa často vyznačujú krátkou životnosťou.

Na druhej strane, výrobky spoločnosti «Schneider Electric» nedávajú dôvod na kritiku.

Ako si vyrobiť SSR vlastnými rukami?

Vzhľadom na konštrukčnú zvláštnosť prístroja (monolit) sa schéma zostavuje nie na doske z textolitu, ako je to obvyklé, ale závesnou montážou.

Takto vyzerá domáca konštrukcia polovodičového relé. Urobiť niečo podobné nie je zložité. Potrebné sú len základné zručnosti elektronika a elektrikára. Materiálne náklady sú malé.

Obvodových riešení v tomto smere možno nájsť množstvo. Konkrétny variant závisí od požadovaného spínaného výkonu a ďalších parametrov.

Elektronické súčiastky na montáž schémy

Zoznam prvkov jednoduchej schémy na praktické osvojenie a zostavenie polovodičového relé vlastnými rukami je nasledovný:

1. Optopár typu MOS3083.
2. Triak typu VT139-800.
3. Tranzistor série KT209.
4. Rezistory, Zenerova dióda, LED.

Všetky uvedené elektronické súčiastky sa spájkujú závesnou montážou podľa nasledujúcej schémy:

Principiálna schéma nízkopríkonového polovodičového relé na vlastnú montáž. Malé množstvo súčiastok a jednoduchá závesná montáž umožňujú bez problémov spájkovať schému.

Vďaka použitiu optočlena MOC3083 v schéme generovania riadiaceho signálu sa môže hodnota vstupného napätia meniť od 5 do 24 voltov.

Vďaka reťazcu pozostávajúcemu zo Zenerovej diódy a obmedzovacieho rezistora je prúd pretekajúci cez kontrolnú LED znížený na minimum. Toto riešenie zaručuje dlhú životnosť kontrolnej LED.

Overenie zostavenej schémy na funkčnosť

Zmontovanú schému je potrebné skontrolovať na funkčnosť. Nie je nutné pritom pripájať napätie záťaže 220 V do komutačného obvodu cez triak. Stačí paralelne k línii komutácie triaku pripojiť merací prístroj – tester.

Overenie funkčnosti polovodičového relé pomocou meracieho prístroja. Ak je na vstup zariadenia privedené riadiace napätie, prechod triaku by mal byť otvorený.

Režim merania testera je potrebné nastaviť na «MΩ» a priviesť napájanie (5-24 V) do schémy generovania riadiaceho napätia. Ak všetko funguje správne, tester by mal ukázať rozdiel odporov od «MΩ» do «kΩ».

Zariadenie monolitického telesa

Na základňu puzdra budúceho polovodičového relé bude potrebná hliníková platňa s hrúbkou 3-5 mm. Rozmery platne nie sú kritické, ale mali by zodpovedať podmienkam efektívneho odvodu tepla z triaku pri zahrievaní tohto elektronického prvku.

Rám na zaliatie puzdra budúceho zariadenia. Vyrába sa z kartónového pásu alebo iných vhodných materiálov. Na hliníkovom podklade sa upevňuje univerzálnym lepidlom.

Povrch hliníkovej platne musí byť rovný. Dodatočne je potrebné spracovať obe strany – očistiť jemným brúsnym papierom, vyleštiť.

V ďalšom kroku sa pripravená platňa vybaví «debnením» – po obvode sa prilepí okraj z pevného kartónu alebo plastu. Mal by vzniknúť akýsi box, ktorý bude neskôr zaliaty epoxidovou živicou.

Do vytvoreného boxu sa vloží zmontovaná «závesná» elektronická schéma polovodičového relé. Na povrch hliníkovej platne sa ukladá iba triak.

Upevnenie triaku na hliníkovom podklade. Hlavnou podmienkou je, že tento elektronický komponent musí byť pevne pritlačený ku kovovej základni. Len tak sa zabezpečí kvalitný odvod tepla a spoľahlivosť prevádzky.

Žiadne iné súčiastky a vodiče obvodu sa nesmú dotýkať hliníkovej podložky. Triak sa prilieha k hliníku tou časťou puzdra, ktorá je určená na montáž na chladič.

Na ploche dotyku puzdra triaku a hliníkovej podložky je potrebné použiť teplovodivú pastu. Niektoré značky triakov s neizolovanou anódou je nevyhnutné inštalovať cez sľudové tesnenie.

Variant upevnenia triaku k podložke pomocou nitu. Z opačnej strany sa nit sploští v rovine s povrchom podložky.

Triak je potrebné pevne pritlačiť k základni nejakým závažím a po obvode zaliať epoxidovým lepidlom, alebo ho upevniť iným spôsobom bez narušenia hladkosti zadnej strany podložky (napríklad nitom).

Príprava kompaundu a zaliatie telesa

Pre výrobu pevného telesa elektronického zariadenia je potrebné pripraviť kompaundnú zmes. Zloženie kompaundnej zmesi je na báze dvoch komponentov:

1. Epoxidová živica bez tvrdidla.
2. Prášok alabastru.

Vďaka prídavku alabastru majster rieši hneď dve úlohy – získava dostatočný objem zalievacieho kompaundu pri nominálnej spotrebe epoxidovej živice a vytvára zálievku optimálnej konzistencie.

Zmes je potrebné dôkladne premiešať, potom možno pridať tvrdidlo a znova dôkladne premiešať. Potom sa opatrne zaleje „závesná“ montáž vnútri kartónovej škatule pripraveným kompaundom.

Takto vyzerá hotový exemplár pevnostného relé, vlastnoručne zostaveného. Je to trochu nezvyčajné a nie veľmi reprezentatívne, ale dostatočne spoľahlivé.

Zalievanie sa vykonáva po hornú úroveň, pričom na povrchu zostane len časť hlavičky kontrolnej LED. Spočiatku môže povrch kompaundu vyzerať nie celkom hladký, ale po čase sa obraz zmení. Zostáva už len počkať na úplné stuhnutie odliatku.

V podstate možno použiť akékoľvek vhodné roztoky na odlievanie. Hlavným kritériom je, že zloženie zálievky nesmie byť elektricky vodivé a musí sa dosiahnuť dobrá tuhosť odliatku po stuhnutí. Liaté puzdro pevnostného relé je akousi ochranou elektronického obvodu pred náhodným fyzickým poškodením.

Závery a užitočné video k téme

Toto video ukazuje, ako a na základe akých elektronických komponentov možno vyrobiť pevnostné relé. Autor zrozumiteľne hovorí o všetkých detailoch výrobnej praxe, s ktorými sa osobne stretol počas výroby elektronického spínača:

Video o probléme, s ktorým sa možno stretnúť po kúpe jednofázového SSR od predajcov z Číny. Popritom poskytuje akýsi prehľad zariadenia spínacieho prístroja:

Samostatná výroba pevnostných relé – celkom možné riešenie, ale vzhľadom na výrobky pre nízkonapäťovú záťaž, ktorá spotrebúva relatívne malý výkon.

Výkonnejšie a vysokonapäťové prístroje je ťažké vyrobiť svojpomocne. A aj finančne by táto myšlienka vyšla na rovnakú sumu, za akú sa predáva továrenský exemplár. Takže v prípade potreby je jednoduchšie kúpiť hotový prístroj z priemyselnej výroby.

Ak máte otázky ohľadom montáže polovodičového relé, položte ich prosím v bloku s komentármi a my sa pokúsime poskytnúť na ne čo najzrozumiteľnejšiu odpoveď. Tam sa môžete podeliť o skúsenosti s vlastnou výrobou relé alebo poskytnúť cenné informácie k téme článku.