Твердотільні реле (ТТР) - прилад із серії електронних компонентів немеханічного дії. Відсутність механіки відкриває більше можливостей любителям електроніки зробити твердотельное реле своїми руками для особистого користування.
Розглянемо таку можливість докладніше.
Конструкція і принцип дії ТТР
Якщо велика частина подібної електроніки традиційно містить рухливі деталі контактних груп, твердотельное реле таких деталей не має зовсім. Комутація ланцюга схемою пристрою здійснюється за принципом електронного ключа. А роль електронних ключів зазвичай виконують вбудовані в тіло реле напівпровідники - силові транзистори, сімістори, тиристори.
Перш ніж намагатися виготовити твердотельное реле самостійно, логічно ознайомитися з базовою конструкцією подібних пристроїв, зрозуміти принцип їх функціонування.
Промисловим виробництвом випускаються реле твердотільні різної конфігурації, призначені під найрізноманітніші умови практичного застосування. Вибір модифікацій великий
В рамках щільного вивчення приладу відразу ж слід виділити переважні боку ТТР:
- комутація потужного навантаження;
- висока швидкість перемикання;
- ідеальна гальванічна розв'язка;
- здатність швидко тримати високі перевантаження.
Серед механічних конструкцій знайти реле з подібними параметрами реально не представляється можливим. Взагалі, переваги щодо механічних побратимів у твердотільних реле виражаються значним списком.
Два електронних приладу, функціонально які забезпечують комутацію ланцюгів: зліва зроблений на основі твердотільної конструкції, праворуч - традиційна механічна система перемикання
Умови експлуатації для ТТР практично не обмежують застосування цих пристроїв. До того ж відсутність рухомих механічних деталей сприятливо позначається на тривалості служби приладів. Так що є всі підстави, щоб зайнятися твердотілим реле - зібрати пристрій своїми руками.
Однак, справедливості заради, поряд з позитивними моментами слід зазначити властивості реле, що характеризуються як недоліки. Так, для експлуатації потужних приладів, як правило, є потреба у додатковому компонент конструкції, який призначений відводити тепло.
На випадок комутації потужної навантаження реле твердотільного виконання практично завжди доповнюються потужними радіаторами охолодження. Цей момент дещо ускладнює застосування ТТР
Радіатори охолодження твердотільних реле мають габаритні розміри в кілька разів перевершують габарити ТТР, що знижує зручність і раціональність монтажу.
Прилади ТТР в процесі експлуатації (в закритому стані) дають зворотний струм витоку і показують нелінійну вольт-амперну характеристику. Не всі твердотільні реле допустимо використовувати без обмежень в характеристиках комутованих напруг.
Конструкція для застосування тільки в схемах, де харчування здійснюється постійним струмом. Зазвичай ці прилади відрізняють малі габарити і невелика потужність комутації
Окремі види пристроїв призначені коммутировать тільки постійний струм. Впровадження твердотільних реле в схему зазвичай вимагає звернення до додаткових заходів, спрямованих на блокування помилкових спрацьовувань.
Твердотільні реле часто можна зустріти в загальному електрощитку квартири.
Як працює твердотельное реле?
Керуючий сигнал (зазвичай напруга низького рівня, що виходить, наприклад, від контролера управління) подається на світлодіод оптоелектронної пари, яка присутня в схемі ТТР. Світлодіод починає випромінювати світло в сторону фотодіода, який в свою чергу відкривається і починає пропускати струм.
Узагальнена схема ТТР, наочно показує, яким чином функціонує електронний прилад: 1 - джерело напруги управління; 2 - оптопара всередині корпусу реле; 3 - джерело струму навантаження; 4 - навантаження
Проходить через фотодіод ток приходить на керуючий електрод ключового транзистора або тиристора. Ключ відкривається, замикає ланцюг навантаження.
Так працює функція комутації приладу. Вся електроніка традиційно укладена в монолітний корпус. Власне, тому пристрій і отримало назву твердотільного реле.
А про те, як підключити твердотельное реле можна прочитати в цьому матеріалі.
Різновиди твердотільних перемикачів
Весь існуючий асортимент приладів умовно можна розділити по групах, виходячи з категорії підключається навантаження, особливостей контролю і комутації напружень.
Таким чином, в цілому набереться три групи:
- Пристрої, що діють в ланцюгах постійного струму.
- Пристрої, що діють в ланцюгах змінного струму.
- Універсальні конструкції.
Перша група представлена приладами з параметрами робочих керуючих напруг 3 - 32 вольта. Це щодо малогабаритна електроніка, наділена світлодіодною індикацією, здатна функціонувати без перебоїв при температурах -35 / +75 ºС.
Широко поширене виконання електронного приладу для застосування в однофазної електричної мережі. Також зустрічаються інші варіанти конструкцій, але значно рідше
Друга група - пристрої, призначені під установку в мережах змінної напруги. Тут представлені конструкції ТТР для установки в мережах змінного струму, керовані напругою 24 - 250 вольт. Є пристрої, здатні комутувати навантаження високої потужності.
Третя група - прилади універсального призначення. Схемотехніка цього виду пристроїв підтримує ручне налаштування на використання в тих чи інших умовах.
Якщо відштовхуватися від характеру підключається навантаження, слід виділити два види твердотільних реле змінного струму: однофазні та трифазні. Обидва види розраховані на комутацію досить потужного навантаження при токах 10 - 75 А. При цьому пікові короткочасні значення струму можуть досягати величини 500 А.
Широко поширений варіант виконання для застосування в трифазній електричній мережі. Часто використовується в якості лінійного регулятора потужних електричних нагрівачів (ТЕН)
Як навантаження, комутованою твердотільними реле, можуть виступати ємнісні, резистивні, індукційні ланцюга. Конструкції перемикачів дозволяють без зайвого шуму, плавно керувати, наприклад, нагрівальними елементами, лампами розжарювання, електродвигунами.
Надійність роботи в достатній мірі висока. Але багато в чому стабільність і довговічність твердотільних реле залежить від якості виробництва виробів. Так, пристрої, що випускаються під якоїсь торговою маркою «Impuls», часто відзначаються нетривалим терміном служби.
З іншого боку, вироби фірми «Schneider Electric» не залишають приводу для критики.
Як зробити ТТР своїми руками?
З огляду на конструкційну особливість приладу (моноліт), схема збирається нема на текстолітової платі, як це прийнято, а навісним монтажем.
Ось такий виглядає саморобна конструкція твердотільного реле. Зробити щось подібне нескладно. Потрібні лише базові навички електронщика і електрика. Матеріальні витрати невеликі
Схемотехнік в цьому напрямку можна відшукати безліч. Конкретний варіант залежить від необхідної комутованої потужності і інших параметрів.
Електронні компоненти для збірки схеми
Перелік елементів простої схеми для практичного освоєння і побудови твердотільного реле своїми руками наступний:
- Оптопара типу МОС3083.
- Симистор типу ВТ139-800.
- Транзистор серії КТ209.
- Резистори, стабілітрон, світлодіод.
Всі зазначені електронні компоненти згуртовуються навісним монтажем згідно з наступною схемою:
Принципова схема малопотужного твердотільного реле для збірки своїми руками. Невелика кількість деталей і простий навісний монтаж дозволяють спаяти схему без праці
Завдяки використанню оптопари МОС3083 в схемі формування сигналу управління величина вхідної напруги може змінюватися від 5 до 24 вольт.
А за рахунок ланцюжка, що складається з стабілітрона і обмежувального резистора, знижений до мінімально можливого струм, що проходить через контрольний світлодіод. Таке рішення забезпечує довгий термін служби контрольного світлодіода.
Перевірка зібраної схеми на працездатність
Зібрану схему потрібно перевірити на працездатність. Підключати при цьому напруга навантаження 220 вольт в ланцюг комутації через симистор необов'язково. Досить підключити паралельно лінії комутації симистора вимірювальний прилад - тестер.
Перевірка працездатності твердотільного реле за допомогою вимірювального приладу. Якщо на вхід пристрою подано напругу, що управляє, перехід симистора повинен бути відкритий
Режим вимірювань тестера потрібно виставити на «мОм» і подати харчування (5-24В) на схему генерації напруги управління. Якщо все працює правильно, тестер повинен показати різницю опорів від «мОм» до «кОм».
Пристрій монолітного корпусу
Під підставу корпусу майбутнього твердотільного реле потрібно пластина з алюмінію завтовшки 3-5 мм. Розміри пластини некритичні, але повинні відповідати умовам ефективного відводу тепла від симистора при нагріванні цього електронного елемента.
Каркас під заливку корпусу майбутнього приладу. Робиться з картонної смуги або інших відповідних матеріалів. На алюмінієвій підкладці закріплюється універсальним клеєм
Поверхня алюмінієвої пластини повинна бути рівною. Додатково необхідно обробити обидві сторони - зачистити дрібною шкіркою, відполірувати.
На наступному етапі підготовлена пластина оснащується «опалубкою» - по периметру приклеюється бордюр з щільного картону або пластику. Повинен вийти своєрідний короб, який в подальшому буде залитий епоксидною смолою.
Всередину створеного короба поміщається зібрана «навісом» електронна схема твердотільного реле. На поверхню алюмінієвої пластини укладається тільки симистор.
Закріплення симистора на алюмінієвій підкладці. Головна умова - цей електронний компонент необхідно щільно притиснути до металевої підстави. Тільки так забезпечується якісний тепловідвід і надійність роботи
Ніякі інші деталі і провідники схеми не повинні стосуватися алюмінієвої підкладки. Симистор прикладається до алюмінію тією частиною корпусу, яка розрахована під установку на радіатор.
Слід використовувати теплопроводящую пасту на площі дотику корпусу симистора і алюмінієвої підкладки. Деякі марки сімісторов з неізольованим анодом обов'язково потрібно ставити через слюдяну прокладку.
Варіант кріплення симистора до підкладки за допомогою клепки. Зі зворотного боку клепка розплющується врівень з поверхнею підкладки
Симистор потрібно щільно притиснути до основи якимось вантажем і залити по периметру епоксидним клеєм або закріпити якимось чином без порушення гладі зворотного боку підкладки (наприклад, заклепки).
Приготування компаунда і заливка корпусу
Під виготовлення твердого тіла електронного пристрою буде потрібно виготовити компаундну суміш. Склад суміші компаунда робиться на основі двох компонентів:
- Епоксидна смола без затверджувача.
- Порошок алебастру.
Завдяки додаванню алебастру майстер вирішує відразу два завдання - отримує вичерпну обсяг заливного компаунда при номінальній витраті епоксидної смоли і створює заливку оптимальної консистенції.
Суміш потрібно ретельно перемішати, після чого можна додати затверджувач і знову ретельно перемішати. Далі акуратно заливають «навісний» монтаж усередині картонного короба створеним компаундом.
Так виглядає готовий екземпляр твердотільного реле, зібраного своїми руками. Дещо незвично і не дуже презентабельно, але досить надійно
Заливку роблять до верхнього рівня, залишивши на поверхні лише частина головки контрольного світлодіода. Спочатку поверхню компаунда може виглядати не зовсім гладкою, але через деякий час картинка зміниться. Залишиться тільки дочекатися повного застигання лиття.
По суті, застосувати можна будь-які відповідні для лиття розчини. Головний критерій - склад заливки не повинен бути електропровідним, плюс повинна формуватися хороша ступінь жорсткості лиття після застигання. Литий корпус твердотільного реле є свого роду захистом електронної схеми від випадкових фізичних ушкоджень.
Висновки і корисне відео по темі
Цей ролик показує, як і на базі яких електронних компонентів можна зробити твердотельное реле. Автор дохідливо розповідає про всі деталі практики виготовлення, з якими він зіткнувся особисто в процесі виробництва електронного комутатора:
Відео про проблему, з якою можна зіткнутися після придбання однофазного ТТР у продавців з Китаю. Попутно проводить своєрідний огляд пристрою приладу комутації:
Самостійне виготовлення твердотільних реле - цілком можливе рішення, але стосовно до виробів під низьковольтну навантаження, що споживає відносно малу потужність.
Більш потужні і високовольтні прилади зробити своїми руками складно. Та й обійдеться ця затія з фінансів в таку ж суму, якої оцінюється заводський екземпляр. Так що в разі потреби простіше купити готовий прилад промислового виготовлення.
Якщо у вас з'явилися питання по збірці твердотільного реле, будь ласка, задайте їх в блоці з коментарями, а ми постараємося дати на них гранично зрозумілий відповідь. Там же можна поділитися досвідом самостійного виготовлення реле або повідомити цінну інформацію по темі статті.