Реле своими руками

ТТР (Твердотельное реле) (англ. SolidStateRelay (SSR) – полупроводниковое устройство, рассчитанное на управление изменений электрического тока. Главное назначение устройства – изоляция между цепями напряжения.

ТТР – регулятор мощности напряжения, обеспечивает правильную функциональность электрических систем различного оборудования, контролирует и управляет включением и выключением приборов.

Принцип действия

Схема всех SSR практически одинаковая, даже если есть разница, она никак не влияет на принцип действия.

Схема SSR постоянного тока

Принцип действия механизма заключается в замыкании и размыкания контактов, которые передают напряжение. Выполняется это с помощью активатора, то есть твердотельного прибора.В зависимости от характера тока (переменного или постоянного) используется тип силового элемента (полупроводниковый прибор). Для постоянного тока используются транзисторы, для переменного – симисторы и тиристоры. Транзистор пропускает постоянный ток. Симистор проводит ток в двух направлениях, а тиристор может проводить напряжение и в 1ом и в 2х направлениях.

Схема твердотельного реле переменного тока

Схема цепей

На вход поступает электрический сигнал, дальше он подаётся на оптический светодиод. Оптическая развязка обеспечивает изоляцию между входной, промежуточной и выходной цепью. В работу включается триггерная цепь. Она управляет переключением выхода ТТР. Переключающая цепь передает напряжение на нагрузку, которая представлена транзистором, тиристором или симистором. Защитная цепь нужна для надежной работы ТТР при различных нагрузках.

Для предотвращения сгорания контактов устройства, рекомендуется установка предохранителя.

Виды устройства

SSR различаются по следующим свойствам.

  1. Характер тока в сети
  • Однофазное реле способно коммутировать электрический ток от 10 до 120 А или от 100 до 500 А. Управление проводится через фазу с помощью аналогового сигнала (непрерывный по времени) и переменного резистора (элемент электрической цепи). Как правило, корпус однофазного SSR стандартный, модульный (завершенная конструкция).

Однофазное реле используется в бытовых приборах.

Рекомендация. Установка однофазного ТТР в электрическую систему обезопасит домашнюю технику от поломки.

  • Трехфазное релекоммутирует электричество на трёх фазах сразу. Диапазон напряжения 10 – 120 А. Отдельными характеристиками обладает реверсивное трехфазное ТТР. Выделяется надёжной коммутацией цепей. Сфера использования – непостоянная работа двигателя.

Чтобы не происходило перенапряжение, используется варистор (полупроводниковый резистор)или предохранитель. Трёхфазное SSR имеет долгий срок использования в сравнении с однофазным устройством.

  1. Способ управления
  • Коммутация постоянного тока. Применяется при постоянном напряжении от 3 до 32 вольт. Отличаются высокой надежностью работы. Поддержка температур от -30 до +70 соблюдается практически у всех моделей.
  • Коммутация переменного тока. SSR переменного тока характеризуется маленьким соотношением электромагнитных помех, бесшумностью, экономным энергопотреблением и оперативной работой. Диапазон напряжения от 90 до 250 вольт.

  • Реле, управляемое вручную. Оно позволяет управлять настройками.

Коммутация – процесс переключение и отключение напряжения. Происходит моментально при замыкании и размыкании цепей.

  1. Тип коммуникации
  • Конструкция с фазовым регулятором мощности. Тип коммуникации – изменения на выходе нагрузки с управлением мощности, нагреванием (уровень освещения).
  • Прибор, контролируемый нулевым регулятором мощности. Область использования –коммутация ёмкостных (конденсатных) резистивных (лампы и нагреватели) слабо индуктивных приборов. SSR с нулем необходимы для коммутации индуктивных (трансформаторы, двигатели) и резистивных нагрузок при необходимости мгновенного действия.
  1. По конструкции
  • Устанавливаемые на одну рейку.
  • Монтируемые на планки переходного типа.

Сферы применения

Твердотельное реле 12в

SSR не заменит полностью электромагнитный аналог, но во многих областях превосходит его в применении.

Сфера применения достаточно обширная. Его устанавливают в том оборудования, где нужно надежное и длительное использование системы.

  • Для поддержания постоянной температуры в технологическом процессе.
  • Регулятор мощности тока.
  • При замене пyскателя реверсивного типа.
  • Электрический двигатель.
  • Датчик движения.
  • Датчик освещения.
  • Диммер (выключатель с регулировкой яркости лампы).
  • Производственные станки.
  • Регулятор температуры камеры.

Далеко не весь список использования.

Преимущества использования

Твердотельное реле применяется в различных электрических цепях- низковольтных, высоковольтных. От простейшего бытового прибора, которое имеется в каждом доме до крупного промышленного объекта.

  • Компактный размер даёт возможность использования в ограниченных пространством условиях, и перемещать его.
  • Более точный и стабильный регулятор температуры по сравнению с электромагнитным устройством.
  • Скорость быстрого включения в работу без потребности долгого запуска.
  • Экономия электроэнергии из-за использования полупроводников вместо электромагнитного разнесения.
  • Надёжность работы. Реле может выполнить более миллиарда срабатываний.
  • Долгий срок эксплуатации без необходимости прохождения постоянного технического обслуживания.
  • Отсутствие источников искр.
  • Включение в цепь без помех из-за герметичной конструкции.
  • Бесшумность работы.
  • Не происходит дребезжания благодаря быстрому старту.
  • Широкая сфера применения. ТТР используется для регулятора работы многих устройств.

Как выбрать полупроводниковое устройство?

Покупая твердотельное реле нужно обратить внимание на его основные характеристики:

  • Вид SSR.
  • Материал корпуса.
  • Тип включения – быстрый или постепенный.
  • Производитель.
  • Наличие крепежей.
  • Уровень потребления электроэнергии.
  • Размер ТТР.
  • Необходимо учесть коммутируемый регулятор напряжение.

Важно! Реле должно иметь большой запас мощности напряжения для его надежного и продолжительного использования. Иначе при скачке напряжения произойдёт поломка.

Выполняя работы по проведению электрической системы помещения и устанавливая оборудование, вне зависимости от его масштабов, важно чтобы всё работало надежно и исправно. Осуществлению этого способствует полупроводниковое устройство. При верном подборе типа SSR и правильной установке, оно будет долговечно.

Подключение твердотельного реле на симисторе к Ардуино.

Для управления мощной нагрузкой через Андуино или любой другой микроконтроллер, в одной из статей я использовал реле модули, построенные на электромеханическом реле. При очень частом срабатывании механических контактов, они могут изнашиваться, тем самым влиять на работу того устройства, в котором применяется данное реле. Что бы избавится от этого недостатка, можно использовать твердотельное реле, в котором нет механических контактов. На практике подобные заводские реле стоят дорого, поэтому попробуем собрать самодельное твердотельные реле, на основе симистора, которым будем управлять мощной нагрузкой через Ардуино.

Помимо отсутствия механических контактов, твердотельное реле имеет ещё ряд преимуществ:
— Имеют меньшие габариты;
— Высокая скорость переключения;
— Бесшумность — поскольку нет движущихся механических контактов, реле не создаёт звукового шума;
— При переключении нет скачка напряжения и не возникают радиопомехи;
— Отсутствие искры между контактами позволяет использовать этот тип реле во взрыво- и пожаро- опасном окружении.

Заводское твердотельное реле стоит дороже электромеханического, что затрудняет использовать его в радиолюбительских конструкциях. Для примера, электромеханическое реле Songle SRD-05VDC-SL-C стоит порядка $0,7 и может коммутировать нагрузку до 10А. Твердотельное реле Omron G3MB-202P стоит порядка $2 и может коммутировать нагрузку до 2А.

Поскольку в основе твердотельных реле лежат полупроводниковые технологии, нагрузка в которых коммутируется с помощью симистора или полевого транзистора, ничего не мешает нам построить подобное самодельное реле. В приведённом ниже примере попробуем собрать твердотельные реле на основе симистора.

Симистор это такой полупроводниковый прибор, который позволяет управлять мощной нагрузкой в цепях переменного тока. Обычно используется при коммутации электродвигателей, ламп накаливания и нагревательных элементов. Другое название этого прибора — триак или симмертичный триодный тиристор. В своём примете в качестве мощной нагрузки я буду использовать лампочку на 220В.

Симистор подойдёт любой, рассчитанный на напряжении более 220В и необходимый ток коммутации нагрузки. В моём распоряжении оказались симисторы производства STM (STMicroelectronics): BTA12-600, который может коммутировать нагрузку с током до 12А и более мощный BTA41-600B (ток до 40А). Первая цифра в маркировке симисторов этого производителя обозначает ток, а вторая напряжение коммутации. Стоит так же обратить внимание что у некоторых симисторов центральный вывод и подложка радиатора будут соединены, а значит на подложке будет присутствовать высокое напряжение, которое так же будет и на радиаторе охлаждения. Такие симисторы имеют маркировку BTB. У симисторов с маркировкой BTA подложка изолирована от высокого напряжения.

Внешний вид BTA12-600 и BTA41-600B, а так же общее схематическое обозначение.

Управляемые выводы Т1 и Т2 (могут так же обозначаться как А1 и А2) могут проводить ток в оба направления. В закрытом состоянии между выводами отсутствует проводимость. Для возникновения проводимости необходимо на управляющий электрод G (gate) подать управляющий ток.

Что бы защитить микроконтроллер (в данном случае Ардуино) от высокого напряжения нагрузки, нужно организовать гальваническую развязку. Для этих целей применяются оптосимисторы, которые выдерживают напряжения до 7,5кВ, между микроконтроллером и нагрузкой. Подойдёт любой оптосимистор со схемой детектора нуля. Схема детектора нуля позволяет открывать и закрывать симистор, когда синусоида будет проходить через нуль.

Применение оптосимисторов со схемой детектора нуля удобно использовать если требуется только включать или отключать нагрузку. Подойдут следующие модели: MOC3031 — MOC3033, MOC3041 — MOC3043, MOC3061 — MOC3063 и MOC3081 — MOC3083. Если необходим фазовый регулятор, например для изменения оборотов электродвигателя или управлять яркостью лампы, лучше применять оптосимистор без схемы детектора нуля, такие как MOC3020 — MOC3023.

В своих примерах я использую MOC3041, его внешний вид и обозначение с выводами.

Схема твердотельного реле на симисторе это типичная схема подключения, взятая из даташита MOC3041.

Для ограничение тока, протекающего через светодиод оптосимистора, необходимо подобрать резистор R1, который рассчитывается по формуле: R1 = (Uпит — Uled)/IF

Uпит — напряжение, которое будет использоваться для питания светодиода. Поскольку я буду управлять схемой от 5-вольтовой Ардуино, на её выводе будет присутствовать логическая единица с напряжением 5 вольт. В моём случае Uпит = 5 вольт.
Uled — падение напряжения на светодиоде оптосимистора. Падение составляет 1,5 В
IF — рабочий ток светодиода (берётся из даташита, значение IFT), для MOC3041 — 15 мА
R1 = (5 — 1.5) / 0.015 = 233 Ом. Берём ближайший номинал, с округлением в большую сторону, выходит 240 Ом.

Для того что бы как то наблюдать за наличием логической единицы, можно добавить индикаторный светодиод. В таком случае нужно пересчитать R1, суммируя падение напряжения на обоих светодиодах: R1 = (5 — (1.5 + 2)) / 0.015 = 100 Ом.

Если у вас будет использоваться Ардуино или другой микроконтроллер с логическими уровняли 3,3 В, номинал R1 пересчитываете для своего случая.

Связка R4-C1 снижает скорость нарастания напряжения на симисторе. Конденсатор C1 на 0,01 мкФ должен быть плёночным на 400В. Резистор R4 на 1Вт. Мощность R2, R3 от 0,5Вт.

Твердотельное реле на симисторе собранное собственноручно. На плате предусмотрел вариант установки более мощного симистора BTA41-600B и радиатора. Вместо перемычки на плате будет установлен предохранитель.

Радиатор применил от старого спутникового ресивера.

Вывод, который через R1 подключается к первой ножке оптосимистора, подключаем к любому цифровому пину Андуино. В моём примере это будет 7 пин.

Вывод от 2-й ножки оптосимистора (у меня подключено через индикаторный светодиод) подключаем к пину GND Ардуино.

Для работы с данным модулем подойдут те же скетчи, что использовались в статье про электромеханическое реле.

Скетч мигалка

Подключение тактовой кнопки.

Тактовая кнопка подключается с подтягивающим резистором 10к. Один контакт кнопки подключается к пину 5V, второй к любому цифровому пину Arduino, у меня это 14 пин, который может быть как аналоговым (А0), так и цифровым.

Скетч с тактовой кнопкой, при нажатии на неё лампочка загорится, при отпускании — погаснет.

Тактовая кнопка в качестве выключателя.

Данный скетч позволяет при нажатии на кнопку, зажечь лампочку, при отпускании кнопки, лампочка будет продолжать гореть. Для того что бы её погасить, нужно ещё раз нажать на кнопку.

Результат выполнения скетча на видео.

В отличии от электромеханического реле, здесь не получится использовать в качестве нагрузки дешёвую китайскую лампочку, в выключенном состоянии она будет тускло светится.

Простое твердотельное реле своими руками


Твердотельное реле, представляющее собой мощный тиристорный (симисторный) электронный ключ удобнее, надежнее, имеет значительно больший ресурс и работает бесшумно, по сравнению с традиционными электромагнитными реле. Такой ключ-реле не имеет подвижных частей, искрящих-пригорающих-изнашивающихся контактов. Не трудно сделать (даже в кустарных условиях) такое электронное реле любой мыслимой степени защиты (пыль, влажность, агрессивные среды). В большинстве случаев электронные ключи-реле с успехом применяются для коммутации нагрузки на переменном токе в строящихся приборах и аппаратах, модернизируя или ремонтируя старые приборы (применяя мощные электронные ключи) улучшаем их характеристики. Например, выход из строя примененных в множестве бытовой техники механических термостатов с биметаллическими изгибающимися контактами – очень частая причина поломок. Применив подобный электронный ключ мы разгружаем контактную группу штатного механического термостата, колоссально повышая его ресурс.
Здесь, реле-электронный ключ предназначено для управления электрическими нагревателями-спиралями в специальной печи небольшой мощности. Твердотельное реле управляется температурным контроллером имеющим специальный выход. Для сопряжения с контроллером применен транзисторный каскад. В целом, схема исполнительной части повторяет , отличаясь исполнением. Здесь, в качестве ключей применены симисторы в корпусах ТОР-3, что позволило сделать сборку вполне компактной.
Принципиальная схема твердотельного реле на симисторе. Здесь применен симистор ВТА-41, транзистор КТ315. Симисторная оптопара – МОС3020 (ток включения светодиода 30 мА). Цепочка С1, R3 предназначена для улучшения динамических характеристик симистора, меньшее из диапазона сопротивлений соответствует резистивной нагрузке ключа, большее – индуктивной. Резистор греется, лучше подобрать керамический, мощностью не менее 5 Вт. При необходимости, ключ может быть применен и для ручного включения, подобно , в этом случае транзисторный каскад удаляется, а на светодиод подается питание от маломощного сетевого блока. Такую схему исполнительного устройства можно применить и для контроллеров, не оснащенных специальным (для твердотельных реле) выходом. Достаточно, чтобы устройство управления имело обычный релейный выход, пусть и слабый. Нормально разомкнутую группу контактов штатного реле, следует при этом включить в разрыв питания светодиода.
В качестве радиаторов для симисторного ключа применены алюминиевые корпуса от отслуживших свой срок жестких дисков персонального компьютера. Они оказались вполне удобны для такого применения – преотлично нашлось место для крепления симистора, хорошо поместились и все детали высоковольтной части. Размер корпуса у HDD стандартен, имеются отверстия с нарезкой для специальных коротких саморезов. В ряде случаев, очень удобно применять и металлический корпус от старого системного блока. Модули симисторных ключей при этом монтируются на штатные места в специальную «корзину». Узко-высокий корпус-башню лучше проектировать для ее горизонтального положения, при этом все радиаторы с ключами внутри будут расположены вертикально, для нормального естественного охлаждения (не забыть про вентиляционные отверстия). Либо применять обдув и контроль температуры.
Мой блок управления будет трехфазным, это усложнит схему и увеличит громоздкость блока управления, зато втрое снизит проходящие токи, равномерно распределит греющиеся элементы (симисторы, элементы снабберов) и позволит задействовать пусть и перекошенную, но трехфазную деревенскую сеть.
Что понадобилось для работы.
Набор инструмента для электромонтажа, паяльник средней мощности (40…60 Вт) с принадлежностями, мультиметр, фен строительный или специальный для работы с термотрубками.
Набор инструмента для некрупных слесарных работ, ножницы по металлу, электрическая дрель или шуруповерт, набор сверл.
Материалы – отслужившие HDD, потребные радиоэлементы, крепеж, провод, мелочи
В своем электрическом хламе подобрал три гарантированно ненужных жестких диска, удалил платы контроллеров и механическую часть, оставил только крашеный порошковой краской алюминиевый поддон. В одном из вариантов HDD мотор дисков оказался насмерть запрессованным, оставил как есть, он не помешает.


Разметил места креплений для крупных элементов. Керамический 10 Вт резистор снаббера закрепил жестяной обоймой вырезанной из банки от сгущенного молока (съесть, отмыть, высушить, отрезать торцы, выровнять). Обоймы с резисторами закрепил винтиками М3 (+гайки-шайбы-стопоры).

Симисторы в выбранном месте прижал планками из нетонкого текстолита. Те же винтики М3 со всем сопутствующим, симистор изолировал от радиатора пластинкой из тонкой слюды. Под пластинку и под симистор плюхнул немного теплопроводящей пасты.

Весь электромонтаж велся короткими жесткими проводами – толстой медной луженой проволокой изолированной термотрубкой. Схема несложная, хватило выводов механически закрепленных элементов. Для более удобного подключения нагрузки, сделал от ножек симистора короткие проволочные выводы, сигнал управления подключается к выводам торчащей оптопары. Чтобы не путаться, незадействованный вывод откусил.

Испытания нагрузкой показали, что железка при работе с 2 кВт нагрузкой нагревается незначительно. Вместо сигнала управления зажигал светодиод оптопары от регулируемого БП, установив ток защиты 10 мА.


После проверки работоспособности каждого ключа, собрал трехфазный макет. Все три светодиода оптопар ключей (МОС3022, ток включения светодиода 10 мА) включены параллельно к одному транзисторному каскаду. Такое включение не рекомендуется – сложно достичь полной синхронности работы из-за неравенства, неидентичности оптопар. Мне пришлось применить оптопары имеющиеся. Из их большого количества отобрал три с одинаковыми измеренными параметрами светодиодов. Кроме того, возможной несинхронностью включения нагревателей в печи вполне можно пренебречь. Собственно, даже отказ одного из нагревателей скомпенсирует термоконтроллер.

Согласующий транзисторный каскад собран на отдельной некрупной платке и снабжен специальными проволочными выводами для винтовых клемм контроллера. Для уменьшения возни с травлением платку спроектировал так, чтобы границы между широкими контактными площадками легко и удобно прорезать бормашиной.
Контроллер для испытаний применил из временного состава миниатюрной печи для фьюзинга.
В качестве нагрузки-индикатора включил три 60 Вт лампы накаливания. Чтобы ничего не замкнуло в самый неподходящий момент, смонтировал все крупные элементы на живую нитку на куске ДСП. Пришлось к рабочему столу протянуть и все три фазы. Все отлично, все три включаются синхронно и надежно.

Как сделать простое реле своими руками из геркона и медной, изолированной проволоки, катушки. Самодельное электромагнитное реле на герконовом переключателе.

Видео по этой теме:

Бывают случаи когда нужно реле на определенное напряжение, а его нет в наличии. Это не проблема, ведь простой вариант электромагнитного реле можно сделать и своими руками. В этой статье предлагаю вам один из вариантов самодельного реле, которое я сам делал из геркона (герконового переключателя) и обычной катушки из медного провода. В моем случае мне понадобилось реле на относительно низкое напряжение, примерно 5 вольт. Под рукой был геркон, для тех кто не знает что это такое, то подскажу. Это электрический переключатель, который срабатывает при воздействии на него магнитного поля. То есть, когда мы берем обычный магнит и подносим его к такому герконовому переключателя, то его контакты замыкаются (хотя есть и перекидного типа, где средний контакт под воздействием поля с одного контакта перекидывается на второй).

Герконовые переключатели имеют широкую разновидность. Хотя даже относительно массивные герконы легко срабатывают от относительно небольшого магнитного поля. Так что для того, чтобы сделать простое реле достаточно на геркон намотать обычную катушку. Но тут имеются свои нюансы. Дело в том, что если катушка будет неправильно намотана (иметь слишком толстый провод или недостаточную длину), то вы рискуете получить нестабильную работу своего самодельного реле. Итак, чтобы не пользоваться какими-то сложными расчетами, то можно сделать так. Берем свой геркон. Поверх него желательно намотать бумажный каркас, зафиксировав его скотчем или клеем. Ну, а далее взять медный, изолированный провод (лакированный) диаметром около 0,1 мм (более тонкий будет сложнее мотать, большая вероятность его обрывов при намотке, хотя если делать аккуратно, то можно брать и более тонкий провод). Более толстый провод будет иметь большее количество витков и катушка в итоге массивнее станет. Хотя тоже можно.

Итак, взяли имеющийся провод. К одному концу изначально стоит припаять более толстый многожильный провод, который будет служить в роле одно из выводов катушки реле. После этого мы начинаем намотку. Поскольку намотка будет происходить методом подбора, то сначала берем длину провода где-то около двух метров. Намотали, далее второй конец этого провода (намотки) аккуратно зачистили и к нашей катушке кратковременно подали свое напряжение. Смотрим за качеством срабатывания герконового переключателя (если оно вообще есть), но более важным является нагрев этой катушки. Мы должны иметь такую катушку, с которой наш геркон будет четко срабатывать и при этом не должно быть никакого нагрева этой катушки при своей длительной работе. В крайнем случае допускается нагрев еле ощутимый.

Допустим у меня для постоянного напряжения в 5 вольт понадобилось около 15 метров обмоточной проволоки диаметром 0,1 мм. При этом я также производил намотку по частям. Намотал 2 метра, сделал проверку. Реле хорошо замыкалась и при двух метрах, но вот был значительный нагрев этой катушки. Далее к концу вывода аккуратно припаял очередной кусок провода в 2 метра, заизолировал место соединения. Опять намотал. Проверил. Нагрев есть, но уже меньше. И таким образом у меня вышло около 15 метров. При этом четкость срабатывания реле была достаточно хорошей, и имеющийся нагрев был очень мал, при длительной работе реле (при поданном на его катушку питающего напряжения). Когда катушка полностью намотана, то к выходному ее концу так же припаиваем небольшой кусок многожильного, изолированного провода, который будет служить вторым выводом катушки реле.

По поводу самих катушек стоит сказать следующее. Если взять две одинаковых катушки по длине но с разным диаметром провода, то у катушки с более толстым проводом будет больше сила тока. С одной стороны, чем больше ток, тем сильнее будет и электромагнитное поле катушки. Но и выделяемое тепло также будет больше. Помимо этого с увеличением толщины провода будет увеличиваться размеры самой катушки, что повлияет на общие размеры реле. И чтобы намотать нормальную катушку на реле, имея большой диаметр провода, нужно будет увеличить длину этого провода. А это помимо увеличения размеров катушки приведет еще и к излишнему расходу провода. Так что наиболее оптимальным вариантом будет использование провода диаметром около 0,1 мм.

P.S. Если все правильно и аккуратно сделать можно в результате получить достаточно качественное реле, которое будет работать не хуже покупного. Мне допустим это сделать удалось, реле, которое я получил было вполне хорошим. Оно имело относительно небольшие размеры, на нем практически отсутствовал нагрев при длительной работе этого реле, а также оно имело достаточно четкое срабатывание своих герконовых контактов. В общем, мое мнение, изготовление самодельного реле имеет практический смысл.

admin

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Наверх