Pevnofázové relé svépomocí: návod na sestavení a rady pro připojení

Polovodičové relé (SSR) je přístroj z řady elektronických součástek bez mechanického působení. Absence mechaniky otevírá větší možnosti nadšencům elektroniky vyrobit si polovodičové relé vlastníma rukama pro osobní použití.

Podívejme se na tuto možnost podrobněji.

Konstrukce a princip činnosti SSR

Zatímco většina podobné elektroniky tradičně obsahuje pohyblivé části kontaktních skupin, polovodičové relé takové díly nemá vůbec. Spínání obvodu se v zapojení zařízení provádí na principu elektronického spínače. A roli elektronických spínačů obvykle plní polovodiče zabudované do těla relé – výkonové tranzistory, triaky, tyristory.

Než se pokusíte vyrobit polovodičové relé samostatně, je logické seznámit se se základní konstrukcí takových zařízení a pochopit princip jejich fungování.

Průmyslová výroba nabízí polovodičová relé různých konfigurací určená pro nejrůznější podmínky praktického použití. Výběr modifikací je široký.

V rámci důkladného studia přístroje je třeba ihned zdůraznit výhody SSR:

• spínání výkonné zátěže;
• vysoká rychlost přepínání;
• dokonalé galvanické oddělení;
• schopnost krátkodobě snášet vysoká přetížení.

Mezi mechanickými konstrukcemi není reálně možné najít relé s podobnými parametry. Celkově jsou výhody polovodičových relé oproti mechanickým protějškům vyjádřeny působivým seznamem.

Dva elektronické přístroje funkčně zajišťující spínání obvodů: vlevo je proveden na bázi polovodičové konstrukce, vpravo – tradiční mechanický spínací systém.

Provozní podmínky pro SSR prakticky neomezují použití těchto zařízení. Navíc absence pohyblivých mechanických částí příznivě ovlivňuje životnost přístrojů. Takže existují všechny důvody, abyste se pustili do polovodičového relé – sestavit zařízení vlastníma rukama.

Nicméně, pro spravedlnost, vedle pozitivních aspektů je třeba zmínit vlastnosti relé, které jsou charakterizovány jako nedostatky. Například pro provoz výkonných zařízení je obvykle vyžadována další konstrukční součástka, která je určena k odvodu tepla.

Pro spínání výkonné zátěže jsou polovodičová relé prakticky vždy doplněna výkonnými chladiči. Tento aspekt poněkud komplikuje použití SSR.

Chladiče polovodičových relé mají rozměry několikanásobně větší než rozměry SSR, což snižuje pohodlí a racionalitu montáže.

SSR zařízení během provozu (v uzavřeném stavu) vykazují zpětný svodový proud a nelineární voltampérovou charakteristiku. Ne všechna polovodičová relé lze používat bez omezení v charakteristikách spínaných napětí.

Konstrukce pro použití pouze v obvodech, kde je napájení stejnosměrným proudem. Obvykle se tato zařízení vyznačují malými rozměry a malým spínacím výkonem.

Některé typy zařízení jsou určeny pouze pro spínání stejnosměrného proudu. Zavedení polovodičových relé do obvodu obvykle vyžaduje další opatření zaměřená na blokování falešných sepnutí.

Polovodičová relé lze často nalézt v hlavním elektrickém rozvaděči bytu.

Jak funguje polovodičové relé?

Řídicí signál (obvykle nízké napětí, například z řídicího regulátoru) je přiveden na LED optoelektronického páru, který je součástí obvodu SSR. LED začne vyzařovat světlo směrem k fotodiodě, která se následně otevře a začne propouštět proud.

Obecné schéma SSR, názorně znázorňující způsob fungování elektronického zařízení: 1 – zdroj řídicího napětí; 2 – optočlen uvnitř pouzdra relé; 3 – zdroj proudu zátěže; 4 – zátěž

Proud procházející fotodiodou přichází na řídicí elektrodu spínacího tranzistoru nebo tyristoru. Spínač se otevře a uzavře obvod zátěže.

Takto funguje spínací funkce zařízení. Celá elektronika je tradičně uzavřena v monolitickém pouzdře. Právě proto zařízení získalo název polovodičové relé.

A o tom, jak připojit polovodičové relé, si můžete přečíst v tomto materiálu.

Druhy polovodičových spínačů

Celý stávající sortiment zařízení lze orientačně rozdělit do skupin podle kategorie připojované zátěže, charakteristik řízení a spínání napětí.

Tím pádem existují celkem tři skupiny:

1. Zařízení pracující v obvodech stejnosměrného proudu.
2. Zařízení pracující v obvodech střídavého proudu.
3. Univerzální konstrukce.

První skupinu tvoří přístroje s parametry pracovních řídicích napětí 3 – 32 voltů. Jedná se o relativně malou elektroniku vybavenou LED indikací, schopnou bezporuchového provozu při teplotách -35 / +75 °C.

Široce rozšířené provedení elektronického přístroje pro použití v jednofázové elektrické síti. Existují i jiné varianty konstrukcí, ale výrazně méně často.

Druhá skupina – zařízení určená pro instalaci do sítí střídavého napětí. Zde jsou uvedeny konstrukce SSR pro instalaci do sítí střídavého proudu, řízené napětím 24 – 250 voltů. Existují zařízení schopná spínat zátěž o vysokém výkonu.

Třetí skupina – zařízení univerzálního určení. Obvodové řešení tohoto typu zařízení podporuje ruční nastavení pro použití v různých podmínkách.

Pokud se vychází z charakteru připojované zátěže, je třeba rozlišit dva typy polovodičových relé pro střídavý proud: jednofázové a třífázové. Oba typy jsou určeny pro spínání dostatečně výkonné zátěže při proudech 10 – 75 A. Špičkové krátkodobé hodnoty proudu mohou dosahovat až 500 A.

Široce rozšířená varianta provedení pro použití v třífázové elektrické síti. Často se používá jako lineární regulátor výkonných elektrických ohřívačů (topných těles).

Jako zátěž spínaná polovodičovými relé mohou sloužit kapacitní, odporové a indukční obvody. Konstrukce spínačů umožňují bez zbytečného hluku plynule řídit například topné články, žárovky, elektromotory.

Spolehlivost provozu je v dostatečné míře vysoká. Ale stabilita a životnost polovodičových relé do značné míry závisí na kvalitě výroby. Například zařízení vyráběná pod jakousi obchodní značkou „Impuls“ se často vyznačují krátkou životností.

Na druhou stranu výrobky firmy „Schneider Electric“ nedávají důvod ke kritice.

Jak vyrobit SSR vlastníma rukama?

Vzhledem ke konstrukční zvláštnosti přístroje (monolit) se obvod nesestavuje na desce plošných spojů, jak je obvyklé, ale volnou montáží.

Takto vypadá vlastnoručně vyrobené polovodičové relé. Udělat něco podobného není složité. Stačí jen základní dovednosti elektronika a elektrikáře. Materiálové náklady jsou malé.

Obvodových řešení v tomto směru lze nalézt mnoho. Konkrétní varianta závisí na požadovaném spínaném výkonu a dalších parametrech.

Elektronické součástky pro sestavení obvodu

Seznam prvků jednoduchého obvodu pro praktické osvojení a stavbu polovodičového relé svépomocí je následující:

1. Optočlen typu MOC3083.
2. Triak typu BT139-800.
3. Tranzistor řady KT209.
4. Rezistory, Zenerova dioda, LED.

Všechny uvedené elektronické součástky se pájejí povrchovou montáží podle následujícího schématu:

Schéma zapojení nízkovýkonového polovodičového relé pro vlastní montáž. Malý počet součástek a jednoduchá povrchová montáž umožňují snadné pájení obvodu.

Díky použití optočlenu MOC3083 v obvodu generování řídicího signálu se může vstupní napětí měnit od 5 do 24 voltů.

A díky řetězci tvořenému Zenerovou diodou a omezovacím rezistorem je proud procházející kontrolní LED snížen na minimum. Toto řešení zajišťuje dlouhou životnost kontrolní LED.

Ověření funkčnosti sestaveného obvodu

Sestavený obvod je třeba zkontrolovat na funkčnost. Není nutné připojovat napětí zátěže 220 V do spínacího obvodu přes triak. Stačí paralelně ke spínací lince triaku připojit měřicí přístroj – tester.

Kontrola funkčnosti polovodičového relé pomocí měřicího přístroje. Pokud je na vstup zařízení přivedeno řídicí napětí, přechod triaku by měl být otevřený.

Režim měření testeru je třeba nastavit na „MΩ“ a přivést napájení (5-24 V) na obvod generování řídicího napětí. Pokud vše funguje správně, tester by měl ukázat rozdíl odporů od „MΩ“ do „kΩ“.

Konstrukce monolitického pouzdra

Pro základnu pouzdra budoucího polovodičového relé bude potřeba hliníkový plech o tloušťce 3-5 mm. Rozměry plechu nejsou kritické, ale musí odpovídat podmínkám účinného odvodu tepla z triaku při zahřívání této elektronické součástky.

Kostra pro zalití pouzdra budoucího zařízení. Vyrábí se z kartonového proužku nebo jiných vhodných materiálů. Na hliníkovou podložku se připevňuje univerzálním lepidlem.

Povrch hliníkového plechu musí být rovný. Dále je nutné obě strany upravit – očistit jemným brusným papírem a vyleštit.

V další fázi se připravený plech opatří „bedněním“ – po obvodu se nalepí okraj z pevného kartonu nebo plastu. Měla by vzniknout jakási krabice, která bude později zalita epoxidovou pryskyřicí.

Do vytvořené krabice se vloží sestavený elektronický obvod polovodičového relé s povrchovou montáží. Na povrch hliníkového plechu se umístí pouze triak.

Upevnění triaku na hliníkovou podložku. Hlavní podmínkou je, že tato elektronická součástka musí být pevně přitlačena ke kovové základně. Pouze tak je zajištěn kvalitní odvod tepla a spolehlivost provozu.

Žádné jiné součástky a vodiče obvodu se nesmí dotýkat hliníkového substrátu. Triak se přikládá k hliníku tou částí pouzdra, která je určena pro montáž na chladič.

Je nutné použít tepelně vodivou pastu na ploše styku pouzdra triaku a hliníkového substrátu. Některé značky triaků s neizolovaným anodou je nutné namontovat přes slídové těsnění.

Varianta upevnění triaku k substrátu pomocí nýtu. Na zadní straně je nýt zploštělý v jedné rovině s povrchem substrátu.

Triak je třeba pevně přitisknout k základně nějakým závažím a zalít po obvodu epoxidovým lepidlem, nebo upevnit nějakým způsobem, aniž by byla narušena rovnost zadní strany substrátu (například nýtem).

Příprava kompaundu a zalití pouzdra

Pro výrobu tuhého tělesa elektronického zařízení bude nutné připravit kompoundní směs. Složení kompoundní směsi je založeno na dvou složkách:

1. Epoxidová pryskyřice bez tvrdidla.
2. Prášek alabastru.

Díky přidání alabastru řeší technik hned dva úkoly – získává dostatečný objem zalévacího kompoundu při nominální spotřebě epoxidové pryskyřice a vytváří zalití optimální konzistence.

Směs je třeba důkladně promíchat, poté lze přidat tvrdidlo a znovu důkladně promíchat. Poté se opatrně zalije „závěsná“ montáž uvnitř kartonové krabice vytvořeným kompoundem.

Takto vypadá hotový exemplář polovodičového relé sestaveného vlastníma rukama. Je poněkud neobvyklý a nepříliš reprezentativní, ale dostatečně spolehlivý.

Zalévání se provádí až po horní úroveň, přičemž na povrchu zůstane pouze část hlavy kontrolní LED. Zpočátku může povrch kompoundu vypadat ne zcela hladký, ale po nějaké době se obraz změní. Zbývá pouze počkat na úplné zatvrdnutí odlitku.

V podstatě lze použít jakékoli vhodné roztoky pro odlévání. Hlavním kritériem je, že zalévací směs nesmí být elektricky vodivá a po zatvrdnutí musí mít odlitek dobrou tuhost. Litý kryt polovodičového relé je svým způsobem ochranou elektronického obvodu proti náhodnému fyzickému poškození.

Závěry a užitečné video k tématu

Toto video ukazuje, jak a na základě jakých elektronických součástek lze vyrobit polovodičové relé. Autor srozumitelně vypráví o všech detailech výrobní praxe, se kterými se osobně setkal při výrobě elektronického spínače:

Video o problému, se kterým se lze setkat po zakoupení jednofázového SSR u prodejců z Číny. Zároveň podává jakýsi přehled zařízení spínacího přístroje:

Samostatná výroba polovodičových relé – je zcela možné řešení, ale pouze pro zařízení určená pro nízkonapěťovou zátěž odebírající relativně malý výkon.

Vyrobit si vlastnoručně výkonnější a vysokonapěťové přístroje je obtížné. A finančně by tato akce vyšla na stejnou částku, za jakou se prodává tovární exemplář. Takže v případě potřeby je jednodušší koupit hotový průmyslově vyrobený přístroj.

Pokud máte dotazy ohledně montáže polovodičového relé, zeptejte se prosím v bloku s komentáři, a my se pokusíme poskytnout co nejsrozumitelnější odpověď. Tam také můžete sdílet zkušenosti s vlastní výrobou relé nebo poskytnout cenné informace k tématu článku.