Твердотельное реле своими руками
Транзисторное твердотельное реле
Твердотельное реле (ТТР) или Solid State Relay (SSR) — это электронные устройства, которые выполняют те же самые функции, что и электромеханическое реле, но не содержит движущихся частей. Серийные твердотельные реле используют технологии полупроводниковых устройств, таких как тиристоры и транзисторы.
То есть вместо подвижных контактов в ТТР используются электронные полупроводниковые ключи, в которых цепи управления имеют гальваническую развязку с силовыми, коммутируемыми цепями. Благо сейчас переключательных полевых транзисторов приобрести нет никаких проблем. Таким образом, для построения твердотельного реле нам потребуется MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) транзистор, русский эквивалент термина — МОП-транзистор или полевой транзистор с изолированным затвором, и оптрон. На страницах сайта есть статьи, посвященные транзисторным ключам с оптической изоляцией – «Транзисторный ключ переменного тока»
В данной статье рассмотрен ключ для коммутации переменного тока. Используя SMD компоненты по этой схеме можно изготовить ТТР переменного тока. Часть деталей монтируется на печатной плате, которая крепится к алюминиевой положке. Транзисторы устанавливаются на подложку через слюдяные прокладки. Конденсатор С1 лучше брать или танталовый или керамический. Его емкость можно уменьшить.
Еще одна статья – «Транзисторный ключ с оптической развязкой»
В этой схеме к качестве коммутирующих транзисторов используются биполярные транзисторы разных структур.
Есть еще одна схема гальванически развязанного ключа на моп-транзисторе с защитой от предельного тока нагрузки. О нем шла речь в статье «Mощный ключ постоянного тока на полевом транзисторе»
Все это хорошо, если напряжения, с которыми работают ТТР реализованные на MOSFET, позволяют управлять этими полевыми транзисторами. А как быть с коммутацией напряжения, например 3,3 вольта. Для открывания полевого транзистора этого напряжения явно не достаточно. Нужен какой-то преобразователь, способный поднять напряжение управления хотя бы до пяти вольт. Классический импульсный преобразователь использовать для реле – слишком громоздко. Но есть другие преобразователи – оптические, например — TLP590B.
Такие преобразователи на выходе обеспечивают напряжение порядка 9 вольт, что вполне достаточно для управления моп-транзисторами. Из документации на эти преобразователи видно, что они очень маломощные и способные отдать на выходе ток всего лишь порядка 12мкА. У моп-транзисторов есть такой параметр – Заряд затвора – Qg. Пока затвор данного транзистора не получит необходимый заряд – транзистор не начнет открываться. Скорость заряда зависит от тока, который может обеспечить цепь управления, чем больше ток управления, тем быстрее затвор получает необходимый заряд, тем быстрее открывается транзистор. Тем меньше будет время, когда коммутирующий транзистор будет находиться в активной зоне выходной характеристики – тем меньше на нем будет выделяться тепла. Но в нашем случае, когда транзистор работает не в преобразователе, на относительно высоких частотах, а в качестве реле, вкл – выкл, ток в 12 мкА будет достаточен. Правда лучше конечно выбирать ключевые транзисторы с малым зарядом затвора. Например.
Этот транзистор способен коммутировать напряжение 600В при токе стока 7А. Мощность стока при температуре +25 С — 100Вт. При этом заряд затвора Qg всего 8,2 нанокулона = 8,2nC. Для сравнения популярный транзистор IRF840 имеет Qg = 63nC.
Для управления низковольтными нагрузками можно применить транзистор irlr024zpbf. При данных режимах измерения ток стока – 5А, напряжение сток – исток – 44В, напряжение затвор – исток -5В, имеет типовое значение заряд затвора Qg = 6,6nC.
Но у меня таких транзисторов нет и я для реле использовал транзисторы IRL2505 с каналом типа n. У данного транзистора Qg = 130nC !
Другой транзистор с каналом типа р — IRF4905, у этого транзистора максимальный Qg = 180nC !!!
Схему собрал самую простую, ту что на рисунке 4
В качестве коммутирующего транзистора в этой схеме использован транзистор IRF4905 с каналом – р. Транзистор не был снабжен теплоотводом и в открытом состоянии нагревался до +60˚С при токе 2А. Напряжение 3,3В коммутировал нормально. Теперь, имея в своем распоряжении такой преобразователь, что нам мешает использовать в положительном проводе питания и транзистор с каналом n?
Результат превзошел мои ожидания. Транзистор IRF2505 без радиатора практически не грелся при токе нагрузки 4А. при напряжении на нагрузке 12,6 В В обоих экспериментах ток управления я выставил примерно 10 мА. Максимальный ток светодиода по документам – 50 мА. Больше 10 мА не стоит увеличивать ток – практически ни чего не меняется. Я очень доволен таким реле. Если описать параметры этой релюхи, применительно к электромагнитному реле, то они были бы такими. Напряжение срабатывания – какое хочешь ! Только подбирай R2. Ток срабатывания – 10 мА. Ток и напряжение коммутации – какое хочешь !!! (В разумных пределах конечно)Только подбирай транзисторы. Не слабо. Хотелось бы проверить данные устройства с коммутацией емкостных и индуктивных нагрузок. Это позже. Пока искал буквы на клавиатуре, пришла еще одна мысль. Если транзистор поставить в диагональ диодного моста, то можно коммутировать переменные напряжения. Таким реле можно коммутировать обмотки трансформаторов. Пока все. Всем удачи. К.В.Ю.
13 комментариев к “Твердотельное реле своими руками”
Преобразователь нужен но лишь для изоляции а управлять нужно оптроном.
Интересно...
Откуда возникнет положительный потенциал на шестой ножке оптопары, рисунок 5, если транзистор закрытый? Из воздуха что-ли. И резистор R1 надо подключить до транзистора.
И второе... Если мосфет открывается положительным потенциалом, то его затвор должен быть подтянут к отрицательному потенциалу, для его закрытия (рисунок 4)!
Привет, Виталий. Возникнет положительный потенциал на шестой ножке оптопары потому, что фотодиоды данного оптрона работают в фотовольтаическом режиме." Получается, что из воздуха! И резистор R1 надо подключить до транзистора." — это как?
2) Рис. 4. На данной схеме мосфет имеет канал р и открывается отрицательным потенциалом.
Добрый вечер.
Сегодня повторил на макетной плате Ваши схемы.
Рисунок 4.
В качестве Р-канального мосфета был использован IRF9Z24N, вместо TLP590B использовал
PC817. Схема не заработала! После того, как подключил R2 между затвором и минусом
питания, схема заработала как нормально замкнутое реле. При отсутствии управляющего питания
на входе оптопары, на нагрузку поступает напряжение питания схемы.
При подаче сигнала на вход оптопары — питание на нагрузку отключается.
Рисунок 5.
В качестве N-канального мосфета задействовал IRF1010E, оптопара — PC817.
Это фиаско! Схема не заработала...
Подключаем IRF1010E по схеме рис.4: G (Gate) — 4 вывод оптопары; D (Drain) — плюс питания;
S (Source) — плюс нагрузки. R2 — G (Gate) и минус питания.
Схема заработала как нормально разомкнутое реле.
При подаче питания на вход оптопары — подается питание на нагрузку.
При отключении питания на оптопаре — питание на нагрузку отключается.
Как-то так.
Привет, Виталий. Ну так нельзя! Сначала надо было удостовериться в аналогах TLP590B, прочитать, что вообще это такое, а потом уже и эксперименты ставить. По моему ты так мой ответ и не понял. «Фотодиоды данного оптрона работают в фотовольтаическом режиме!»
Добрый день.
Рассмотрел график включения и выключения TLP590B. При подаче сигнала на вход этой оптопары, фотодиоды переходят в режим насыщения и начинают пропускать через себя ток. Насыщение достигается при 5в. При этом присутствует tON (время включения). Соответственно при отключении сигнала на входе — tOFF (время отключения).
Даже если применить эту оптопару — схемы не заработают, она работает по принципу: есть сигнал на входе — открывается выход и наоборот!
Не вижу смысла использовать TLP590B, так-как PC817 является распространенной оптопарой и легко доступной.
«Даже если применить эту оптопару — схемы не заработают, она работает по принципу: есть сигнал на входе — открывается выход и наоборот!» — А пробовал применять? Ты даже не удосужился узнать, что такое фотовольтаический режим. В этом режиме работают полупроводниковые структуры в солнечных батареях. Данная микросхема и есть маленькая «солнечная батарея». Когда светится светодиод — фотодиоды начинают сами вырабатывать напряжение, которое используется для управления затворами MOSFET.
Добрый день, удивляюсь комментариям — Человеков КОТОРЫЕ НЕ В ЗУБ НОГОЙ! А в Электронику Лезут!!!
Привет, Алексей. Но и мы сначала были такими. Когда я начинал (1968г — 8 класс.) у меня все схемы делились на СВР и СВН — собрал, включил, работает — значит схема зашибись. Собрал, включил, не работает — хреновая схема. Может так и продолжалось бы, но однажды, дед мой проникнувшись моим хобби, не спросил:"А может быть дело то не в схемах, а в уровне твоего развития по данной теме". До сих пор стыдно — как же сам то до этого не додумался. А, как я в то время ругал авторов схем! Виноваты были все, кроме себя любимого. Короче пошел я сперва учиться на радио-телемеханика в ПТУ. Дальше — больше. Потом оборонка, работа с разработчиками. Сейчас я иногда для интереса повторяю схемы других авторов, сейчас деление схем другое. СВРН — собрал, включил, работает, неинтересно, и СВРИ. Я иногда удаляю уж совсем дебильные комментарии, ну, например, «Собрал, не работает, куда копать?». Такие товарищи берутся за повторение конструкции даже не разобравшись в принципе ее работы, т.е. им и статью то лень прочитать, они же умные, не говоря уже о документации на элементы схемы. Может и до них дойдет, что не работающая схема — это повод задуматься об уровне своих знаний. И спасибо за комментарий.
Хорошая статья, поучительная для начинающих. От себя добавлю- аналог это не на 100% клон.
Я на К294ПП1ВР9 собрал, отличная штука получилась. Спасибо за наводку
Здравствуйте!
Можете оказать платную консультацию по подбору твердотельного реле? Есть сварочный аппарат, 12 кВт, питание 3 фазы 380 вольт. Сейчас включаю/выключаю с помощью магнитного пускателя. Хочу заменить пускатель на полупроводниковый ключ.
Привет, Михаил. В сое время я на работе делал ключ для бойлера на 15 кВт. Ключ был тиристорный, самый простой и надежный. Сейчас можно приобрести оптосимисторы и коммутировать их с помощью низкого напряжения. Но лучше каждую фазу коммутировать двумя встречно включенными тиристорами, например Т142-40, симисторы очень капризны при отрицательных температурах. Тиристоры управляются при помощи оптронов, например, moc3061 и др. Не советую в ответственных схемах использовать китайскую х...ню.