Меню

Логическое реле своими руками

Твердотельное реле своими руками

Для многих схем силовой электроники твердотельное реле стало не просто желательно но и необходимо. Их преимущество – в количестве срабатываний несоизмеримо больших, по сравнению с электромеханическими, на порядок (а на практике и того больше).

До изготовления твердотельного реле я обычно изготавливал цепочки из симистора и схемы управления с гальванической развязкой типа симистороной оптопары MOC30***. Для примера будем использовать следующие (базовые) компоненты:


Рис 1

Для симистора, в обязательном порядке, делаем промежуточный слой между спинкой корпуса и подложкой из теплопроводной пасты марки КПТ-8. Если у симистора анод не является изолированным, необходима также изоляционная прокладка, например из пластинки слюды, вырезанной по размеру корпуса и обработанной пастой КПТ с обеих сторон (все элементы схемы не должны иметь электрического контакта с подложкой!). Далее, прижав корпус симистора, фиксируем его на подложке с помощью клеевого пистолета (рис 2).

Укладываем остальные части схемы, обращая внимание, чтобы они не касались металлической подложки, а находились как бы «на весу». Готовим компаунд для заливки формы в отдельной емкости. Для этого основной компонент эпоксидки смешиваем с порошком алебастра, не добавляя пока отвердитель. Следует отметить, что алебастр добавляем не только для увеличения объема компаунда, но и для снижения текучести эпоксидки. В противном случае раствор ЭДП будет вытекать через мельчайшие отверстия в форме. Добавляем отвердитель к полученной массе компаунда и вновь перемешиваем. Масса должна сохранять текучесть. Заполнив форму не следует беспокоиться об образовавшихся неровностях на поверхности брикета. (рис 3).

Если расположить его на горизонтальной поверхности, то силы гравитации сделают поверхность достаточно гладкой в течении получаса (рис 4) и имеющую цвет светлого кофе. Автор далек от мысли, чтобы настаивать на указанных материалах и технологии, как единственно возможной. Наверняка, например, подойдет использование клея типа «жидкие гвозди» или полиуретановая пена в качестве компаунда, лишь бы материал обладал низкой электропроводностью и достаточной электрической прочностью.

Но более эффективны в этом случае схемы с питанием данной цепи источником тока [ 2, 3 ].

Следуя рекомендациям указанных источников, построим схему с питанием стабильным током в диапазоне 7—14 мА и в диапазоне питающих напряжений 4—24В.


Рис 2

Освоив данную технологию и «набив руку», без сомнения, можно изготавливать твердотельные реле в больших количествах словно «горячие пирожки».

Литература:

Источник

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 [1], 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 [2], 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.

Читайте также:  Красивые куклы шкатулки своими руками

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.

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.

Источник

Управление мощной нагрузкой с Arduino

Как вы уже знаете из урока о питании, Ардуино (микроконтроллер) является логическим устройством, то есть по своей сути может только раздавать сигналы другим устройствам. Это касается в первую очередь управления нагрузкой: от пина МК можно запитать максимум светодиод или простенький модуль/микросхему с током потребления не более 20 мА (максимум 40 мА, но на таком токе напряжение просядет и стабильная работа не гарантируется). Если вам захочется управлять светодиодной лентой, электромагнитным клапаном, моторчиком или сетевым обогревателем – понадобится промежуточное устройство, такое как реле или транзистор. Давайте обо всем по порядку.

“Универсальное” электромагнитное реле

Электромагнитное реле является по сути управляемым механическим выключателем: подали на него ток – оно замкнуло контакты, сняли ток – разомкнуло. Контакты являются именно контактами: металлическими “пятаками”, которые прижимаются друг к другу. Именно поэтому такое реле может управлять как нагрузкой постоянного, так и переменного тока.

Сама катушка реле является неслабой индуктивной нагрузкой, что приводит к дополнительным проблемам (читай ниже), поэтому для управления “голым” реле нам понадобится дополнительная силовая и защитная цепь.

После изучения данного урока вы сами сможете её составить (транзистор и диод), а сейчас мы поговорим о модулях реле: готовая плата, на которой стоит само реле, а также цепи коммутации, защиты и даже оптическая развязка. Такие модули бывают “семейными” – с несколькими реле на борту. Спасибо китайцам за это! Купить можно на Aliexpress, также смотрите варианты у меня в каталоге ссылок на Али.

Такое реле сделано специально для удобного управления с микроконтроллера: пины питания VCC (Vin, 5V) и GND подключаются к питанию, а далее реле управляется логическим сигналом, поданным на пин IN. С другой стороны стоит клеммник для подключения проводов, обычно контакты подписаны как NO, NC и COM. Это общепринятые названия пинов кнопок, переключателей и реле:

Подключение нагрузки через реле думаю для всех является очевидным:

Важный момент: катушка реле в активном режиме потребляет около 60 мА, то есть подключать больше одного модуля реле при питании платы от USB не рекомендуется – уже появятся просадки по напряжению и помехи:

На плате, справа от надписи High/Low trigger есть перемычка, при помощи которой происходит переключение уровня.

Электромагнитное реле имеет ряд недостатков перед остальными рассмотренными ниже способами, вы должны их знать и учитывать:

Важный момент связан с коммутацией светодиодных светильников и ламп, особенно дешёвых: у них прямо на входе стоит конденсатор, который при резком подключении в цепь становится очень мощным потребителем и приводит к скачку тока. Скачок может быть настолько большим, что 15-20 Ваттная светодиодная лампа буквально сваривает контакты реле и оно “залипает”! Данный эффект сильнее выражен на дешёвых лампах, будьте с ними аккуратнее (за инфу спасибо DAK).

Читайте также:  Кошачий лежанка своими руками

При помощи реле можно плавно управлять сильно инерционной нагрузкой, такой как большой обогреватель. Для этого нужно использовать сверхнизкочастотный ШИМ сигнал, у меня есть готовая библиотека. Не забываем, что реле противно щёлкает и изнашивается, поэтому для таких целей лучше подходит твердотельное реле, о котором мы поговорим ниже.

Постоянный ток

Оптопара

Оптопара – отличный элемент, позволяет выполнять две функции: коммутировать нагрузку (пусть и небольшую) и полностью физически развязывает микроконтроллер с ней. Оптопары можно использовать для имитации нажатия кнопок у других внешних устройств, то есть замыкать чисто логический сигнал. Также можно использовать для разрывания питания различных датчиков и модулей в устройстве вместо транзистора.

Оптопара состоит из двух частей: светодиод, который мы включаем при помощи микроконтроллера, и выходная часть, которая может быть разной (транзистор, симистор и проч.), таким образом сигнал с микроконтроллера отделяется от нагрузки через луч света, что очень важно при коммутации высоковольтных или каких-то чувствительных цепей. Для управления внешними устройствами надо брать оптопары с транзисторным выходом, например очень распространённую PC814 и её аналоги (FOD814, LTV814 и прочие), при желании можно выковырять почти из любого блока питания. Данная оптопара позволяет коммутировать нагрузку с напряжением до 60 Вольт и током до 50 мА. Покажу вырезку из даташита с этими параметрами, у остальных оптопар параметры будут называться точно так же:

Подключается оптопара следующим способом: светодиодом мы управляем с МК через резистор, а выход подключаем в разрыв нагрузки, соблюдая полярность. Что касается светодиода на управляющем входе оптопары – для него нужен резистор, как считать резистор для светодиода было рассказано в уроке про светодиоды. В большинстве случаев достаточно поставить резистор на 220 Ом, как и для любых светодиодов. Если ток светодиода будет меньше указанного, соответственно уменьшится максимальный ток выхода, что для этой оптопары уже критично (светодиод хочет аж 50 мА). Оптопара не предусмотрена для управления большой нагрузкой, обычно это коммутация других логических цепей, поэтому о токе можно не думать.

Подключение нагрузки (условный нагрузочный резистор):

Для управления “кнопкой” другого устройства (фотоаппарат, кофемашина) достаточно подключить оптопару параллельно кнопке. Во избежание замыкания оптопары на кнопку (что сожгёт оптопару) желательно поставить защитный резистор с номиналом 200-1000 Ом. Тут будет две схемы, по сути одинаковые. Перед подключением нужно проверить мультиметром, где у кнопки “плюс”, а где “минус”, так как выход с оптопары у нас полярный.

Существует также интересная оптопара TLP172 с мосфетным выходом, причём неполярным (может коммутировать нагрузку в любую сторону)! Управляет напряжением до 60 Вольт при токе до 400 мА – уже вполне серьёзная игрушка.

Транзистор

Самый компактный способ управлять нагрузкой постоянного тока – транзистор. Транзисторы бывают биполярные и полевые (MOSFET, полевик, ключ). Биполярные уже морально и физически устарели, имеют много характеристик и требуют дополнительного изучения темы, поэтому мы рассмотрим только полевые транзисторы. Схема типовая и выглядит вот так:Или вот так, конкретно для корпуса to220. Также на этой схеме плата Ардуино питается от внешнего источника в пин Vin:Полевики бывают и в других корпусах, для подключения по первой принципиальной схеме нужно загуглить распиновку (pinout) на свой конкретный транзистор. Но в основном там всё обстоит вот так:Что за резисторы? Резистор на 100 Ом (можно ставить в диапазоне 100-500 Ом) выполняет защитную функцию: затвор полевика представляет собой конденсатор, в момент открытия затвора конденсатор начнёт заряжаться и в цепи пойдёт большой ток (практически короткое замыкание), который может повредить пин Ардуино. Резистор просто ограничивает ток в цепи пин-затвор и спасает пин от скачков тока. В целом можно его не ставить, но когда-нибудь оно обязательно сломается =)

Резистор на 10 кОм (можно ставить в диапазоне 5-50 кОм) выполняет подтягивающую функцию для затвора. Если случится так, что плата Ардуино выключена или сигнальный провод от неё отвалился – на затвор будут приходить случайные наводки и он может случайно открыться. Если в этот момент будет подключен источник питания – нагрузка тоже включится! Восстание машин начнётся именно с этого момента. Подтягивающий к GND резистор позволяет “прижать” затвор, чтобы он не открылся сам по себе. Имеет смысл ставить его прямо на корпус транзистора, если монтаж производится навесом:Я привёл схему, в которой используется N-канальный полевой транзистор, который управляет линией GND. Существуют также P-канальные мосфеты, они управляют линией питания. Такие транзисторы в целом дороже, реже встречаются и имеют высокий порог напряжения открытия, т.е. для их работы придётся ставить ещё один транзистор (биполярный) и с его помощью подавать более высокий сигнал от внешнего источника на затвор P-канального полевика. Поэтому в 99% случаев просто используют более удобные N-канальные ключи.

Как выбрать транзистор для своей задачи? Первым делом смотрим на напряжение открытия транзистора (как читать график в даташите – см. видео урок ниже), 100% подойдёт транзистор с пометкой Logic Level в описании или даташите: такие мосфеты точно будут работать на полную катушку от пина МК. Само собой ток и напряжение должны соответствовать (взяты с запасом) для нагрузки, которую будет коммутировать мосфет. Есть ещё параметр сопротивление открытого канала, на этом сопротивлении будет падать напряжение и превращаться в тепло. Для мощных нагрузок нужно рассматривать полевики с низким сопротивлением канала, чтобы сильно не грелись. Приведу свой список мосфетов в двух основных корпусах: выводной to220 и dpack для поверхностного монтажа, в нём “Ток при 3V” и “Ток при 5V” означает максимальный ток через транзистор (на нагрузку) в Амперах при управлении логическим сигналом 3 и 5 Вольт. Максимальное напряжение для нагрузки смотрите у конкретного транзистора, но у всех оно выше 24V. “R” – сопротивление открытого канала в миллиомах (10^-3 Ом). Также полевики отсортированы по увеличению цены в российских магазинах =)

Читайте также:  Лиф бюстье своими руками

Корпус to220

Маркировка R, мОм Ток при 3V Ток при 5V
IRF3704ZPBF 7.9 10 120
IRLB8743PBF 3.2 20 >100
IRL2203NPBF 7 30 >100
IRLB8748PBF 4.8 10 >100
IRL8113PBF 6 40 >100
IRL3803PBF 6 20 >100
IRLB3813PBF 1.95 20 >100
IRL3502PBF 7 >100 >100
IRL2505PBF 8 20 >100
IRF3711PBF 6 80 >100
IRL3713PBF 3 20 >100
IRF3709ZPBF 6.3 40 >100
AUIRL3705N 6.5 20 >100
IRLB3034PBF 1.7 >100 >100
IRF3711ZPBF 6 20 >100

Корпус dpak

Маркировка R, мОм Ток при 3V Ток при 5V
STD17NF03LT4 50 5 40
IRLR024NPBF 65 4 20
IRLR024NPBF 40 5 40
IRLR8726PBF 6 10 110
IRFR1205PBF 27 10
IRFR4105PBF 45 10
IRLR7807ZPBF 12 10 100
IRFR024NPBF 75 8
IRLR7821TRPBF 10 11 100
STD60N3LH5 8 30 160
IRLR3103TRPBF 19 11 100
IRLR8113TRPBF 6 40 110
IRLR8256PBF 6 10 110
IRLR2905ZPBF 13 100
IRLR2905PBF 27 20 90

Для слаботочных цепей мне нравится использовать полевик 2n7000 (купить мешок) – тянет до 400 мА. Корпус – компактный выводной to-92.

Также у друзей-китайцев есть удобные готовые модули с мосфетами и всей необходимой обвязкой:

Ну и самый важный момент: на полевой транзистор можно подавать ШИМ сигнал для “плавного” управления нагрузкой: плавно менять скорость вращения мотора, яркость светодиодной ленты, мощность обогревателя и прочее прочее!


Твердотельное реле (SSR DC)

Более простой вариант – твердотельное реле (Solid State Relay, SSR) для постоянного тока (DC), найти можно на том же Aliexpress по запросу SSR DC. Внимательно смотрим на маркировку: под выходными клеммами должно быть написано VDC, т.е. постоянное напряжение. Твердотельное реле имеет стандартный корпус для моделей постоянного и переменного тока, поэтому нужно читать что написано и не перепутать. Также в маркировке после слова SSR обычно указан ток в Амперах, т.е. SSR-25 это реле на 25 Ампер. Максимальное напряжение указано под выходными клеммами.

Твердотельное реле подключается напрямую к Arduino, пин “-” к GND, “+” к любому цифровому пину. Выход реле ставится в разрыв цепи питания нагрузки, как выключатель. Важно не перепутать плюс и минус, потому что внутри реле представляет собой полевой транзистор на радиаторе =)

Переменный ток

Симистор как вкл/выкл

Симистор – радиоэлемент, похожий на транзистор, но может работать на переменном токе. Высокое напряжение – штука опасная, поэтому для управления симистором используется оптопара с симисторным выходом. Простейшая схема подключения выглядит вот так:Для управления нагрузкой только в режиме вкл/выкл желательно ставить оптопару с детектором нуля (например MOC306x), она будет сама отключать и включать нагрузку только в моменты перехода напряжения в сети через 0, что сильно уменьшает помехи в сети. Также здесь стоят резисторы: 220 Ом – для ограничения тока на светодиод оптопары (смотри характеристики оптопары, как подбирать резистор я писал выше). И резистор между оптопарой и симистором: 220-470 Ом с мощностью 1-2 Вт (будет греться). Симистор нужно брать с хорошим запасом по току, чтобы меньше грелся. Также симисторы бывают серии BTA и BTB, у BTA корпус (металлическая часть) изолирован и рекомендуется брать именно их, чтобы не шарахало током от радиатора. Распиновка компонентов:У китайцев есть готовые модули с симистором и всей обвязкой. Кстати да, симистор греется под нагрузкой! Наличие радиатора обязательно, начиная с 200 Ватт.

Симистор как диммер

Для плавного управления нагрузкой переменного тока задача сильно усложняется: нужно ловить момент переключения напряжения, засекать время и выключать симистор, отсекая часть синусоиды, это называется фазовым управлением.

Для этой схемы нужна оптопара без детектора нуля, например серии MOC302x. Схема такой поделки может выглядеть вот так:Резисторы 51к обязательно мощные, так как на них будет выделяться 1 Ватт: гасим лишнее напряжение, чтобы не сжечь светодиод оптопары детектора нуля. Также готовый модуль можно купить на Али. Выглядит он вот так и имеет пины питания, пин контроля симистора и вывод детектора нуля. Как со всем этим работать – смотрите видос ниже:

Где-то существует китайская библиотека для управления таким модулем, но она мне не очень понравилась. Привожу два примера для ручного управления таким диммером на базе библиотеки GyverTimers: одноканальный и многоканальный. В многоканальном режиме достаточно подключить к Ардуино выход детектора нуля только с одного модуля, а вот управляющие пины уже указать в скетче. Рассмотренные ниже примеры можно чуть оптимизировать, заменив digitalWrite() на быстрый аналог.

Источник

Adblock
detector