Solid state relæ selv: monteringsvejledning og tilslutningstips

Et faststofrelæ (SSR) er en enhed fra serien af elektroniske komponenter med ikke-mekanisk funktion. Fraværet af mekanik åbner flere muligheder for elektronikentusiaster til at lave et faststofrelæ selv til personlig brug.

Lad os se nærmere på denne mulighed.

Konstruktion og funktionsprincip for SSR

Hvis størstedelen af sådan elektronik traditionelt indeholder bevægelige dele i kontaktgrupper, har et faststofrelæ slet ikke sådanne dele. Kredsløbskontakten via enhedens skema fungerer efter princippet om en elektronisk kontakt. Og rollen som elektroniske kontakter udføres normalt af halvledere indbygget i relæet – effekttransistorer, triacer, tyristorer.

Før man forsøger at fremstille et faststofrelæ selv, er det logisk at sætte sig ind i den grundlæggende konstruktion af sådanne enheder og forstå princippet for deres funktion.

Industriel produktion fremstiller faststofrelæer i forskellige konfigurationer, beregnet til de mest forskellige praktiske anvendelsesforhold. Udvalget af modifikationer er omfattende.

Inden for rammerne af en grundig undersøgelse af enheden bør man straks fremhæve SSR'ets fordelagtige sider:

• kontakt af kraftig belastning;
• høj skiftehastighed;
• ideel galvanisk isolation;
• evne til kortvarigt at modstå høje overbelastninger.

Blandt mekaniske konstruktioner er det reelt ikke muligt at finde relæer med lignende parametre. Generelt udtrykkes fordelene ved faststofrelæer i forhold til mekaniske slægtninge med en imponerende liste.

To elektroniske enheder, der funktionelt sikrer kredsløbskontakt: til venstre er lavet på basis af faststofkonstruktion, til højre – traditionelt mekanisk skiftesystem

Driftsbetingelserne for SSR begrænser praktisk taget ikke anvendelsen af disse enheder. Desuden påvirker fraværet af bevægelige mekaniske dele enhedernes levetid positivt. Så der er al mulig grund til at beskæftige sig med faststofrelæet – samle enheden selv.

Men for retfærdighedens skyld bør man ud over de positive aspekter også nævne relæets egenskaber, der betragtes som ulemper. For drift af kraftige apparater kræves der normalt en ekstra konstruktionskomponent, som er designet til at lede varme væk.

Ved kobling af kraftig belastning bliver solid state relæer næsten altid suppleret med kraftige køleradiatorer. Dette gør anvendelsen af TTR en smule mere kompliceret.

Køleradiatorer til solid state relæer har dimensioner, der er flere gange større end TTR'ets dimensioner, hvilket reducerer bekvemmeligheden og rationaliteten ved montering.

TTR-apparater giver under drift (i lukket tilstand) en omvendt lækstrøm og viser en ikke-lineær volt-ampere karakteristik. Ikke alle solid state relæer kan bruges uden begrænsninger i karakteristikaene for de koblede spændinger.

Konstruktionen er kun beregnet til anvendelse i kredsløb, hvor forsyningen sker med jævnstrøm. Normalt kendetegnes disse apparater ved små dimensioner og lav koblingseffekt.

Visse typer af enheder er beregnet til kun at koble jævnstrøm. Implementering af solid state relæer i kredsløbet kræver normalt yderligere foranstaltninger rettet mod at blokere falske udkoblinger.

Solid state relæer ses ofte i det fælles el-skab i lejligheden.

Hvordan fungerer et faststofrelæ?

Styresignalet (normalt en lavspænding, f.eks. fra en styrecontroller) påføres lysdioden i et optoelektronisk par, der er til stede i TTR'ets kredsløb. Lysdioden begynder at udsende lys mod fotodioden, som så åbner og begynder at lede strøm.

Generelt diagram over TTR, der visuelt viser, hvordan den elektroniske enhed fungerer: 1 – styrespændingskilde; 2 – optokobler inde i relæets hus; 3 – belastningsstrømkilde; 4 – belastning

Strømmen, der passerer gennem fotodioden, når til styreelektroden på en nøgletransistor eller tyristor. Nøglen åbner og slutter belastningskredsen.

Sådan fungerer enhedens koblingsfunktion. Al elektronik er traditionelt indkapslet i et monolitisk hus. Det er derfor, enheden har fået navnet solid state relæ.

Og om, hvordan man tilslutter et solid state relæ, kan man læse i dette materiale.

Varianter af faststofafbrydere

Hele det eksisterende sortiment af enheder kan betinget opdeles i grupper baseret på kategori af tilsluttet belastning, kontrolfunktioner og spændingskobling.

I alt er der tre grupper:

1. Enheder, der anvendes i jævnstrømskredsløb.
2. Enheder, der anvendes i vekselstrømskredsløb.
3. Universelle konstruktioner.

Første gruppe består af enheder med parametre for driftsstyrespænding 3 – 32 volt. Det er relativt kompakt elektronik med LED-indikation, der kan fungere uden afbrydelser ved temperaturer -35 / +75 °C.

En udbredt udførelse af den elektroniske anordning til brug i enfaset elnet. Der findes også andre konstruktionsvarianter, men betydeligt sjældnere.

Anden gruppe – enheder beregnet til installation i vekselspændingsnet. Her er konstruktioner af SSR til installation i vekselstrømsnet, styret med spænding 24–250 volt. Der er enheder, der kan omskifte høj effektbelastning.

Tredje gruppe – universalanordninger. Kredsløbsteknikken i denne type enheder understøtter manuel justering til brug under forskellige forhold.

Hvis man tager udgangspunkt i arten af den tilsluttede belastning, bør man skelne mellem to typer af vekselstrøms solid state relæer: enfasede og trefasede. Begge typer er beregnet til omskiftning af tilstrækkelig kraftig belastning ved strømme på 10 – 75 A. De korte spidsværdier for strøm kan nå op på 500 A.

En udbredt variant til brug i trefaset elnet. Anvendes ofte som lineær regulator for kraftige elektriske varmelegemer (varmeelementer).

Som belastning, der omskiftes af solid state relæer, kan kapacitive, resistive og induktive kredsløb optræde. Kontaktkonstruktionerne muliggør støjfri, jævn styring af f.eks. varmelegemer, glødelamper, elektromotorer.

Driftspålideligheden er tilstrækkelig høj. Men i høj grad afhænger solid state relæernes stabilitet og levetid af produktionskvaliteten. F.eks. er enheder produceret under et vist varemærke 'Impuls' ofte kendetegnet ved kort levetid.

På den anden side giver produkter fra firmaet 'Schneider Electric' ingen anledning til kritik.

Hvordan laver man et SSR selv?

I betragtning af apparatets konstruktive særegenhed (monolit) samles kredsløbet ikke på et tekstolit-kort, som det er sædvanligt, men med overflademontering.

Sådan ser en hjemmelavet konstruktion af et solid state relæ ud. Det er ikke svært at lave noget lignende. Man har kun brug for grundlæggende elektronik- og el-færdigheder. Materialeomkostningerne er små.

Der findes mange kredsløbsløsninger i denne retning. Den specifikke variant afhænger af den krævede omskiftningseffekt og andre parametre.

Elektroniske komponenter til samling af kredsløb

Listen over komponenter til et simpelt kredsløb til praktisk indlæring og bygning af et solid state relæ selv er som følgende:

1. Optokobler type MOC3083.
2. Triac type BT139-800.
3. Transistor serie KT209.
4. Modstande, zenerdiode, lysdiode.

Alle de nævnte elektroniske komponenter samles med overflademontage i henhold til følgende skema:

Principskema for et lille solid state-relæ til gør-det-selv-samling. Et lille antal dele og enkel overflademontage gør det nemt at lodde kredsløbet.

Takket være brugen af optokobler MOC3083 i styresignalets generering kan indgangsspændingen variere fra 5 til 24 volt.

Og takket være en kæde bestående af en zenerdiode og en begrænsningsmodstand er strømmen gennem kontrollysdioden reduceret til det minimum mulige. Denne løsning sikrer en lang levetid for kontrollysdioden.

Test af det samlede kredsløb for funktionalitet

Det samlede kredsløb skal testes for funktionalitet. Det er ikke nødvendigt at tilslutte en belastningsspænding på 220 volt til kommutationskredsløbet via triac'en. Det er tilstrækkeligt at tilslutte et måleinstrument – en tester – parallelt med triac'ens kommutationslinje.

Test af solid state-relæets funktionalitet ved hjælp af et måleinstrument. Hvis der tilføres en styrespænding til enheden, skal triac'ens overgang være åben.

Testerens måleområde skal indstilles til "mΩ" og der skal tilføres strøm (5-24V) til styrespændingsgenereringskredsløbet. Hvis alt fungerer korrekt, skal testeren vise en forskel i modstand fra "mΩ" til "kΩ".

Konstruktion af monolitisk kabinet

Til bunden af kabinettet til det fremtidige solid state-relæ kræves en aluminiumsplade med en tykkelse på 3-5 mm. Pladens dimensioner er ikke kritiske, men skal svare til betingelserne for effektiv varmeafledning fra triac'en, når dette elektroniske element bliver varmt.

Ramme til støbning af kabinettet til den fremtidige enhed. Laves af en papirstrimmel eller andre egnede materialer. Fastgøres på aluminiumsunderlag med universal lim.

Overfladen af aluminiumspladen skal være jævn. Derudover skal begge sider behandles – rengøres med fint sandpapir og poleres.

I næste trin forsynes den forberedte plade med en "form" – der limes en kant af tykt pap eller plastik rundt om omkredsen. Resultatet skal være en slags kasse, der senere fyldes med epoxyharpiks.

Inde i den skabte kasse placeres det samlede "overflademonterede" elektroniske kredsløb til solid state-relæet. Kun triac'en lægges på overfladen af aluminiumspladen.

Fastgørelse af triac på aluminiumsunderlag. Hovedbetingelsen er, at denne elektroniske komponent skal presses tæt mod metalbunden. Kun på den måde sikres effektiv varmeafledning og pålidelig drift.

Ingen andre detaljer og ledere i kredsløbet må berøre aluminiumsubstratet. Triacen anbringes mod aluminiumet med den del af huset, der er beregnet til montering på en køleplade.

Der skal anvendes termisk pasta på kontaktområdet mellem triacens hus og aluminiumsubstratet. Nogle typer triacer med uisoleret anode skal monteres med en glimmerskive.

En mulighed for at fastgøre triacen til substratet ved hjælp af en nitte. På bagsiden flades nitten ud, så den er i plan med substratets overflade.

Triacen skal presses tæt mod basen med en vægt og fyldes rundt om med epoxy lim eller fastgøres på en måde, der ikke forstyrrer glatheden af substratets bagside (f.eks. med en nitte).

Forberedelse af kompound og støbning af kabinet

Til fremstilling af den faste del af den elektroniske enhed skal der laves en kompoundblanding. Blandingens sammensætning er baseret på to komponenter:

1. Epoxyharpiks uden hærder.
2. Alabasterpulver.

Takket være tilsætningen af alabaster løser håndværkeren to opgaver på én gang – han opnår et tilstrækkeligt volumen af støbemasse ved et nominelt forbrug af epoxyharpiks og skaber en støbning med optimal konsistens.

Blandingen skal omrøres grundigt, hvorefter hærderen kan tilsættes og blandes grundigt igen. Derefter hældes kompounden forsigtigt over den 'flyvende' montering indeni papkassen.

Sådan ser et færdigt eksemplar af et hjemmelavet solid state relæ ud. Lidt usædvanligt og ikke særlig præsentabelt, men tilstrækkeligt pålideligt.

Støbningen udføres til det øverste niveau, og kun en del af kontrol-LED'ens hoved efterlades på overfladen. Oprindeligt kan kompoundens overflade se lidt ujævn ud, men efter et stykke tid ændrer billedet sig. Det eneste, der er tilbage, er at vente på, at støbningen er helt hærdet.

I princippet kan alle egnede støbematerialer anvendes. Hovedkriteriet er, at støbemassen ikke må være elektrisk ledende, og støbningen skal have en god grad af stivhed efter hærdning. Det støbte hus af solid state relæet er en slags beskyttelse af det elektroniske kredsløb mod tilfældige fysiske skader.

Konklusioner og nyttig video om emnet

Denne video viser, hvordan og på basis af hvilke elektroniske komponenter man kan lave et solid state relæ. Forfatteren forklarer tydeligt alle detaljerne i fremstillingspraksis, som han personligt stødte på under produktionen af den elektroniske kontakt:

En video om et problem, man kan støde på efter at have købt en enfaset SSR fra sælgere i Kina. Samtidig giver den et slags overblik over koblingsanordningens konstruktion:

Selvfremstilling af solid state relæer – en fuldt ud mulig løsning, men gældende for produkter beregnet til lavspændingsbelastninger, der forbruger relativt lav effekt.

Det er svært at lave mere kraftfulde og højspændingsapparater selv. Og denne idé vil koste det samme som et fabriksfremstillet eksemplar. Så hvis nødvendigt, er det lettere at købe et færdigt industrifremstillet apparat.

Hvis du har spørgsmål om samling af et solid-state relæ, så stil dem venligst i kommentarfeltet, og vi vil forsøge at give et så klart svar som muligt. Der kan du også dele erfaringer med selv at lave et relæ eller give værdifuld information om emnet.