Solid-state relais zelf maken: instructie voor montage en tips voor aansluiting

Een solid-state relais (SSR) is een apparaat uit de serie elektronische componenten met niet-mechanische werking. De afwezigheid van mechanica biedt meer mogelijkheden voor elektronica-hobbyisten om zelf een solid-state relais te maken voor persoonlijk gebruik.

Laten we deze mogelijkheid nader bekijken.

Constructie en werkingsprincipe van het SSR

Terwijl het grootste deel van dergelijke elektronica traditioneel bewegende delen van contactgroepen bevat, heeft een solid-state relais dergelijke delen helemaal niet. De schakeling van de keten door het schema van het apparaat wordt uitgevoerd volgens het principe van een elektronische schakelaar. En de rol van elektronische schakelaars wordt doorgaans vervuld door halfgeleiders die in het relaislichaam zijn ingebouwd – vermogenstransistoren, triacs, thyristors.

Voordat u probeert zelf een solid-state relais te vervaardigen, is het logisch om vertrouwd te raken met de basisconstructie van dergelijke apparaten en het principe van hun werking te begrijpen.

Door industriële productie worden solid-state relais in verschillende configuraties geproduceerd, ontworpen voor zeer uiteenlopende praktische toepassingsomstandigheden. De keuze aan modificaties is uitgebreid.

Bij een grondige studie van het apparaat moeten direct de voordelen van een SSR worden benadrukt:

• schakeling van zware belasting;
• hoge schakelsnelheid;
• ideale galvanische scheiding;
• vermogen om kortstondig hoge overbelastingen te weerstaan.

Het is in werkelijkheid niet mogelijk om een relais met vergelijkbare parameters te vinden onder mechanische constructies. Over het algemeen worden de voordelen van solid-state relais ten opzichte van mechanische tegenhangers uitgedrukt in een indrukwekkende lijst.

Twee elektronische apparaten die functioneel de schakeling van ketens verzorgen: links gemaakt op basis van een solid-state constructie, rechts – een traditioneel mechanisch schakelsysteem

De bedrijfsomstandigheden voor SSR's beperken de toepassing van deze apparaten praktisch niet. Bovendien heeft de afwezigheid van bewegende mechanische delen een gunstig effect op de levensduur van de apparaten. Er is dus alle reden om zelf een solid-state relais te monteren – het apparaat in elkaar te zetten.

Maar om eerlijk te zijn, naast de positieve punten moeten ook de eigenschappen van het relais worden opgemerkt die als nadelen worden gekarakteriseerd. Zo is voor het gebruik van krachtige apparaten meestal een extra constructiecomponent nodig die bedoeld is om warmte af te voeren.

Voor het schakelen van zware belastingen worden solid-state relais vrijwel altijd aangevuld met krachtige koelradiatoren. Dit maakt de toepassing van SSR iets ingewikkelder.

De koelradiatoren van solid-state relais hebben afmetingen die meerdere malen groter zijn dan die van de SSR, wat het gemak en de efficiëntie van de montage vermindert.

SSR-apparaten geven tijdens bedrijf (in gesloten toestand) een omgekeerde lekstroom en vertonen een niet-lineaire stroom-spanningskarakteristiek. Niet alle solid-state relais kunnen zonder beperkingen worden gebruikt wat betreft de kenmerken van de geschakelde spanningen.

Constructie voor toepassing alleen in circuits waar de voeding met gelijkstroom gebeurt. Gewoonlijk kenmerken deze apparaten zich door kleine afmetingen en een laag schakelvermogen.

Bepaalde typen apparaten zijn bedoeld om alleen gelijkstroom te schakelen. Het inzetten van solid-state relais in een circuit vereist meestal extra maatregelen om valse triggering te voorkomen.

Solid-state relais worden vaak aangetroffen in de algemene elektriciteitskast van het appartement.

Hoe werkt een solid-state relais?

Het stuursignaal (meestal een laagspanningssignaal, bijvoorbeeld van een besturingscontroller) wordt toegevoerd aan de LED van het opto-elektronische paar dat aanwezig is in het SSR-circuit. De LED begint licht uit te stralen naar de fotodiode, die op zijn beurt opent en stroom begint door te laten.

Algemeen schema van een SSR, dat duidelijk laat zien hoe het elektronische apparaat functioneert: 1 – stuurspanningsbron; 2 – optokoppeling in de relaisbehuizing; 3 – belastingsstroombron; 4 – belasting

De stroom die door de fotodiode gaat, komt bij de stuurelektrode van de schakeltransistor of thyristor. De schakelaar opent en sluit het belastingscircuit.

Zo werkt de schakelfunctie van het apparaat. De gehele elektronica is traditioneel in een monolithische behuizing ingesloten. Daarom heeft het apparaat dan ook de naam solid-state relais gekregen.

En hoe u een solid-state relais aansluit, kunt u lezen in dit artikel.

Varianten van solid-state schakelaars

Het gehele bestaande assortiment apparaten kan grofweg worden onderverdeeld in groepen, op basis van de categorie van de aangesloten belasting, de kenmerken van de besturing en het schakelen van spanningen.

Dus in totaal zijn er drie groepen:

1. Apparaten die werken in gelijkstroomcircuits.
2. Apparaten die werken in wisselstroomcircuits.
3. Universele constructies.

De eerste groep bestaat uit apparaten met parameters van bedrijfsstuurspanningen van 3 tot 32 volt. Dit is relatief compacte elektronica, voorzien van LED-indicatie, die zonder onderbrekingen kan functioneren bij temperaturen van -35 / +75 °C.

Een wijdverbreide uitvoering van een elektronisch apparaat voor toepassing in een enkelfasig elektriciteitsnet. Ook komen andere constructievarianten voor, maar aanzienlijk minder vaak.

De tweede groep – apparaten bedoeld voor installatie in wisselspanningsnetten. Hier worden halfgeleiderrelaisconstructies gepresenteerd voor installatie in wisselstroomnetten, bestuurd met een spanning van 24 tot 250 volt. Er zijn apparaten die een hoogvermogenbelasting kunnen schakelen.

De derde groep – universele apparaten. De schakelingstechniek van dit type apparaten ondersteunt handmatige aanpassing voor gebruik onder verschillende omstandigheden.

Als men uitgaat van de aard van de aangesloten belasting, moeten er twee soorten halfgeleiderrelais voor wisselstroom worden onderscheiden: enkelfasig en driefasig. Beide soorten zijn ontworpen voor het schakelen van een redelijk krachtige belasting bij stromen van 10 – 75 A. Hierbij kunnen de piek-kortstondige stroomwaarden een grootte van 500 A bereiken.

Een wijdverbreide uitvoeringsvariant voor toepassing in een driefasig elektriciteitsnet. Vaak gebruikt als lineaire regelaar voor krachtige elektrische verwarmingselementen (TEN).

Als belasting die door halfgeleiderrelais wordt geschakeld, kunnen capacitieve, resistieve en inductieve circuits fungeren. De schakelconstructies maken het mogelijk om zonder overmatig geluid soepel te sturen, bijvoorbeeld verwarmingselementen, gloeilampen, elektromotoren.

De bedrijfsbetrouwbaarheid is in voldoende mate hoog. Maar de stabiliteit en duurzaamheid van halfgeleiderrelais hangen grotendeels af van de kwaliteit van de productie van de apparaten. Zo worden apparaten die onder een bepaald handelsmerk «Impuls» worden geproduceerd, vaak gekenmerkt door een korte levensduur.

Aan de andere kant geven de producten van het bedrijf 'Schneider Electric' geen aanleiding tot kritiek.

Hoe maakt u zelf een SSR?

Gezien de constructieve bijzonderheid van het apparaat (monoliet), wordt het circuit niet op een textolietprintplaat samengesteld, zoals gebruikelijk, maar met behulp van bedrading (punt-tot-punt montage).

Zo ziet een zelfgemaakte halfgeleiderrelaisconstructie eruit. Iets dergelijks maken is niet moeilijk. Men heeft alleen basisvaardigheden van een elektronica- en elektrotechnicus nodig. De materiële kosten zijn klein.

Er zijn tal van schakelingstechnische oplossingen in deze richting te vinden. Het specifieke ontwerp hangt af van het vereiste schakelvermogen en andere parameters.

Elektronische componenten voor het monteren van de schakeling

De lijst van elementen van een eenvoudig circuit voor praktische verkenning en het bouwen van een halfgeleiderrelais met de hand is als volgt:

1. Optocoupler type MOC3083.
2. Triac type BT139-800.
3. Transistor serie KT209.
4. Weerstanden, zenerdiode, led.

Alle genoemde elektronische componenten worden gesoldeerd met behulp van point-to-point bedrading volgens het volgende schema:

Principiële schakeling van een laagvermogen solid-state relais voor zelfbouw. Een klein aantal onderdelen en een eenvoudige point-to-point bedrading maken het mogelijk de schakeling zonder moeite te solderen.

Dankzij het gebruik van de optocoupler MOC3083 in de stuurspanningsgeneratie kan de ingangsspanning variëren van 5 tot 24 volt.

Dankzij de keten bestaande uit een zenerdiode en een begrenzingsweerstand wordt de stroom door de controle-led tot het minimum beperkt. Deze oplossing zorgt voor een lange levensduur van de controle-led.

Controle van de gemonteerde schakeling op functionaliteit

De gemonteerde schakeling moet worden gecontroleerd op functionaliteit. Het is niet nodig om de belastingsspanning van 220 volt aan te sluiten op de schakeling via de triac. Het is voldoende om parallel aan de triac schakellijn een meetinstrument – een tester – aan te sluiten.

Controle van de functionaliteit van het solid-state relais met behulp van een meetinstrument. Als er een stuurspanning op de ingang van het apparaat wordt aangelegd, moet de triac-overgang geleiden.

De meetmodus van de tester moet worden ingesteld op 'MΩ' en er moet voeding (5-24V) worden aangelegd op de stuurspanningsgeneratie. Als alles correct werkt, moet de tester een verschil in weerstand van 'MΩ' tot 'kΩ' aangeven.

Inrichting van een monolithische behuizing

Voor de basis van de behuizing van het toekomstige solid-state relais is een aluminium plaat van 3-5 mm dikte nodig. De afmetingen van de plaat zijn niet kritisch, maar moeten overeenkomen met de omstandigheden voor effectieve warmteafvoer van de triac wanneer dit elektronische element opwarmt.

Frame voor het gieten van de behuizing van het toekomstige apparaat. Gemaakt van een kartonnen strip of andere geschikte materialen. Wordt op de aluminium ondergrond bevestigd met universele lijm.

Het oppervlak van de aluminium plaat moet vlak zijn. Bovendien moeten beide zijden worden bewerkt – schoongemaakt met fijn schuurpapier en gepolijst.

In de volgende fase wordt de voorbereide plaat voorzien van een 'bekisting' – rondom wordt een rand van stevig karton of plastic gelijmd. Er moet een soort doos ontstaan die later wordt gevuld met epoxyhars.

Binnen de gemaakte doos wordt de gemonteerde 'point-to-point' elektronische schakeling van het solid-state relais geplaatst. Alleen de triac wordt op het oppervlak van de aluminium plaat gelegd.

Bevestiging van de triac op de aluminium ondergrond. De belangrijkste voorwaarde is dat dit elektronische component stevig tegen de metalen basis moet worden gedrukt. Alleen op deze manier wordt een goede warmteafvoer en betrouwbare werking gegarandeerd.

Geen andere onderdelen en circuite geleiders mogen het aluminium substraat raken. De triac wordt met het deel van de behuizing dat bedoeld is voor montage op een koelplaat tegen het aluminium aangebracht.

Er moet warmtegeleidende pasta worden gebruikt op het contactoppervlak tussen de behuizing van de triac en het aluminium substraat. Sommige merken triacs met een niet-geïsoleerde anode moeten verplicht via een mica tussenlaag worden geplaatst.

Optie voor het bevestigen van de triac aan het substraat met behulp van een klinknagel. Aan de achterzijde wordt de klinknagel vlak met het oppervlak van het substraat platgeslagen.

De triac moet met een gewicht stevig tegen de basis worden gedrukt en rondom worden gevuld met epoxy lijm, of op een andere manier worden bevestigd zonder de gladheid van de achterzijde van het substraat te verstoren (bijvoorbeeld met een klinknagel).

Bereiding van de compound en het vullen van de behuizing

Voor het vervaardigen van het vaste lichaam van het elektronische apparaat moet een compoundmengsel worden gemaakt. De samenstelling van het mengsel is gebaseerd op twee componenten:

1. Epoxyhars zonder verharder.
2. Alabasterpoeder.

Dankzij de toevoeging van alabaster lost de vakman twee problemen tegelijk op: hij krijgt een voldoende volume vulcompound bij normaal verbruik van epoxyhars en creëert een vulling met optimale consistentie.

Het mengsel moet grondig worden gemengd, waarna de verharder kan worden toegevoegd en opnieuw grondig worden gemengd. Vervolgens wordt de 'opgehangen' montage binnen in de kartonnen doos voorzichtig met de gemaakte compound gegoten.

Zo ziet een voltooid exemplaar van een met de hand geassembleerd solid-state relais eruit. Enigszins ongewoon en niet erg representatief, maar wel betrouwbaar.

Het vullen gebeurt tot aan de bovenste rand, waarbij slechts een deel van de kop van de controleled op het oppervlak blijft. Aanvankelijk kan het oppervlak van de compound er niet helemaal glad uitzien, maar na enige tijd verandert het beeld. Het enige dat overblijft is wachten tot het gietstuk volledig is uitgehard.

In wezen kunnen alle geschikte gietoplossingen worden gebruikt. Het belangrijkste criterium is dat de vulmassa niet elektrisch geleidend mag zijn, en dat er na uitharding een goede stijfheid van het gietwerk ontstaat. De gegoten behuizing van het solid-state relais is een soort bescherming van de elektronische schakeling tegen toevallige fysieke schade.

Conclusies en nuttige video over het onderwerp

Deze video laat zien hoe en op basis van welke elektronische componenten u een solid-state relais kunt maken. De auteur legt duidelijk alle details van de productiepraktijk uit die hij persoonlijk tegenkwam tijdens het produceren van de elektronische schakelaar:

Een video over het probleem dat u kunt tegenkomen na aanschaf van een eenfasige TTR van verkopers uit China. Onderweg geeft het een eigenaardig overzicht van het apparaat van het schakeltoestel:

Zelf vervaardigen van solid-state relais – is een heel mogelijke oplossing, maar toegepast op producten voor laagspanningsbelastingen die relatief weinig stroom verbruiken.

Het is lastig om krachtigere en hoogspanningsapparaten zelf te maken. En deze onderneming kost u financieel evenveel als een fabrieksmodel. Dus als u er een nodig heeft, is het eenvoudiger om een kant-en-klaar industrieel apparaat te kopen.

Als u vragen heeft over het monteren van een solid-state relais, stelt u deze dan in het opmerkingenblok. Wij zullen ons best doen om u een zo duidelijk mogelijk antwoord te geven. Daar kunt u ook uw ervaring delen met het zelf maken van een relais of waardevolle informatie over het onderwerp van het artikel geven.