Твърдотелно реле със собствени ръце: инструкция за сглобяване и съвети за свързване

Твърдотелното реле (ТТР) е уред от серия електронни компоненти с немеханично действие. Отсъствието на механика отваря повече възможности за любителите на електроника да изработят твърдотелно реле със собствени ръце за лично ползване.

Нека разгледаме тази възможност по-подробно.

Конструкция и принцип на действие на ТТР

Ако по-голямата част от подобна електроника традиционно съдържа подвижни части на контактни групи, твърдотелното реле няма такива части изобщо. Комутацията на веригата чрез схемата на уреда се осъществява по принципа на електронен ключ. А ролята на електронните ключове обикновено изпълняват вградените в тялото на релето полупроводници – силови транзистори, симистори, тиристори.

Преди да се опитвате да изработите твърдотелно реле самостоятелно, логично е да се запознаете с основната конструкция на подобни устройства, да разберете принципа на тяхното функциониране.

От промишленото производство се пускат твърдотелни релета с различна конфигурация, предназначени за най-различни условия на практическо приложение. Изборът на модификации е обширен.

В рамките на задълбоченото изучаване на уреда веднага трябва да се отбележат предимствата на ТТР:

• комутация на мощна нагрузка;
• висока скорост на превключване;
• идеална галванична развръзка;
• способност за краткотрайно издържане на високи претоварвания.

Сред механичните конструкции намирането на реле с подобни параметри реално не е възможно. Общо взето, предимствата спрямо механичните събратя при твърдотелните релета се изразяват с впечатляващ списък.

Два електронни уреда, функционално осигуряващи комутацията на вериги: отляво е направен на базата на твърдотелна конструкция, отдясно – традиционна механична система за превключване.

Условията на експлоатация за ТТР практически не ограничават приложението на тези устройства. Освен това отсъствието на подвижни механични части благоприятно се отразява на продължителността на служба на уредите. Така че има всички основания да се заемете с твърдотелно реле – да сглобите уреда със собствени ръце.

Наред с положителните моменти, за справедливост трябва да се отбележат свойствата на релето, които се характеризират като недостатъци. Например, за експлоатацията на мощни уреди като правило е необходим допълнителен компонент на конструкцията, предназначен да отвежда топлината.

В случай на комутация на мощен товар, релетата от твърдотелно изпълнение почти винаги се допълват с мощни радиатори за охлаждане. Това донякъде усложнява приложението на ТТР.

Радиаторите за охлаждане на твърдотелните релета имат габаритни размери, които са няколко пъти по-големи от габаритите на ТТР, което намалява удобството и рационалността на монтажа.

Уредите ТТР в процеса на експлоатация (в затворено състояние) дават обратен ток на утечка и показват нелинейна волт-амперна характеристика. Не всички твърдотелни релета е допустимо да се използват без ограничения в характеристиките на комутираните напрежения.

Конструкция за приложение само в схеми, където захранването се осъществява с постоянен ток. Обикновено тези уреди се отличават с малки габарити и малка мощност на комутация.

Отделни видове устройства са предназначени да комутират само постоянен ток. Внедряването на твърдотелни релета в схемата обикновено изисква прибягване до допълнителни мерки, насочени към блокиране на фалшиви задействания.

Твърдотелни релета често могат да се срещнат в общото електротабло на апартамента.

Как работи твърдотелното реле?

Управляващият сигнал (обикновено напрежение с ниско ниво, произлизащо например от контролера за управление) се подава на светодиода на оптоелектронната двойка, присъстваща в схемата на ТТР. Светодиодът започва да излъчва светлина към фотодиода, който от своя страна се отваря и започва да пропуска ток.

Обобщена схема на ТТР, която визуално показва по какъв начин функционира електронният уред: 1 – източник на управляващо напрежение; 2 – оптодвойка вътре в корпуса на релето; 3 – източник на ток на товара; 4 – товар

Преминаващият през фотодиода ток достига до управляващия електрод на ключовия транзистор или тиристор. Ключът се отваря и затваря веригата на товара.

Така работи функцията за комутация на уреда. Цялата електроника традиционно е затворена в монолитен корпус. Собствено, затова устройството е получило названието твърдотелно реле.

А за това как да се свърже твърдотелно реле можете да прочетете в този материал.

Разновидности на твърдотелните превключватели

Целият съществуващ асортимент от уреди условно може да се раздели на групи, изхождайки от категорията на подключаемия товар, особеностите на контрола и комутацията на напреженията.

По този начин общо се набират три групи:

1. Устройства, действащи във вериги с постоянен ток.
2. Устройства, действащи във вериги с променлив ток.
3. Универсални конструкции.

Първата група е представена от уреди с параметри на работните управляващи напрежения 3 – 32 волта. Това е относително малогабаритна електроника, снабдена със светодиодна индикация, способна да функционира без прекъсвания при температури -35 / +75 ºС.

Широко разпространено изпълнение на електронния уред за приложение в еднофазна електрическа мрежа. Срещат се и други варианти на конструкции, но значително по-рядко.

Втората група – устройства, предназначени за монтаж в мрежи с променливо напрежение. Тук са представени конструкции на ТТР за монтаж в мрежи с променлив ток, управлявани с напрежение 24 – 250 волта. Има устройства, способни да комутират товар с висока мощност.

Третата група – уреди с универсално предназначение. Схемотехниката на този вид устройства поддържа ръчна настройка за използване в едни или други условия.

Ако се изхожда от характера на включения товар, трябва да се разграничат два вида твърдотелни релета за променлив ток: еднофазни и трифазни. И двата вида са проектирани за комутация на достатъчно мощен товар при токове 10 – 75 А. При това пиковите краткотрайни стойности на тока могат да достигнат величина 500 А.

Широко разпространен вариант на изпълнение за приложение в трифазна електрическа мрежа. Често се използва като линеен регулатор на мощни електрически нагреватели (ТЕН).

Като товар, комутиран от твърдотелни релета, могат да се използват капацитивни, резистивни, индукционни вериги. Конструкциите на ключовете позволяват без излишен шум, плавно да управляват, например, нагревателни елементи, лампи с нажежаема жичка, електродвигатели.

Надеждността на работа е в достатъчна степен висока. Но до голяма степен стабилността и дълготрайността на твърдотелните релета зависят от качеството на производство на изделията. Така, устройствата, произвеждани под една търговска марка «Impuls», често се отличават с кратък срок на експлоатация.

От друга страна, изделията на фирма «Schneider Electric» не дават повод за критика.

Как да изработим ТТР със собствени ръце?

Като се има предвид конструкционната особеност на уреда (монолит), схемата се сглобява не на текстолитова платка, както е прието, а чрез окачен монтаж.

Ето така изглежда самоделната конструкция на твърдотелно реле. Да се направи нещо подобно не е трудно. Нужни са само базови умения на електрончик и електротехник. Материалните разходи са малки.

Схемотехнически решения в тази насока могат да се намерят много. Конкретният вариант зависи от необходимата комутираща мощност и други параметри.

Електронни компоненти за сглобяване на схемата

Списъкът на елементите на проста схема за практическо усвояване и изграждане на твърдотелно реле със собствените си ръце е следният:

1. Оптопара тип MOC3083.
2. Триак тип BT139-800.
3. Транзистор от серия КТ209.
4. Резистори, ценеров диод, светодиод.

Всички посочени електронни компоненти се запояват с навесен монтаж съгласно следната схема:

Принципна схема на маломощно твърдотелно реле за самостоятелно сглобяване. Малкият брой детайли и простият навесен монтаж позволяват схемата да се запои без труд.

Благодарение на използването на оптодвойка МОС3083 в схемата за формиране на управляващия сигнал, стойността на входното напрежение може да се променя от 5 до 24 волта.

А благодарение на веригата, състояща се от ценеров диод и ограничителен резистор, токът, преминаващ през контролния светодиод, е намален до минимално възможния. Такова решение осигурява дълъг живот на контролния светодиод.

Проверка на сглобената схема за работоспособност

Сглобената схема трябва да се провери за работоспособност. При това не е задължително да се свързва напрежение на товара от 220 волта към веригата за комутация през симистор. Достатъчно е да се свърже паралелно на линията за комутация на симистора измервателен уред – тестер.

Проверка на работоспособността на твърдотелно реле с помощта на измервателен уред. Ако на входа на устройството е подадено управляващо напрежение, преходът на симистора трябва да бъде отворен.

Режимът на измерване на тестера трябва да се настрои на „мОм“ и да се подаде захранване (5-24 V) към схемата за генериране на управляващото напрежение. Ако всичко работи правилно, тестерът трябва да покаже разлика в съпротивленията от „мОм“ до „кОм“.

Устройство на монолитен корпус

За основание на корпуса на бъдещото твърдотелно реле ще е необходима пластина от алуминий с дебелина 3-5 mm. Размерите на пластината не са критични, но трябва да отговарят на условията за ефективно отвеждане на топлината от симистора при нагряване на този електронен елемент.

Рамка за запълване на корпуса на бъдещото устройство. Прави се от картонена лента или други подходящи материали. На алуминиевата подложка се закрепва с универсално лепило.

Повърхността на алуминиевата пластина трябва да бъде равна. Допълнително е необходимо да се обработят двете страни – да се почистят с фина шкурка и да се полират.

На следващия етап подготвената пластина се оборудва с „кофраж“ – по периметъра се залепва бордюр от плътен картон или пластмаса. Трябва да се получи своеобразна кутия, която по-нататък ще бъде запълнена с епоксидна смола.

Вътре в създадената кутия се поставя сглобената „навесно“ електронна схема на твърдотелното реле. На повърхността на алуминиевата пластина се поставя само симисторът.

Закрепване на симистора върху алуминиевата подложка. Основното условие е този електронен компонент да се притисне плътно към металната основа. Само така се осигурява качествено отвеждане на топлината и надеждна работа.

Никакви други детайли и проводници на схемата не трябва да докосват алуминиевата подложка. Симисторът се поставя към алуминия с тази част от корпуса, която е предназначена за монтаж на радиатор.

Трябва да се използва топлопроводяща паста в областта на контакт между корпуса на симистора и алуминиевата подложка. Някои марки симистори с неизолиран анод задължително трябва да се монтират чрез слюдена подложка.

Вариант за закрепване на симистора към подложката чрез нит. От обратната страна нитът се разплесква заподлицо с повърхността на подложката.

Симисторът трябва да се притисне плътно към основата с някаква тежест и да се залее по периметъра с епоксидно лепило, или да се закрепи по някакъв начин, без да се нарушава гладкостта на обратната страна на подложката (например с нит).

Приготвяне на компаунда и заливане на корпуса

За изработването на твърдото тяло на електронното устройство ще е необходимо да се приготви компаундна смес. Съставът на компаундната смес се прави на базата на два компонента:

1. Епоксидна смола без втвърдител.
2. Прах от алабастър.

Благодарение на добавянето на алабастър, майсторът решава две задачи наведнъж – получава достатъчен обем заливъчен компаунд при номинален разход на епоксидна смола и създава заливка с оптимална консистенция.

Сместа трябва да се разбърка старателно, след което може да се добави втвърдителят и отново да се разбърка старателно. След това внимателно се залива „навесен“ монтаж вътре в картонената кутия с приготвения компаунд.

Така изглежда готовият екземпляр на твърдотелно реле, сглобено със собствени ръце. Малко необичайно и не много представително, но достатъчно надеждно.

Заливката се прави до горното ниво, като на повърхността се оставя само част от главичката на контролния светодиод. Първоначално повърхността на компаунда може да изглежда не съвсем гладка, но след известно време картината ще се промени. Остава само да се изчака пълното втвърдяване на отливката.

По същество могат да се използват всякакви подходящи за отливане разтвори. Основният критерий – съставът на заливката не трябва да бъде електропроводим, плюс трябва да се формира добра степен на твърдост на отливката след втвърдяване. Лятият корпус на твърдотелното реле е своеобразна защита на електронната схема от случайни физически повреди.

Изводи и полезно видео по темата

Това видео показва как и на базата на какви електронни компоненти може да се направи твърдотелно реле. Авторът разбираемо разказва за всички детайли от практиката на изработване, с които той лично се е сблъскал в процеса на производство на електронния комутатор:

Видео за проблема, с който може да се сблъскате след закупуване на еднофазно твърдотелно реле от продавачи от Китай. Успоредно с това прави своеобразен преглед на устройството на комутационния апарат:

Самостоятелното изработване на твърдотелни релета – напълно възможно решение, но приложимо към изделия за нисковолтов товар, консумиращ относително малка мощност.

По-мощните и високоволтови уреди е трудно да се направят сами. Освен това тази идея ще струва същата сума, колкото струва фабричният екземпляр. Така че, ако е необходимо, е по-лесно да се купи готов промишлен уред.

Ако имате въпроси относно сглобяването на твърдотелно реле, моля, задайте ги в блока с коментари, а ние ще се опитаме да ви дадем възможно най-ясен отговор. Там можете да споделите опита си от самостоятелното изработване на реле или да предоставите ценна информация по темата на статията.