Polprevodniški rele z lastnimi rokami: navodila za sestavo in nasveti za priključitev

Polprevodniški rele (TTR) – naprava iz serije elektronskih komponent brez mehanskega delovanja. Odsotnost mehanike odpira več možnosti ljubiteljem elektronike, da z lastnimi rokami izdelajo polprevodniški rele za osebno uporabo.

Oglejmo si to možnost podrobneje.

Zgradba in načelo delovanja TTR

Če večina takšne elektronike tradicionalno vsebuje premikajoče se dele kontaktnih skupin, polprevodniški rele takšnih delov sploh nima. Preklapljanje vezja s shemo naprave poteka po načelu elektronskega stikala. Vlogo elektronskih stikal pa običajno opravljajo v telo releja vgrajeni polprevodniki – močnostni tranzistorji, triaki, tiristorji.

Preden poskušate izdelati polprevodniški rele sami, je logično, da se seznanite z osnovno zgradbo takšnih naprav in razumete načelo njihovega delovanja.

V industrijski proizvodnji se proizvajajo polprevodniški releji različnih konfiguracij, namenjeni najrazličnejšim pogojem praktične uporabe. Izbira modifikacij je obsežna.

V okviru podrobnega preučevanja naprave je treba takoj izpostaviti prednosti TTR:

• preklapljanje močne obremenitve;
• visoka hitrost preklapljanja;
• idealna galvanska ločitev;
• sposobnost kratkotrajnega prenašanja visokih preobremenitev.

Med mehanskimi konstrukcijami resnično ni mogoče najti releja s podobnimi parametri. Na splošno so prednosti polprevodniških relejev v primerjavi z mehanskimi sorodniki izražene z impresivnim seznamom.

Dve elektronski napravi, ki funkcionalno zagotavljata preklapljanje vezij: leva je izdelana na podlagi polprevodniške konstrukcije, desna pa je tradicionalni mehanski sistem preklapljanja.

Pogoji uporabe za TTR praktično ne omejujejo uporabe teh naprav. Poleg tega odsotnost premikajočih se mehanskih delov ugodno vpliva na življenjsko dobo naprav. Zato obstajajo vsi razlogi, da se lotite polprevodniškega releja – sestavite napravo z lastnimi rokami.

Vendar, po pravici povedano, poleg pozitivnih vidikov je treba omeniti tudi lastnosti releja, ki so opisane kot pomanjkljivosti. Tako za delovanje močnih naprav praviloma potrebujemo dodaten konstrukcijski element, ki je namenjen odvajanju toplote.

Za primer komutacije močne obremenitve so polprevodniški releji skoraj vedno dopolnjeni z močnimi hladilnimi radiatorji. Ta vidik nekoliko otežuje uporabo TTR.

Hladilni radiatorji polprevodniških relejev imajo dimenzije, ki večkrat presegajo dimenzije TTR, kar zmanjšuje udobje in racionalnost montaže.

Naprave TTR med delovanjem (v zaprtem stanju) proizvajajo povratni tok uhajanja in kažejo nelinearno volt-ampersko karakteristiko. Vseh polprevodniških relejev ni dovoljeno uporabljati brez omejitev v karakteristikah komutiranih napetosti.

Konstrukcija za uporabo samo v vezjih, kjer napajanje poteka z enosmernim tokom. Običajno se te naprave odlikujejo z majhnimi gabariti in majhno močjo komutacije.

Posamezne vrste naprav so namenjene komutaciji samo enosmernega toka. Vgradnja polprevodniških relejev v vezje običajno zahteva uporabo dodatnih ukrepov za preprečevanje lažnih sprožitev.

Polprevodniške releje lahko pogosto najdemo v skupni električni omarici stanovanja.

Kako deluje polprevodniški rele?

Krmilni signal (običajno nizkonapetostni, ki prihaja na primer iz krmilnega krmilnika) se dovaja na LED optoelektronskega para, ki je prisoten v vezju TTR. LED začne oddajati svetlobo proti fotodiodi, ta pa se odpre in začne prepuščati tok.

Posplošena shema TTR, ki nazorno prikazuje, kako deluje elektronska naprava: 1 – vir krmilne napetosti; 2 – optopar znotraj ohišja releja; 3 – vir toka obremenitve; 4 – obremenitev.

Tok, ki teče skozi fotodiodo, pride na krmilno elektrodo ključnega tranzistorja ali tiristorja. Ključ se odpre in sklene vezje obremenitve.

Tako deluje funkcija komutacije naprave. Vsa elektronika je tradicionalno zaprta v monolitno ohišje. Pravzaprav je zato naprava dobila ime polprevodniški rele.

O tem, kako priključiti polprevodniški rele, si lahko preberete v tem gradivu.

Različice polprevodniških stikal

Celotno obstoječo paleto naprav lahko pogojno razdelimo v skupine glede na kategorijo priključene obremenitve, značilnosti nadzora in komutacije napetosti.

Tako bomo skupaj dobili tri skupine:

1. Naprave, ki delujejo v tokokrogih enosmernega toka.
2. Naprave, ki delujejo v tokokrogih izmeničnega toka.
3. Univerzalne konstrukcije.

Prva skupina vključuje naprave z delovnimi krmilnimi napetostmi 3–32 V. To je relativno majhna elektronika, opremljena z LED indikacijo, ki lahko nemoteno deluje pri temperaturah od –35 do +75 °C.

Široko razširjena izvedba elektronske naprave za uporabo v enofaznem električnem omrežju. Obstajajo tudi druge konstrukcijske različice, vendar precej redkeje.

Druga skupina – naprave, namenjene za vgradnjo v omrežja izmenične napetosti. Tukaj so predstavljene konstrukcije trdnoelektronskih relejev (TTR) za vgradnjo v omrežja izmeničnega toka, krmiljene z napetostjo 24–250 V. Obstajajo naprave, ki lahko komutirajo visoko moč obremenitve.

Tretja skupina – naprave univerzalnega namena. Vezavna tehnika te vrste naprav podpira ročno nastavitev za uporabo v določenih pogojih.

Če izhajamo iz narave priključene obremenitve, je treba ločiti dve vrsti trdnoelektronskih relejev za izmenični tok: enofazne in trifazne. Obe vrsti sta zasnovani za komutacijo dovolj močne obremenitve pri tokih 10 – 75 A. Pri tem lahko kratkotrajne konične vrednosti toka dosežejo 500 A.

Široko razširjena izvedba za uporabo v trifaznem električnem omrežju. Pogosto se uporablja kot linearni regulator močnih električnih grelnikov (TEN).

Kot obremenitev, ki jo komutirajo trdnoelektronski releji, lahko nastopajo kapacitivna, uporovna in indukcijska vezja. Konstrukcije stikal omogočajo brez nepotrebnega hrupa gladko krmiljenje na primer grelnih elementov, žarnic z žarilno nitko in elektromotorjev.

Zanesljivost delovanja je precej visoka. Toda stabilnost in trajnost trdnoelektronskih relejev sta v veliki meri odvisni od kakovosti proizvodnje izdelkov. Tako se naprave, izdelane pod neko blagovno znamko «Impuls», pogosto odlikujejo s kratko življenjsko dobo.

Po drugi strani pa izdelki podjetja «Schneider Electric» ne dajejo razloga za kritiko.

Kako izdelati TTR z lastnimi rokami?

Glede na konstrukcijsko posebnost naprave (monolit) se vezje ne sestavlja na tiskanem vezju, kot je običajno, ampak z visečim načinom montaže.

Takole izgleda doma narejena konstrukcija trdnoelektronskega releja. Narediti kaj podobnega ni težko. Potrebno je le osnovno znanje elektronike in elektrotehnike. Materialni stroški so majhni.

Veliko je shematičnih rešitev v tej smeri. Konkretna različica je odvisna od zahtevane komutacijske moči in drugih parametrov.

Elektronske komponente za sestavo vezja

Seznam elementov preprostega vezja za praktično obvladovanje in izdelavo trdnoelektronskega releja z lastnimi rokami je naslednji:

1. Optoplazni par tipa MOC3083.
2. Triak tipa BT139-800.
3. Tranzistor serije KT209.
4. Upori, zener dioda, LED.

Vsi navedeni elektronski sestavni deli so spajkani z žično montažo v skladu z naslednjo shemo:

Shematski diagram nizkomočnega trdnostnega releja za samostojno sestavljanje. Majhno število sestavnih delov in preprosta žična montaža omogočata spajkanje sheme brez težav.

Zaradi uporabe optokoplerja MOS3083 v shemi za generiranje krmilnega signala se lahko vhodna napetost spreminja od 5 do 24 V.

Zaradi verižice, sestavljene iz zener diode in omejevalnega upora, je tok, ki teče skozi kontrolno LED, zmanjšan na najmanjšo možno vrednost. Takšna rešitev zagotavlja dolgo življenjsko dobo kontrolne LED.

Preverjanje delovanja sestavljenega vezja

Sestavljeno shemo je treba preveriti glede delovanja. Pri tem ni nujno priključiti bremenske napetosti 220 V v preklopni tokokrog prek triaka. Dovolj je, da vzporedno s preklopno linijo triaka priključite merilni instrument – tester.

Preverjanje delovanja trdnostnega releja s pomočjo merilnega instrumenta. Če je na vhod naprave priključena krmilna napetost, mora biti prehod triaka odprt.

Merilni način testerja je treba nastaviti na 'MΩ' in priključiti napajanje (5–24 V) na shemo generiranja krmilne napetosti. Če vse deluje pravilno, mora tester pokazati razliko v upornosti od 'MΩ' do 'kΩ'.

Zgradba monolitnega ohišja

Za podlago ohišja bodočega trdnostnega releja potrebujemo aluminijasto ploščo debeline 3–5 mm. Dimenzije plošče niso kritične, vendar morajo ustrezati pogojem za učinkovito odvajanje toplote od triaka pri segrevanju tega elektronskega elementa.

Okvir za zalivanje ohišja bodoče naprave. Narejen je iz kartonskega traku ali drugih ustreznih materialov. Na aluminijasto podlago se pritrdi z univerzalnim lepilom.

Površina aluminijaste plošče mora biti ravna. Dodatno je treba obdelati obe strani – očistiti s finim brusnim papirjem, polirati.

V naslednjem koraku se pripravljena plošča opremi z 'opažem' – po obodu se prilepi rob iz trdega kartona ali plastike. Dobiti bi morali nekakšno škatlo, ki bo kasneje zalita z epoksidno smolo.

V notranjost ustvarjene škatle se namesti sestavljena 'žična' elektronska shema trdnostnega releja. Na površino aluminijaste plošče se položi le triak.

Pritrditev triaka na aluminijasto podlago. Glavni pogoj – ta elektronski sestavni del je treba tesno pritisniti ob kovinsko podlago. Le tako je zagotovljeno kakovostno odvajanje toplote in zanesljivost delovanja.

Nobeni drugi deli in vodniki vezja se ne smejo dotikati aluminijaste podlage. Triak se na aluminij pritrdi s tistim delom ohišja, ki je namenjen namestitvi na hladilnik.

Uporabiti je treba toplotno prevodno pasto na stični površini ohišja triaka in aluminijaste podlage. Nekatere znamke triakov z neizolirano anodo je treba namestiti preko sljudnega podložka.

Različica pritrditve triaka na podlago s pomočjo kovice. Na hrbtni strani se kovica splošči v ravnini s površino podlage.

Triak je treba tesno pritisniti na podlago s kakšnim bremenom in zaliti po obodu z epoksi lepilom ali pa ga pritrditi na kakšen način, ne da bi poškodovali gladkost hrbtne strani podlage (na primer s kovico).

Priprava kompounda in zalivanje ohišja

Za izdelavo trdnega telesa elektronske naprave bo treba pripraviti kompaundno mešanico. Sestava kompaundne mešanice temelji na dveh komponentah:

1. Epoksidna smola brez trdilca.
2. Prah alabastra.

Z dodajanjem alabastra uporabnik reši dve nalogi hkrati – dobi zadosten volumen zalivnega kompaunda pri nazivni porabi epoksidne smole in ustvari zalivko optimalne konsistence.

Mešanico je treba temeljito premešati, nato se lahko doda trdilec in ponovno temeljito premeša. Nato se previdno zalije 'nadgradno' montažo znotraj kartonskega zaboja s pripravljenim kompaundom.

Tako izgleda končni primerek trdostanjskega releja, sestavljenega z lastnimi rokami. Nekoliko nenavadno in ne zelo predstavljivo, a dovolj zanesljivo.

Zalivanje se izvede do zgornjega nivoja, pri čemer na površini ostane le del glave kontrolne svetleče diode. Površina kompaunda je lahko sprva videti ne povsem gladka, a čez nekaj časa se bo slika spremenila. Preostane le še počakati na popolno strditev ulitka.

V bistvu lahko uporabimo vse za ulivanje primerne mešanice. Glavno merilo je, da sestava zalivke ne sme biti električno prevodna, poleg tega pa mora po strjevanju oblikovati dobro stopnjo togosti ulitka. Ulito ohišje trdostanjskega releja je neke vrste zaščita elektronskega vezja pred naključnimi fizičnimi poškodbami.

Zaključki in koristen video na to temo

Ta videoposnetek prikazuje, kako in na podlagi katerih elektronskih komponent je mogoče izdelati trdostanjski rele. Avtor nazorno pove o vseh podrobnostih prakse izdelave, s katerimi se je osebno srečal v procesu proizvodnje elektronskega stikala:

Videoposnetek o težavi, s katero se lahko srečate po nakupu enofaznega TTR pri prodajalcih iz Kitajske. Ob tem poda svojevrsten pregled naprave komutacijskega aparata:

Samostojna izdelava trdostanjskih relejev – povsem možna rešitev, vendar velja za izdelke za nizkonapetostno obremenitev, ki porabi relativno majhno moč.

Močnejše in visokonapetostne naprave je težko izdelati sam. Prav tako bo ta podvig stal približno toliko, kot znaša cena tovarniškega primerka. Zato je v primeru potrebe lažje kupiti že izdelano industrijsko napravo.

Če imate vprašanja o sestavi polprevodniškega releja, jih prosimo zastavite v bloku za komentarje, mi pa vam bomo poskušali dati čim bolj razumljiv odgovor. Tam lahko delite tudi izkušnje z lastno izdelavo releja ali sporočite koristne informacije v zvezi s temo članka.