Ein Wechselstrom-Festkörperrelais oder SSR ist ein Gerät, das zum Schalten schwerer Wechselstromlasten auf Netzebene durch isolierte minimale Gleichspannungsauslöser verwendet wird, ohne dass mechanische bewegliche Kontakte eingebaut werden.

In diesem Beitrag lernen wir, wie man ein einfaches Halbleiterrelais oder eine SSR-Schaltung unter Verwendung eines Triac, BJTs, eines Nulldurchgangs-Optokopplers konstruiert.

Vorteil der Festkörper-SSR gegenüber mechanischen Relais

Relais vom mechanischen Typ können in Anwendungen, die ein sehr reibungsloses, sehr schnelles und sauberes Schalten erfordern, ziemlich ineffizient sein.

Die vorgeschlagene Schaltung eines SSR kann zu Hause gebaut und an Orten verwendet werden, die ein wirklich ausgeklügeltes Lasthandling erfordern.

In diesem Artikel wird eine Halbleiterrelaisschaltung mit eingebautem Nulldurchgangsdetektor beschrieben.

Die Schaltung ist sehr einfach zu verstehen und aufzubauen, bietet jedoch nützliche Funktionen wie sauberes Schalten, frei von HF-Störungen und in der Lage, Lasten bis zu 500 Watt zu bewältigen. Wir haben viel über Relais und deren Funktionsweise gelernt.

Wir wissen, dass diese Geräte zum Schalten schwerer elektrischer Lasten über ein externes isoliertes Kontaktpaar als Reaktion auf einen kleinen elektrischen Impuls verwendet werden, der von einem elektronischen Schaltkreisausgang empfangen wird.

“Halbwelle vs Vollwellengleichrichter ”

Normalerweise befindet sich der Triggereingang in der Nähe der Relaisspulenspannung, die 6, 12 oder 24 V DC betragen kann, während die von den Relaiskontakten geschaltete Last und der Strom meist auf dem Niveau der Wechselstromnetzpotentiale liegen.

Grundsätzlich sind Relais nützlich, da sie in der Lage sind, schwere Verbindungen zu ihren Kontakten umzuschalten, ohne die gefährlichen Potentiale mit dem anfälligen elektronischen Schaltkreis in Kontakt zu bringen, durch den sie geschaltet werden.

Die Vorteile gehen jedoch mit einigen kritischen Nachteilen einher, die nicht ignoriert werden können. Da die Kontakte mechanische Operationen beinhalten, sind sie manchmal mit ausgeklügelten Schaltungen, die ein hochgenaues, schnelles und effizientes Schalten erfordern, ziemlich unfähig.

Mechanische Relais haben auch den schlechten Ruf, beim Schalten HF-Interferenzen und Rauschen zu erzeugen, was auch zu einer Verschlechterung der Kontakte mit der Zeit führt.

Für eine MOSFET-basierte SSR bitte Siehe diesen Beitrag

Verwenden von SCR ot Triac zur Herstellung von SSR

Triacs und SCRs gelten als guter Ersatz an Orten, an denen sich die oben genannten Relais als ineffizient erweisen. Auch diese können jedoch Probleme bei der Erzeugung von HF-Interferenzen während des Betriebs verursachen.

Auch SCRs und Triacs müssen, wenn sie direkt in elektronische Schaltkreise integriert sind, die Erdungsleitung des Schaltkreises mit seiner Kathode verbinden, was bedeutet, dass der Schaltungsabschnitt jetzt nicht mehr von den tödlichen Wechselspannungen des Geräts isoliert ist - ein schwerwiegender Nachteil in Bezug auf die Sicherheit des Geräts Benutzer ist besorgt.

“Was ist das Gleichtaktunterdrückungsverhältnis? ”

Ein Triac kann jedoch sehr effizient implementiert werden, wenn die oben diskutierten Nachteile vollständig behoben sind. Daher sind die beiden Dinge, die mit Triacs entfernt werden müssen, wenn sie effizient gegen Relais ausgetauscht werden sollen, HF-Störungen während der Umschaltung und der Eintritt des gefährlichen Netzes in den Stromkreis.

Halbleiterrelais sind genau mit den oben genannten Spezifikationen konstruiert, wodurch HF-Inferenzen vermieden werden und die beiden Stufen vollständig von anderen ferngehalten werden.

Kommerzielle SSRs können sehr kostspielig sein und können nicht gewartet werden, wenn etwas schief geht. Es kann jedoch genau das sein, was der „Arzt“ bestellt hat, ein Festkörperrelais von Ihnen selbst herzustellen und es für die erforderliche Anwendung zu verwenden. Da es mit diskreten elektronischen Bauteilen gebaut werden kann, wird es vollständig reparierbar, modifizierbar und bietet Ihnen darüber hinaus eine klare Vorstellung von den internen Abläufen des Systems.

Hier werden wir die Herstellung eines einfachen Halbleiterrelais untersuchen.

Wie es funktioniert

Wie im obigen Abschnitt erläutert, wird bei dem vorgeschlagenen Entwurf einer SSR- oder Halbleiterrelaisschaltung die HF-Interferenz überprüft, indem der Triac gezwungen wird, nur um die Nullmarke der AC-Sinusphase zu schalten, und die Verwendung eines Optokopplers stellt sicher, dass der Eingang ist von den im Triac-Stromkreis vorhandenen Wechselstrom-Netzpotentialen fernhalten.

Versuchen wir zu verstehen, wie die Schaltung funktioniert:

Wie im Diagramm gezeigt, wird der Optokoppler zum Portal zwischen dem Trigger und dem Schaltkreis. Der Eingangstrigger wird an die LED des Optos angelegt, die leuchtet und den Fototransistor leiten lässt.
Die Spannung vom Fototransistor fließt über den Kollektor zum Emitter und erreicht schließlich das Gate des Triac, um ihn zu betreiben.

Die obige Operation ist ziemlich gewöhnlich und wird üblicherweise mit dem Auslöser aller Triacs und SCRs verbunden. Dies reicht jedoch möglicherweise nicht aus, um das HF-Rauschen zu beseitigen.

Der Abschnitt, der die drei Transistoren und einige Widerstände umfasst, wird insbesondere im Hinblick auf die Überprüfung der HF-Erzeugung eingeführt, indem sichergestellt wird, dass der Triac nur in der Nähe der Nullschwellen der Wechselstrom-Sinuswellenform leitet.

Wenn ein Wechselstromnetz an die Schaltung angelegt wird, steht am Kollektor des Optotransistors ein gleichgerichteter Gleichstrom zur Verfügung, der wie oben erläutert leitet. Die Spannung an der Verbindungsstelle der an die Basis von T1 angeschlossenen Widerstände wird jedoch so eingestellt, dass er sofort leitet nachdem die Wechselstromwellenform die 7-Volt-Marke überschritten hat. Solange die Wellenform über diesem Pegel bleibt, bleibt T1 eingeschaltet.

Dies erdet die Kollektorspannung des Optotransistors und verhindert, dass der Triac leitet. Sobald die Spannung jedoch 7 Volt erreicht und sich Null nähert, hören die Transistoren auf zu leiten, sodass der Triac schalten kann.

“wie funktioniert ein crt ”

Der Vorgang wird während des negativen Halbzyklus wiederholt, wenn T2, T3 als Reaktion auf Spannungen über minus 7 Volt erneut leitet, was sicherstellt, dass der Triac nur dann feuert, wenn sich das Phasenpotential Null nähert, wodurch die Induktion von Nulldurchgangs-HF-Interferenzen effektiv beseitigt wird.

Schaltplan der Festkörper-SSR-Schaltung

Teileliste für die vorgeschlagene Halbleiterrelaisschaltung

R1 = 120 K,
R2 = 680 K,
R3 = 1 K,
R4 = 330 K,
R5 = 1 M,
R6 = 100 Ohm 1 W,
C1 = 220 uF / 25 V,
C2 = 474/400 V metallisierter Polyester
C3 = 0,22 uF / 400 V PPC
Z1 = 30 Volt, 1 W,
T1, T2 = BC547B,
T3 = BC557B,
TR1 = BT 36,
OP1 = MCT2E oder ähnlich.

Leiterplattenlayout

Verwendung des SCR-Optokopplers 4N40

Mit dem Aufkommen moderner Optokoppler ist es heute wirklich einfach geworden, ein hochwertiges Halbleiterrelais (SSR) herzustellen. Der 4N40 ist eines dieser Geräte, das einen Foto-SCR für die erforderliche isolierte Auslösung einer Wechselstromlast verwendet.

Dieser Optokoppler kann einfach konfiguriert werden, um eine hochzuverlässige und effektive SSR-Schaltung zu erzeugen. Diese Schaltung kann zum Auslösen einer 220-V-Last über eine vollständig isolierte 5-V-Logiksteuerung verwendet werden, wie unten gezeigt: