SSR- oder Halbleiterrelais sind elektrische Hochleistungsschalter, die ohne mechanische Kontakte arbeiten. Stattdessen verwenden sie Halbleiterhalbleiter wie MOSFETs zum Schalten einer elektrischen Last.

SSRs können für den Betrieb von Hochleistungslasten über eine kleine Eingangsauslösespannung mit vernachlässigbarem Strom verwendet werden.

Diese Geräte können sowohl für den Betrieb von Hochleistungs-Wechselstromlasten als auch verwendet werden Gleichstromlasten .

Halbleiterrelais sind im Vergleich zu hocheffizient elektromechanische Relais aufgrund einiger Besonderheiten.

Hauptmerkmale und Vorteile von SSR

Die Hauptmerkmale und Vorteile von Halbleiterrelais oder SSRs sind:

SSRs können einfach mit einer minimalen Anzahl gewöhnlicher elektronischer Teile gebaut werden
Sie arbeiten ohne Klickgeräusche, da keine mechanischen Kontakte vorhanden sind.
Festkörper zu sein bedeutet auch, dass SSRs viel schneller schalten können als die herkömmlichen elektromechanischen Typen.
SSRs hängen beim Einschalten nicht von der externen Versorgung ab, sondern ziehen die Versorgung aus der Last selbst.
Sie arbeiten mit vernachlässigbarem Strom und entladen daher die Batterie in batteriebetriebenen Systemen nicht. Dies stellt auch einen vernachlässigbaren Leerlaufstrom für das Gerät sicher.

Grundlegendes SSR-Arbeitskonzept mit MOSFETs

In einem meiner früheren Beiträge habe ich erklärt, wie ein MOSFET basiert bidirektionaler Schalter kann wie ein Standard für den Betrieb jeder gewünschten elektrischen Last verwendet werden mechanischer Schalter , aber mit außergewöhnlichen Vorteilen.

Das gleiche bidirektionale MOSFET-Schalterkonzept könnte angewendet werden, um ein ideales SSR-Gerät herzustellen.

Informationen zu einer Triac-basierten SSR finden Sie hier zu diesem Beitrag

Grundlegendes SSR-Design

In dem oben gezeigten grundlegenden SSR-Design sehen wir einige MOSFETs T1 und T2 mit geeigneter Nennleistung, die hintereinander verbunden sind und deren Source- und Gate-Anschlüsse miteinander verbunden sind.

D1 und D2 sind die internen Körperdioden der jeweiligen MOSFETs, die bei Bedarf mit externen parallelen Dioden verstärkt werden können.

Eine Eingangs-Gleichstromversorgung ist auch an den gemeinsamen Gate- / Source-Anschlüssen der beiden MOSFETs angebracht. Diese Versorgung dient zum Auslösen der MOSFETs ON oder zum Aktivieren des permanenten Einschaltens der MOSFETs, während die SSR-Einheit in Betrieb ist.

“Volladdierer mit Nand-Gates ”

Die Wechselstromversorgung, die bis zum Netznetz reichen kann, und die Last sind über die beiden Abflüsse der MOSFETs in Reihe geschaltet.

Wie es funktioniert

Die Funktionsweise des vorgeschlagenen Relais für den verkauften Zustand kann anhand des folgenden Diagramms und der entsprechenden Details verstanden werden:

Bei der obigen Einstellung befinden sich T1 und T2 aufgrund der angeschlossenen Eingangstorversorgung beide in der eingeschalteten Position. Wenn der lastseitige AC-Eingang eingeschaltet ist, zeigt das linke Diagramm, wie der positive Halbzyklus durch das relevante MOSFET / Dioden-Paar (T1, D2) leitet, und das rechte Diagramm zeigt, wie der negative AC-Zyklus durch den anderen komplementären MOSFET / leitet. Diodenpaar (T2, D1).

Im linken Diagramm sehen wir, dass einer der AC-Halbzyklen T1 und D2 durchläuft (T2 ist in Sperrrichtung vorgespannt) und schließlich den Zyklus über die Last abschließt.

Das Diagramm auf der rechten Seite zeigt, wie der andere Halbzyklus die Schaltung in die entgegengesetzte Richtung vervollständigt, indem er durch die Last T2, D1 leitet (wobei T1 in diesem Fall in Sperrrichtung vorgespannt ist).

Auf diese Weise ermöglichen die beiden MOSFETs T1, T2 zusammen mit ihren jeweiligen Körperdioden D1, D2, dass beide Halbzyklen des Wechselstroms leiten, die Wechselstromlast perfekt versorgen und die SSR-Rolle effizient erfüllen.

Erstellen einer praktischen SSR-Schaltung

Bisher haben wir den theoretischen Aufbau eines SSR gelernt. Lassen Sie uns nun fortfahren und sehen, wie ein praktisches Halbleiterrelaismodul zum Schalten einer gewünschten Hochleistungs-Wechselstromlast ohne externen Gleichstromeingang gebaut werden kann.

Die obige SSR-Schaltung ist genau auf die gleiche Weise konfiguriert, wie sie in der früheren Grundkonstruktion erörtert wurde. Hier finden wir jedoch zwei zusätzliche Dioden D1 und D2 zusammen mit den MOSFET-Körperdioden D3, D4.

Die Dioden D1, D2 werden für einen bestimmten Zweck eingeführt, so dass sie in Verbindung mit den MOSFET-Körperdioden D3, D4 einen Brückengleichrichter bilden.

“Wie erstelle ich einen Mini-Elektrozaun ”

Der winzige EIN-AUS-Schalter kann zum Ein- und Ausschalten des SSR verwendet werden. Dieser Schalter kann ein Reedschalter oder ein beliebiger Niedrigstromschalter sein.

Beim Hochgeschwindigkeitsschalten können Sie den Schalter durch einen ersetzen Optokoppler Wie nachfolgend dargestellt.

Im Wesentlichen erfüllt die Schaltung nun 3 Anforderungen.

Es versorgt die Wechselstromlast über die MOSFET / Dioden-SSR-Konfiguration.
Der durch D1 - D4 gebildete Brückengleichrichter wandelt gleichzeitig den Lastwechselstromeingang in gleichgerichteten und gefilterten Gleichstrom um, und dieser Gleichstrom wird zum Vorspannen der Gates der MOSFETs verwendet. Dies ermöglicht es den MOSFETs, durch den Lastwechselstrom selbst angemessen eingeschaltet zu werden, ohne von einem externen Gleichstrom abhängig zu sein.
Der gleichgerichtete Gleichstrom wird ferner als zusätzlicher Gleichstromausgang abgeschlossen, der zur Versorgung jeder geeigneten externen Last verwendet werden kann.

Schaltungsproblem

Ein genauerer Blick auf das obige Design legt nahe, dass dieses SSR-Design Probleme haben könnte, die beabsichtigte Funktion effizient zu implementieren. Dies liegt daran, dass in dem Moment, in dem der Schalt-Gleichstrom am Gate des MOSFET ankommt, er sich einschaltet, wodurch der Strom durch den Drain / die Source umgangen wird und die Gate / Source-Spannung abnimmt.

Betrachten wir den MOSFET T1. Sobald der gleichgerichtete Gleichstrom das Gate von T1 erreicht, schaltet er sich ab etwa 4 V rechts ein und verursacht einen Bypass-Effekt der Versorgung über seine Drain / Source-Anschlüsse. In diesem Moment wird der Gleichstrom Schwierigkeiten haben, über die Zenerdiode zu steigen und gegen Null zu fallen.

Dies führt wiederum dazu, dass der MOSFET ausgeschaltet wird und zwischen dem MOSFET-Drain / Source und dem MOSFET-Gate / Source ein ständiger Kampf oder ein Tauziehen auftritt, wodurch verhindert wird, dass der SSR ordnungsgemäß funktioniert.

Die Lösung

Die Lösung des obigen Problems könnte unter Verwendung des folgenden beispielhaften Schaltungskonzepts erreicht werden.

Das Ziel hierbei ist es sicherzustellen, dass die MOSFETs nicht leiten, bis über die Zenerdiode oder über das Gate / die Source der MOSFETs ein Optimum von 15 V entwickelt wird

Der Operationsverstärker stellt sicher, dass sein Ausgang erst ausgelöst wird, wenn die Gleichstromleitung die Referenzschwelle der 15-V-Zenerdiode überschreitet, wodurch die MOSFET-Gatter eine optimale Gleichspannung von 15 V für die Leitung erhalten.

Die rote Linie, die Pin3 des IC 741 zugeordnet ist, kann durch einen Optokoppler für das erforderliche Schalten von einer externen Quelle umgeschaltet werden.

Wie es funktioniert : Wie wir sehen können, ist der invertierende Eingang des Operationsverstärkers mit dem 15-V-Zener verbunden, der einen Referenzpegel für den Operationsverstärker Pin2 bildet. Pin3, der nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers, ist mit der positiven Leitung verbunden. Diese Konfiguration stellt sicher, dass der Ausgangspin6 des Operationsverstärkers nur dann eine 15-V-Versorgung erzeugt, wenn seine Pin3-Spannung die 15-V-Marke erreicht. Die Aktion stellt sicher, dass die MOSFETs nur durch eine gültige optimale 15-V-Gate-Spannung leiten, was ein ordnungsgemäßes Funktionieren des SSR ermöglicht.