Relé de estado sólido DIY: instruções de montagem e dicas de conexão

Transistor Darlington

Se a carga for muito poderosa, então a corrente através dela pode atingir
vários amplificadores. Para transistores de alta potência, o coeficiente $\beta$ pode
ser insuficiente. (Além disso, como pode ser visto na tabela, para poderosos
transistores, já é pequeno.)

Neste caso, você pode usar uma cascata de dois transistores. O primeiro
o transistor controla a corrente, que liga o segundo transistor. Tal
o circuito de comutação é chamado de circuito Darlington.

Neste circuito, os coeficientes $\beta$ dos dois transistores são multiplicados, o que
permite obter um coeficiente de transferência de corrente muito alto.

Para aumentar a velocidade de desligamento dos transistores, você pode conectar cada
emissor e resistor de base.

As resistências devem ser grandes o suficiente para não afetar a corrente
base - emissor. Os valores típicos são 5…10 kΩ para tensões de 5…12 V.

Os transistores Darlington estão disponíveis como um dispositivo separado. Exemplos
tais transistores são mostrados na tabela.

Caso contrário, a operação da chave permanece a mesma.

Vantagens e desvantagens

Ao contrário de outros tipos de relés, um relé de estado sólido não possui contatos móveis. A comutação de circuitos elétricos neste dispositivo é realizada de acordo com o princípio de uma chave eletrônica feita em semicondutores. Para evitar problemas ao criar um relé de estado sólido, é necessário entender o princípio de operação do dispositivo e seu design.

No entanto, vale a pena começar com uma descrição de suas principais vantagens:

• Capacidade de alternar cargas poderosas.
• A comutação ocorre em alta velocidade.
• Isolamento galvânico de alta qualidade.
• Capaz de suportar sobrecargas severas em um curto período de tempo.

Nenhum relé mecânico possui parâmetros semelhantes. O escopo do relé de estado sólido (SSR) é praticamente ilimitado. A ausência de elementos móveis no design aumenta significativamente a vida útil do dispositivo. No entanto, deve-se lembrar que o dispositivo não tem apenas vantagens. Algumas propriedades do SSR são desvantagens. Por exemplo, durante a operação de dispositivos potentes, torna-se necessário usar um elemento adicional para remover a energia térmica.

Muitas vezes, as dimensões do radiador excedem significativamente as dimensões do próprio relé. Em tal situação, a instalação do dispositivo é um pouco difícil.Quando o dispositivo é fechado, observa-se fuga de corrente nele, o que leva ao aparecimento de uma característica de corrente-tensão não linear.

Assim, ao usar um SSR, deve-se prestar atenção às características das tensões de comutação. Alguns tipos de dispositivos só podem funcionar em redes com corrente contínua.

Ao conectar um relé de estado sólido a um circuito, você precisa fornecer formas de proteção contra falsos positivos.

Estado sólido - devo usá-los?

Para começar, também consideraremos a viabilidade de usar esses relés. Por exemplo, um caso real:

Outro caso em que esses relés não são necessários:

Sobrecargas e proteção de relés de estado sólido serão discutidas em detalhes a seguir e, neste caso, é aconselhável usar um contator convencional, que lida bem com sobrecarga e custa 10 vezes menos.

Portanto, não vale a pena perseguir a moda, mas é melhor aplicar um cálculo sóbrio. Cálculo de corrente e finanças.

Se vier à mente de alguém, você pode ligar um motor de 10 kW com um botão de campainha ou um interruptor de palheta! Mas não é tão simples, os detalhes estarão abaixo.

Finalidade e tipos

Um relé de controle de corrente é um dispositivo que responde a mudanças repentinas na magnitude da corrente elétrica de entrada e, se necessário, desliga a energia de um determinado consumidor ou de todo o sistema de alimentação. Seu princípio de operação é baseado na comparação de sinais elétricos externos e resposta instantânea caso não correspondam aos parâmetros operacionais do dispositivo. Ele é usado para operar um gerador, bomba, motor de carro, máquinas-ferramentas, eletrodomésticos e muito mais.

Existem tais tipos de dispositivos de corrente contínua e alternada:

1. intermediário;
2. Protetora;
3. Medindo;
4. pressão;
5. Tempo.

Um dispositivo intermediário ou relé de corrente máxima (RTM, RST 11M, RS-80M, REO-401) é usado para abrir ou fechar os circuitos de uma determinada rede elétrica quando um determinado valor de corrente é atingido. É mais frequentemente usado em apartamentos ou casas para aumentar a proteção de equipamentos domésticos contra surtos de tensão e corrente.

O princípio de funcionamento de um dispositivo térmico ou de proteção baseia-se no controle da temperatura dos contatos de um determinado dispositivo. É usado para proteger os dispositivos contra superaquecimento. Por exemplo, se o ferro superaquecer, esse sensor desligará automaticamente a energia e o ligará depois que o dispositivo esfriar.

Um relé estático ou de medição (REV) ajuda a fechar os contatos do circuito quando um determinado valor de corrente elétrica aparece. Seu principal objetivo é comparar os parâmetros de rede disponíveis e os necessários, bem como responder rapidamente às suas alterações.

Pressostato (RPI-15, 20, RPZH-1M, FQS-U, FLU e outros) é necessário para controlar líquidos (água, óleo, óleo), ar, etc. os indicadores definidos são atingidos pela pressão. Frequentemente usado em sistemas de encanamento e em estações de serviço de automóveis.

Relés de retardo de tempo (fabricante EPL, Danfoss, também modelos PTB) são necessários para controlar e desacelerar a resposta de certos dispositivos quando uma fuga de corrente ou outra falha de rede é detectada. Tais dispositivos de proteção de relés são usados ​​tanto na vida cotidiana quanto na indústria. Impedem a ativação prematura do modo de emergência, o funcionamento do RCD (também é um relé diferencial) e dos disjuntores.O esquema de sua instalação é frequentemente combinado com o princípio de incluir equipamentos de proteção e diferenciais na rede.

Além disso, também existem relés eletromagnéticos de tensão e corrente, mecânicos, de estado sólido, etc.

Um relé de estado sólido é um dispositivo monofásico para comutação de altas correntes (a partir de 250 A), proporcionando proteção galvânica e isolamento de circuitos elétricos. Trata-se, na maioria dos casos, de equipamentos eletrônicos projetados para responder com rapidez e precisão a problemas de rede. Outra vantagem é que tal relé de corrente pode ser feito à mão.

Por design, os relés são classificados em mecânicos e eletromagnéticos e agora, como mencionado acima, em eletrônicos. O mecânico pode ser usado em várias condições de trabalho, não requer um circuito complexo para conectá-lo, é durável e confiável. Mas, ao mesmo tempo, não é preciso o suficiente. Portanto, agora suas contrapartes eletrônicas mais modernas são usadas principalmente.

Guia de seleção

Devido às perdas elétricas nos semicondutores de potência, os relés de estado sólido aquecem quando a carga é comutada. Isso impõe uma limitação na quantidade de corrente comutada. Uma temperatura de 40 graus Celsius não causa deterioração nos parâmetros operacionais do dispositivo. No entanto, o aquecimento acima de 60C reduz muito o valor permitido da corrente comutada. Neste caso, o relé pode entrar em um modo de operação não controlado e falhar.

Portanto, durante a operação de longo prazo do relé nos modos nominais e especialmente "pesados" (com comutação de longo prazo de correntes acima de 5 A), é necessário o uso de radiadores.Em cargas aumentadas, por exemplo, no caso de uma carga de natureza "indutiva" (solenóides, eletroímãs, etc.), é recomendável escolher dispositivos com uma grande margem de corrente - 2-4 vezes e, no caso de controlando um motor elétrico assíncrono, margem atual de 6-10 vezes.

Ao trabalhar com a maioria dos tipos de cargas, a ativação do relé é acompanhada por um surto de corrente de várias durações e amplitudes, cujo valor deve ser levado em consideração ao escolher:

• cargas puramente ativas (aquecedores) fornecem os menores surtos de corrente possíveis, que são praticamente eliminados ao usar relés com comutação para "0";
• lâmpadas incandescentes, lâmpadas halógenas, quando ligadas, passam uma corrente 7 ... 12 vezes mais que a nominal;
• lâmpadas fluorescentes durante os primeiros segundos (até 10 s) fornecem picos de corrente de curto prazo, 5 ... 10 vezes maiores que a corrente nominal;
• lâmpadas de mercúrio dão uma sobrecarga de corrente tripla durante os primeiros 3-5 minutos;
• enrolamentos de relés eletromagnéticos de corrente alternada: a corrente é 3 ... 10 vezes maior que a corrente nominal por 1-2 períodos;
• enrolamentos de solenóides: a corrente é 10 ... 20 vezes maior que a corrente nominal para 0,05 - 0,1 s;
• motores elétricos: a corrente é 5 ... 10 vezes maior que a corrente nominal para 0,2 - 0,5 s;
• cargas altamente indutivas com núcleos saturáveis ​​(transformadores em marcha lenta) quando ligados na fase de tensão zero: a corrente é 20 ... 40 vezes a corrente nominal para 0,05 - 0,2 s;
• cargas capacitivas quando ligado em uma fase próxima a 90°: a corrente é 20 ... 40 vezes a corrente nominal por um tempo de dezenas de microssegundos a dezenas de milissegundos.

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A capacidade de suportar sobrecargas de corrente é caracterizada pela magnitude da "corrente de choque".Esta é a amplitude de um único pulso de uma determinada duração (geralmente 10 ms). Por relé CC este valor é geralmente 2 a 3 vezes maior que o valor da corrente contínua máxima permitida, para relés de tiristores essa relação é de cerca de 10. Para sobrecargas de corrente de duração arbitrária, pode-se proceder de uma dependência empírica: um aumento na duração da sobrecarga em uma ordem de magnitude leva a uma diminuição na amplitude de corrente permitida. O cálculo da carga máxima é apresentado na tabela abaixo.

Tabela para calcular a carga máxima para um relé de estado sólido.

A escolha da corrente nominal para uma carga específica deve ser na razão entre a margem da corrente nominal do relé e a introdução de medidas adicionais para reduzir as correntes de partida (resistências limitadoras de corrente, reatores, etc.).

Para aumentar a resistência do dispositivo ao ruído de impulso, um circuito externo é colocado em paralelo com os contatos de comutação, consistindo de um resistor conectado em série e capacitância (circuito RC). Para uma proteção mais completa contra a fonte de sobretensão no lado da carga, é necessário conectar varistores de proteção em paralelo com cada fase do SSR.

Esquema conexões de relé de estado sólido.

Ao comutar uma carga indutiva, o uso de varistores de proteção é obrigatório. A escolha do valor requerido do varistor depende da tensão que alimenta a carga e é calculada pela fórmula: Uvaristor = (1,6 ... 1,9) x Uload.

O tipo de varistor é determinado com base nas características específicas do dispositivo. Os varistores domésticos mais populares são as séries: CH2-1, CH2-2, VR-1, VR-2.O relé de estado sólido fornece bom isolamento galvânico dos circuitos de entrada e saída, bem como circuitos de condução de corrente dos elementos estruturais do dispositivo, portanto, não são necessárias medidas adicionais de isolamento do circuito.

Características do processo de fabricação

A carga do elemento de aquecimento é W.
A entrada é o circuito primário no qual uma resistência constante é definida.
No usual para acionar qualquer mecanismo elétrico, são usados ​​contatos que fecham e abrem periodicamente.
Potência de saída da ordem de W. Aqui no circuito existem duas opções de entrada: entrada de controle diretamente para o diodo optoacoplador e o sinal de entrada fornecido através do transistor. A comutação de circuitos elétricos neste dispositivo é realizada de acordo com o princípio de uma chave eletrônica feita em semicondutores.
As recomendações para a escolha dos resfriadores são fornecidas na documentação técnica de um relé de estado sólido específico, portanto, é impossível fornecer conselhos universais. Sob certas condições, relés de estado sólido podem ser usados ​​para dar partida em motores de indução.

Portanto, há o máximo atraso de desligamento possível entre a remoção do sinal de entrada e a desconexão da corrente de carga em meio ciclo. Isolamento de alta qualidade entre circuitos de controle e carga. Esses relés silenciosos são um bom substituto para contatores e partidas. O mesmo princípio de ajuste é usado em dimmers de iluminação doméstica.Quando o sinal de tensão de entrada CC é removido, a saída não desliga repentinamente, porque após a condução ter sido acionada, o tiristor ou triac usado como dispositivo de comutação permanece ligado pelo restante do meio ciclo até que as correntes de carga caiam abaixo da corrente dispositivos de retenção, momento em que desliga.

Vídeo: teste de relé de estado sólido. É necessário destacar as seguintes propriedades dos relés de estado sólido: Com a ajuda do isolamento óptico, é fornecido o isolamento de vários circuitos de um dispositivo eletrônico. Nos modelos de estado sólido, esse papel é desempenhado por tiristores, transistores e triacs.

Com sua ajuda, os contatos são atraídos. A proteção pode ser localizada dentro da carcaça do relé e separadamente

Observe que, para triacs, as conclusões geralmente são ambíguas, portanto, elas precisam ser verificadas com antecedência. Para aplicar tensão à carga, é usado um circuito de comutação, que inclui um transistor, um diodo de silício e um triac

Neste exemplo, qualquer valor de resistor preferido entre ohms e ohms servirá.
Relé de estado sólido em vez de contator.

Opções de controle de energia de carga

Hoje, existem duas opções principais para gerenciamento de energia. Vamos considerar cada um deles com mais detalhes:

1. CONTROLE DE FASE. Aqui, o sinal de saída para I na carga tem a forma de uma senóide. A tensão de saída é definida em 10, 50 e 90 por cento. As vantagens de tal esquema são óbvias - a suavidade do sinal de saída, a capacidade de conectar diferentes tipos de cargas. Menos - a presença de interferência no processo de comutação.
2. CONTROLE COM COMUTAÇÃO (NO PROCESSO DE TRANSIÇÃO AO ZERO).A vantagem do método de controle é que durante a operação do relé de estado sólido não é criada nenhuma interferência que interfira com o terceiro harmônico durante o processo de comutação. Das deficiências - aplicação limitada. Este esquema de controle é adequado para cargas capacitivas e resistivas. Seu uso com uma carga altamente indutiva não é recomendado.

Apesar do preço mais alto, os relés de estado sólido substituirão gradualmente os dispositivos padrão por contatos. Isso se deve à sua confiabilidade, ausência de ruído, facilidade de manutenção e longa vida útil.

Ter falhas não tem um impacto negativo, se você abordar corretamente a seleção e instalação do dispositivo.

Vantagens e desvantagens

Para a fabricação de um relé de estado sólido, você pode usar cadeias compostas por um circuito de controle e um triac. Para melhorar o processo de dissipação de calor, deve-se utilizar pasta térmica, colocando-a em toda a área de contato da base de alumínio e do elemento semicondutor. Isso ocorre porque os relés de estado sólido de comutação CA usam o SCR e o triac como o dispositivo de comutação de saída, que continua a conduzir depois que a entrada é removida até que a corrente CA que flui através do dispositivo caia abaixo de seu limite ou retenha seu valor. Adequado para conduzir cargas resistivas, capacitivas e indutivas.
Neste caso, é necessário selecionar uma fonte com potência suficiente para ligar todo o grupo de relés.
Mas se as correntes forem altas, haverá um forte aquecimento dos elementos.
Antes de tentar fazer um relé de estado sólido por conta própria, é lógico se familiarizar com o design básico de tais dispositivos, para entender o princípio de sua operação.Esquema para conectar um relé Todos os dispositivos semicondutores deste tipo são divididos em seções, incluindo: a parte de entrada, isolamento óptico, gatilho, bem como circuitos de comutação e proteção.
Nesse caso, os valores máximos de corrente de curto prazo podem atingir A.
A comutação ocorre em alta velocidade. Composto de fundição Vantagens e desvantagens Ao contrário de outros tipos de relés, os relés de estado sólido não possuem contatos móveis.
O circuito de saída da maioria dos relés de estado sólido padrão é configurado para executar apenas um tipo de ação de comutação, fornecendo o equivalente a um modo de operação SPST-NO de pólo único normalmente aberto de um relé eletromecânico. O isolador opto triac MOC tem as mesmas características, mas com detecção de cruzamento zero integrada, permitindo que a carga receba potência total sem altas correntes de partida ao comutar cargas indutivas.
Aula 357 Relé de Estado Sólido

Como fazer um TTR com suas próprias mãos?

Considerando o recurso de design do dispositivo (monólito), o circuito é montado não em uma placa textolite, como é habitual, mas por montagem em superfície.

Existem muitas soluções de circuito nessa direção. A opção específica depende da potência de comutação necessária e de outros parâmetros.

Componentes eletrônicos para montagem de circuitos

A lista de elementos de um circuito simples para dominar e construir um relé de estado sólido com suas próprias mãos é a seguinte:

1. Optoacoplador tipo MOS3083.
2. Triac tipo VT139-800.
3. Série de transistores KT209.
4. Resistores, diodo zener, LED.

Todos os componentes eletrônicos especificados são soldados por montagem em superfície de acordo com o seguinte esquema:

Devido ao uso do optoacoplador MOS3083 no circuito de geração do sinal de controle, o valor da tensão de entrada pode variar de 5 a 24 volts.

E devido à cadeia composta por um diodo zener e um resistor limitador, a corrente que passa pelo LED de controle é reduzida ao mínimo possível. Esta solução garante uma longa vida útil do LED de controle.

Verificando o desempenho do circuito montado

O circuito montado deve ser verificado quanto à operabilidade. Neste caso, não é necessário conectar uma tensão de carga de 220 volts ao circuito de comutação através de um triac. Basta conectar um dispositivo de medição - um testador em paralelo com a linha de comutação do triac.

O modo de medição do testador deve ser definido como "mOhm" e fornecer energia (5-24V) ao circuito de geração de tensão de controle. Se tudo estiver funcionando corretamente, o testador deve mostrar uma diferença na resistência de “mΩ” para “kΩ”.

Dispositivo de alojamento monolítico

Sob a base da carcaça do futuro relé de estado sólido, será necessária uma placa de alumínio de 3-5 mm de espessura. As dimensões da placa não são críticas, mas devem atender às condições para a remoção eficiente de calor do triac quando este elemento eletrônico é aquecido.

A superfície da placa de alumínio deve ser plana. Além disso, é necessário processar os dois lados - limpar com lixa fina, polir.

Na próxima etapa, a placa preparada é equipada com uma “cofragem” - uma borda feita de papelão grosso ou plástico é colada ao redor do perímetro. Você deve obter uma espécie de caixa, que mais tarde será preenchida com epóxi.

Dentro da caixa criada, é colocado um circuito eletrônico de um relé de estado sólido montado por um "dossel". Apenas o triac é colocado na superfície da placa de alumínio.

Nenhuma outra parte do circuito ou condutor deve tocar o substrato de alumínio. O triac é aplicado ao alumínio com a parte da caixa projetada para instalação em um radiador.

A pasta condutora de calor deve ser usada na área de contato da carcaça do triac e do substrato de alumínio. Algumas marcas de triacs com anodo não isolado devem ser instaladas através de uma junta de mica.

O triac deve ser pressionado firmemente na base com algum tipo de carga e derramado ao redor do perímetro com cola epóxi ou fixado de alguma forma sem perturbar a superfície do verso do substrato (por exemplo, com um rebite).

Preparação do composto e vazamento do corpo

Para a fabricação de um corpo sólido de um dispositivo eletrônico, será necessário fazer uma mistura composta. A composição da mistura de compostos é baseada em dois componentes:

1. Resina epóxi sem endurecedor.
2. Pó de alabastro.

Graças à adição de alabastro, o mestre resolve dois problemas ao mesmo tempo - ele recebe um volume exaustivo do composto de fundição com um consumo nominal de resina epóxi e cria um enchimento com a consistência ideal.

A mistura deve ser bem misturada, após o que o endurecedor pode ser adicionado e completamente misturado novamente. Em seguida, a instalação “articulada” é cuidadosamente despejada dentro da caixa de papelão com o composto criado.

O enchimento é feito até o nível superior, deixando apenas parte da cabeça do LED de controle na superfície. Inicialmente, a superfície do composto pode não parecer completamente lisa, mas depois de um tempo a imagem mudará. Resta apenas aguardar a solidificação completa da fundição.

De fato, quaisquer soluções de fundição adequadas podem ser usadas. O principal critério é que a composição do fundido não deve ser eletricamente condutora, além de um bom grau de rigidez do fundido deve ser formado após a solidificação. O corpo moldado do relé de estado sólido é um tipo de proteção para o circuito eletrônico contra danos físicos acidentais.

Classificação de relés de estado sólido

As aplicações de relés são diversas, portanto, suas características de projeto podem variar muito, dependendo das necessidades de um determinado circuito automático. O TTR é classificado de acordo com o número de fases conectadas, o tipo de corrente de operação, características de projeto e o tipo de circuito de controle.

Pelo número de fases conectadas

Os relés de estado sólido são usados ​​tanto em eletrodomésticos quanto em automação industrial com tensão de operação de 380 V.

Portanto, esses dispositivos semicondutores, dependendo do número de fases, são divididos em:

• Fase única;
• trifásico.

Os SSRs monofásicos permitem trabalhar com correntes de 10-100 ou 100-500 A. Eles são controlados usando um sinal analógico.

Recomenda-se conectar fios de cores diferentes a um relé trifásico para que possam ser conectados corretamente ao instalar o equipamento

Os relés de estado sólido trifásicos são capazes de passar corrente na faixa de 10-120 A. Seu dispositivo assume um princípio de operação reversível, o que garante a confiabilidade da regulação de vários circuitos elétricos ao mesmo tempo.

Muitas vezes, SSRs trifásicos são usados ​​para alimentar um motor de indução. Fusíveis rápidos são necessariamente incluídos em seu circuito de controle devido às altas correntes de partida.

Por tipo de corrente de operação

Os relés de estado sólido não podem ser configurados ou reprogramados, portanto, eles só podem funcionar corretamente dentro de uma determinada faixa de parâmetros elétricos da rede.

Dependendo das necessidades, os SSRs podem ser controlados por circuitos elétricos com dois tipos de corrente:

• permanente;
• variáveis.

Da mesma forma, é possível classificar o TSR e o tipo de tensão da carga ativa. A maioria dos relés em eletrodomésticos opera com parâmetros variáveis.

A corrente contínua não é usada como a principal fonte de eletricidade em nenhum país do mundo, portanto, os relés desse tipo têm um escopo estreito

Dispositivos com corrente de controle constante são caracterizados por alta confiabilidade e usam tensão de 3-32 V. Eles suportam uma ampla faixa de temperatura (-30..+70°C) sem alteração significativa nas características.

Os relés controlados por corrente alternada possuem uma tensão de controle de 3-32 V ou 70-280 V. São caracterizados por baixa interferência eletromagnética e alta velocidade de resposta.

Por recursos de design

Os relés de estado sólido geralmente são instalados no painel elétrico geral de um apartamento, por isso muitos modelos possuem um bloco de montagem para montagem em trilho DIN.

Além disso, existem radiadores especiais localizados entre o TSR e a superfície de suporte. Eles permitem que você resfrie o dispositivo em altas cargas, mantendo seu desempenho.

O relé é montado em um trilho DIN principalmente através de um suporte especial, que também possui uma função adicional - remove o excesso de calor durante a operação do dispositivo

Entre o relé e o dissipador, recomenda-se a aplicação de uma camada de pasta térmica, que aumenta a área de contato e aumenta a transferência de calor. Também existem TTRs projetados para fixação na parede com parafusos comuns.

Por tipo de esquema de controle

O princípio de operação de um relé de tecnologia ajustável nem sempre requer sua operação instantânea.

Portanto, os fabricantes desenvolveram vários esquemas de controle SSR que são usados ​​em vários campos:

1. Controle nulo. Esta opção de controle de um relé de estado sólido assume operação somente em um valor de tensão de 0. É utilizada em dispositivos com cargas capacitivas, resistivas (aquecedores) e indutivas fracas (transformadores).
2. Instante. É utilizado quando é necessário acionar o relé abruptamente quando um sinal de controle é aplicado.
3. Estágio. Envolve a regulação da tensão de saída alterando os parâmetros da corrente de controle. É usado para alterar suavemente o grau de aquecimento ou iluminação.

Os relés de estado sólido também diferem em muitos outros parâmetros menos significativos.

Portanto, ao comprar um TSR, é importante entender o esquema de funcionamento do equipamento conectado para adquirir o dispositivo de ajuste mais adequado para ele.

Uma reserva de energia deve ser fornecida, pois o relé possui um recurso operacional que é rapidamente consumido com sobrecargas frequentes.