Przekaźnik półprzewodnikowy własnymi rękami: instrukcja montażu i porady dotyczące podłączenia

Przekaźnik półprzewodnikowy (TTP) – urządzenie z serii komponentów elektronicznych o działaniu niemchanicznym. Brak mechaniki otwiera więcej możliwości dla hobbystów elektroniki, aby wykonać przekaźnik półprzewodnikowy własnymi rękami do użytku osobistego.

Przyjrzyjmy się tej możliwości bardziej szczegółowo.

Budowa i zasada działania TTP

Jeśli większość podobnej elektroniki tradycyjnie zawiera ruchome części grup stykowych, przekaźnik półprzewodnikowy nie ma ich wcale. Komutacja obwodu przez schemat urządzenia odbywa się na zasadzie klucza elektronicznego. A rolę kluczy elektronicznych pełnią zazwyczaj wbudowane w korpus przekaźnika półprzewodniki – tranzystory mocy, triaki, tyrystory.

Zanim podejmiesz próbę samodzielnego wykonania przekaźnika półprzewodnikowego, logiczne jest zapoznanie się z podstawową budową takich urządzeń i zrozumienie zasady ich działania.

Produkcja przemysłowa wytwarza przekaźniki półprzewodnikowe o różnej konfiguracji, przeznaczone do bardzo różnych warunków praktycznego zastosowania. Wybór modyfikacji jest szeroki.

W ramach dogłębnego studium urządzenia od razu należy wyróżnić korzystne strony TTP:

• komutacja mocnego obciążenia;
• wysoka prędkość przełączania;
• idealna izolacja galwaniczna;
• zdolność do krótkotrwałego utrzymywania wysokich przeciążeń.

Wśród konstrukcji mechanicznych znalezienie przekaźnika o podobnych parametrach jest praktycznie niemożliwe. Ogólnie rzecz biorąc, zalety przekaźników półprzewodnikowych w stosunku do mechanicznych odpowiedników wyrażają się imponującą listą.

Dwa urządzenia elektroniczne funkcjonalnie zapewniające komutację obwodów: po lewej wykonane w oparciu o konstrukcję półprzewodnikową, po prawej – tradycyjny mechaniczny system przełączania.

Warunki eksploatacji dla TTP praktycznie nie ograniczają zastosowania tych urządzeń. Ponadto brak ruchomych części mechanicznych korzystnie wpływa na żywotność urządzeń. Więc istnieją wszelkie podstawy, aby zająć się przekaźnikiem półprzewodnikowym – zmontować urządzenie własnymi rękami.

Jednak, w imię sprawiedliwości, obok pozytywnych aspektów należy odnotować właściwości przekaźnika określane jako wady. I tak, do obsługi urządzeń o dużej mocy zwykle wymagany jest dodatkowy element konstrukcyjny przeznaczony do odprowadzania ciepła.

W przypadku komutacji obciążenia o dużej mocy przekaźniki półprzewodnikowe są prawie zawsze wyposażone w wydajne radiatory chłodzące. Ten aspekt nieco utrudnia zastosowanie przekaźników półprzewodnikowych (TTR).

Radiatory chłodzące przekaźników półprzewodnikowych mają wymiary kilkakrotnie większe niż same przekaźniki, co zmniejsza wygodę i racjonalność montażu.

Przyrządy TTR w trakcie eksploatacji (w stanie zamkniętym) wykazują prąd upływu wstecznego i nieliniową charakterystykę prądowo-napięciową. Nie wszystkie przekaźniki półprzewodnikowe można używać bez ograniczeń w zakresie charakterystyk komutowanych napięć.

Konstrukcja do stosowania wyłącznie w układach, w których zasilanie odbywa się prądem stałym. Zazwyczaj te urządzenia cechują się małymi wymiarami i niewielką mocą komutacji.

Poszczególne typy urządzeń są przeznaczone do komutowania wyłącznie prądu stałego. Wprowadzenie przekaźników półprzewodnikowych do układu zazwyczaj wymaga zastosowania dodatkowych środków mających na celu blokowanie fałszywych załączeń.

Przekaźniki półprzewodnikowe często można spotkać w ogólnej rozdzielnicy elektrycznej mieszkania.

Jak działa przekaźnik półprzewodnikowy?

Sygnał sterujący (zwykle niskie napięcie pochodzące na przykład z kontrolera sterującego) jest podawany na diodę LED pary optoelektronicznej obecnej w układzie TTR. Dioda LED zaczyna emitować światło w kierunku fotodiody, która z kolei otwiera się i zaczyna przewodzić prąd.

Uogólniony schemat TTR, obrazowo pokazujący, jak działa urządzenie elektroniczne: 1 – źródło napięcia sterującego; 2 – para optoelektroniczna wewnątrz obudowy przekaźnika; 3 – źródło prądu obciążenia; 4 – obciążenie

Prąd przechodzący przez fotodiodę dociera do elektrody sterującej tranzystora kluczującego lub tyrystora. Klucz otwiera się, zamykając obwód obciążenia.

Tak działa funkcja komutacji urządzenia. Cała elektronika jest tradycyjnie zamknięta w monolitycznej obudowie. Właśnie dlatego urządzenie otrzymało nazwę przekaźnika półprzewodnikowego.

A o tym, jak podłączyć przekaźnik półprzewodnikowy, można przeczytać w tym materiale.

Odmiany przełączników półprzewodnikowych

Cały istniejący asortyment urządzeń można umownie podzielić na grupy w zależności od kategorii podłączanego obciążenia, cech kontroli i komutacji napięć.

Zatem w sumie wyróżnia się trzy grupy:

1. Urządzenia działające w obwodach prądu stałego.
2. Urządzenia działające w obwodach prądu przemiennego.
3. Konstrukcje uniwersalne.

Pierwsza grupa to urządzenia o parametrach napięć sterujących roboczych 3–32 V. Jest to stosunkowo kompaktowa elektronika wyposażona we wskaźniki LED, zdolna do nieprzerwanej pracy w temperaturach od -35 do +75 °C.

Powszechnie stosowane wykonanie urządzenia elektronicznego do zastosowania w jednofazowej sieci elektrycznej. Istnieją również inne warianty konstrukcji, ale znacznie rzadziej.

Druga grupa – urządzenia przeznaczone do instalacji w sieciach napięcia zmiennego. Przedstawiono tutaj konstrukcje TTR do instalacji w sieciach prądu przemiennego, sterowane napięciem 24–250 V. Istnieją urządzenia zdolne do przełączania obciążeń o dużej mocy.

Trzecia grupa – urządzenia uniwersalnego przeznaczenia. Schematyka tego rodzaju urządzeń obsługuje ręczne dostosowanie do użytku w określonych warunkach.

Jeśli odnieść się do charakteru podłączanego obciążenia, należy wyróżnić dwa rodzaje przekaźników półprzewodnikowych prądu przemiennego: jednofazowe i trójfazowe. Oba rodzaje są zaprojektowane do przełączania wystarczająco dużego obciążenia przy prądach 10–75 A. W tym czasie chwilowe wartości prądu mogą osiągać 500 A.

Powszechnie stosowany wariant wykonania do zastosowania w trójfazowej sieci elektrycznej. Często używany jako liniowy regulator wydajnych urządzeń grzewczych (grzałek elektrycznych).

Jako obciążenie przełączane przez przekaźniki półprzewodnikowe mogą występować obwody pojemnościowe, rezystancyjne, indukcyjne. Konstrukcje przełączników umożliwiają bezhałasowe, płynne sterowanie na przykład elementami grzejnymi, żarówkami, silnikami elektrycznymi.

Niezawodność jest w wystarczającym stopniu wysoka. Ale w dużej mierze stabilność i trwałość przekaźników półprzewodnikowych zależy od jakości produkcji. Urządzenia produkowane pod marką „Impuls” często charakteryzują się krótkim okresem eksploatacji.

Z drugiej strony, produkty firmy „Schneider Electric” nie pozostawiają powodu do krytyki.

Jak zrobić TTP własnymi rękami?

Biorąc pod uwagę konstrukcyjną cechę urządzenia (monolit), układ jest montowany nie na płytce tekstolitowej, jak to jest przyjęte, ale metodą montażu na przewodach.

Oto jak wygląda domowa konstrukcja przekaźnika półprzewodnikowego. Wykonanie czegoś podobnego nie jest trudne. Potrzebne są jedynie podstawowe umiejętności elektronika i elektryka. Koszty materiałowe są niewielkie.

Rozwiązań schematycznych w tym zakresie można znaleźć wiele. Konkretny wariant zależy od wymaganej mocy przełączania i innych parametrów.

Komponenty elektroniczne do montażu schematu

Wykaz elementów prostego schematu do praktycznego opanowania i budowy przekaźnika półprzewodnikowego własnoręcznie jest następujący:

1. Optoizolator typu MOC3083.
2. Triak typu BT139-800.
3. Tranzystor serii KT209.
4. Rezystory, dioda Zenera, dioda LED.

Wszystkie wymienione komponenty elektroniczne są lutowane metodą montażu zwieszanego zgodnie z poniższym schematem:

Schemat ideowy niskomocowego przekaźnika półprzewodnikowego do samodzielnego montażu. Niewielka liczba elementów i prosty montaż zwieszany pozwalają na łatwe zlutowanie układu.

Dzięki zastosowaniu optotriaka MOC3083 w układzie generowania sygnału sterującego, napięcie wejściowe może zmieniać się w zakresie od 5 do 24 woltów.

A dzięki łańcuchowi składającemu się z diody Zenera i rezystora ograniczającego, prąd przepływający przez kontrolną diodę LED jest zredukowany do możliwie najmniejszej wartości. Takie rozwiązanie zapewnia długą żywotność diody kontrolnej.

Sprawdzenie zmontowanego schematu pod kątem działania

Zmontowany układ należy sprawdzić pod kątem poprawności działania. Nie jest konieczne podłączanie napięcia obciążenia 220 V do obwodu przełączania przez triak. Wystarczy podłączyć równolegle do linii komutacji triaka przyrząd pomiarowy – tester.

Sprawdzenie działania przekaźnika półprzewodnikowego za pomocą przyrządu pomiarowego. Jeśli na wejście urządzenia podane jest napięcie sterujące, złącze triaka powinno być otwarte.

Tryb pomiaru testera należy ustawić na «mΩ» i podać zasilanie (5–24 V) na układ generowania napięcia sterującego. Jeśli wszystko działa poprawnie, tester powinien pokazać różnicę rezystancji od «mΩ» do «kΩ».

Budowa monolitycznej obudowy

Do podstawy obudowy przyszłego przekaźnika półprzewodnikowego potrzebna będzie płyta aluminiowa o grubości 3–5 mm. Wymiary płyty nie są krytyczne, ale muszą zapewniać efektywne odprowadzanie ciepła z triaka podczas nagrzewania się tego elementu elektronicznego.

Szkielet do zalewania obudowy przyszłego urządzenia. Wykonany z paska tektury lub innych odpowiednich materiałów. Mocowany do aluminiowej podkładki za pomocą uniwersalnego kleju.

Powierzchnia płyty aluminiowej musi być równa. Dodatkowo należy obrobić obie strony – oczyścić drobnym papierem ściernym, wypolerować.

W kolejnym etapie przygotowana płyta jest wyposażana w «szalunek» – na obwodzie przykleja się krawężnik z grubej tektury lub tworzywa sztucznego. Powinna powstać swego rodzaju skrzynka, która następnie zostanie zalana żywicą epoksydową.

Wewnątrz utworzonej skrzynki umieszcza się zmontowany metodą «zwieszaną» układ elektroniczny przekaźnika półprzewodnikowego. Na powierzchni płyty aluminiowej umieszcza się tylko triak.

Mocowanie triaka na aluminiowej podkładce. Głównym warunkiem jest konieczność mocnego dociśnięcia tego elementu elektronicznego do metalowej podstawy. Tylko w ten sposób zapewnia się efektywne odprowadzanie ciepła i niezawodność działania.

Żadne inne elementy ani przewody obwodu nie mogą dotykać aluminiowego podłoża. Triak przykłada się do aluminium tą częścią obudowy, która jest przeznaczona do montażu na radiatorze.

Należy użyć pasty termoprzewodzącej w obszarze styku obudowy triaka z aluminiowym podłożem. Niektóre marki triaków z nieizolowaną anodą należy koniecznie montować za pomocą podkładki mikowej.

Wariant mocowania triaka do podłoża za pomocą nitu. Z drugiej strony nit jest spłaszczony na równi z powierzchnią podłoża.

Triak należy mocno docisnąć do podstawy za pomocą obciążnika i zalać wokół obwodu klejem epoksydowym albo przymocować w jakiś sposób bez naruszania gładkości tylnej strony podłoża (np. za pomocą nitu).

Przygotowanie masy zalewowej i zalanie obudowy

Do wykonania solidnego korpusu urządzenia elektronicznego konieczne będzie przygotowanie mieszanki kompaundowej. Skład mieszanki kompaundu opiera się na dwóch składnikach:

1. Żywica epoksydowa bez utwardzacza.
2. Proszek alabastrowy.

Dzięki dodaniu alabastru rzemieślnik rozwiązuje od razu dwa zadania – otrzymuje wyczerpującą objętość zalewowego kompaundu przy nominalnym zużyciu żywicy epoksydowej i tworzy zalewkę o optymalnej konsystencji.

Mieszankę należy dokładnie wymieszać, po czym można dodać utwardzacz i ponownie dokładnie wymieszać. Następnie ostrożnie zalewają montaż wiszący wewnątrz kartonowego pudełka przygotowanym kompaundem.

Tak wygląda gotowy egzemplarz przekaźnika półprzewodnikowego złożonego własnoręcznie. Nieco nietypowo i niezbyt reprezentacyjnie, ale wystarczająco niezawodnie.

Zalewkę wykonuje się do górnego poziomu, pozostawiając na powierzchni jedynie część główki diody kontrolnej. Początkowo powierzchnia kompaundu może wyglądać niezbyt gładko, ale po pewnym czasie obraz się zmieni. Pozostaje tylko poczekać na całkowite stwardnienie odlewu.

W zasadzie można zastosować dowolne odpowiednie do odlewania roztwory. Głównym kryterium jest to, że skład zalewki nie może być przewodzący, oraz po stwardnieniu musi tworzyć odpowiednią twardość odlewu. Lita obudowa przekaźnika półprzewodnikowego stanowi swego rodzaju ochronę układu elektronicznego przed przypadkowymi uszkodzeniami fizycznymi.

Podsumowanie i przydatny film na ten temat

Ten film pokazuje, jak i na bazie jakich komponentów elektronicznych można zrobić przekaźnik półprzewodnikowy. Autor przystępnie opowiada o wszystkich szczegółach praktyki wykonawczej, z jakimi osobiście się zetknął w procesie produkcji przełącznika elektronicznego:

Film o problemie, z którym można się spotkać po zakupie jednofazowego przekaźnika półprzewodnikowego od sprzedawców z Chin. Przy okazji przeprowadza swoisty przegląd urządzenia przełącznika:

Samodzielne wykonanie przekaźników półprzewodnikowych – to całkiem możliwe rozwiązanie, ale w odniesieniu do urządzeń przeznaczonych do obciążeń niskonapięciowych, pobierających stosunkowo małą moc.

Bardziej wydajne i wysokonapięciowe urządzenia trudno jest wykonać samodzielnie. Przedsięwzięcie to będzie kosztować tyle samo, co fabryczny egzemplarz. Dlatego w razie potrzeby łatwiej jest kupić gotowe urządzenie przemysłowe.

Jeżeli mają Państwo pytania dotyczące montażu przekaźnika półprzewodnikowego, prosimy zadać je w bloku komentarzy, a my postaramy się udzielić na nie jak najbardziej zrozumiałej odpowiedzi. Można tam również podzielić się doświadczeniem samodzielnego wykonania przekaźnika lub przekazać cenne informacje na temat artykułu.