Ρελέ στερεάς κατάστασης

Πλακέτα ρελέ στερεάς κατάστασης


Συχνά κατασκευάζουμε κυκλώματα για να ελέγχουν συσκευές που συνδέονται στο δημόσιο δίκτυο παροχής ενέργειας. Η τάση στο δημόσιο δίκτυο είναι συνήθως 220V εναλλασσόμενο και για να ελέγξουμε την τροφοδοσία μίας συσκευής από το δημόσιο δίκτυο, συνήθως χρησιμοποιούμε ηλεκτρονόμους (ρελέ). Οι κλασσικοί ηλεκτρονόμοι είναι ηλεκτρομηχανικές διατάξεις και φθείρονται στην πάροδο του χρόνου. Εντούτοις, υπάρχουν και ρελέ στερεάς κατάστασης που μπορούν να αντικαταστήσουν τα κλασικά ρελέ και έχουν σχεδόν απεριόριστη διάρκεια ζωής, δεδομένου ότι δεν διαθέτουν ηλεκτρομηχανικά μέρη. 

Τα ρελέ στερεάς κατάστασης (Solid State Relays) παρέχουν καλή ηλεκτρική απομόνωση σε υψηλές τάσεις και μπορούν να υποστηρίξουν ρεύμα έως και μερικές δεκάδες αμπέρ. Tα βρίσκουμε εύκολα στο εμπόριο σε πλαστικά περιβλήματα που συνήθως έχουν μία μεταλλική έδρα, πάνω στην οποία προσαρμόζουμε μία ψύκτρα. Διαθέτουν επίσης κλέμες (τερματικές επαφές με βίδες) στις οποίες συνδέονται εύκολα τα καλώδια ελέγχου και τα καλώδια του φορτίου. Τα συνηθέστερα ρελέ στερεάς κατάστασης παράγονται μαζικά και αντέχουν ρεύμα της τάξης των 10 Α. Στοιχίζουν σχετικά ακριβότερα από τα συμβατικά ρελέ, γι αυτό μερικοί προτιμούν να μην τα χρησιμοποιούν. Τούτο συμβαίνει κυρίως σε εφαρμογές όπου το φορτίο που θέλουμε να ελέγξουμε απορροφά 1, 2 ή το πολύ 3 αμπέρ και δεν αξίζει να πληρώσουμε για ένα ακριβό ρελέ στερεάς κατάστασης των 10A.

Σε αυτές τις περιπτώσεις, είναι ίσως προτιμότερο να φτιάξουμε το δικό μας ρελέ στερεάς κατάστασης, με κόστος αρκετά μικρότερο από ένα αντίστοιχο του εμπορίου. Φτιάχνοντας το δικό μας ρελέ στερεάς κατάστασης θα έχουμε και το πλεονέκτημα της δυνατότητας επισκευής σε περίπτωση που κάτι πάει «στραβά». Απεναντίας, τα ρελέ στερεάς κατάστασης του εμπορίου δεν επισκευάζονται.

 

Η δομή ενός ρελέ στερεάς κατάστασης

Ένα ρελέ στερεάς κατάστασης (SSR) είναι ένας διακόπτης ελεγχόμενος από τάση ή ρεύμα που μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνο για έλεγχο εναλλασσομένου ρεύματος. Αν προσπαθήσετε να χρησιμοποιήσετε ένα ρελέ στερεάς κατάστασης για έλεγχο συνεχούς ρεύματος, θα αποτύχετε. Το ρελέ θα κλείνει αλλά ποτέ δεν θα ανοίγει (απενεργοποιείται) στο συνεχές. Αυτό συμβαίνει γιατί τα ρελέ στερεάς κατάστασης χρησιμοποιούν TRIAC, τα οποία μεταβαίνουν σε αποκοπή μόνο όταν η τάση στα άκρα τους γίνει στιγμιαία μηδενική.   

Ένα τυπικό κύκλωμα SSR παρατίθεται παρακάτω:      

Ρελέ στερεάς κατάστασης
Ρελέ στερεάς κατάστασης

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Η δίοδος D1 χρησιμοποιείται για προστασία από ανάστροφη τάση ελέγχου. Η αντίσταση R1 περιορίζει το ρεύμα εισόδου και το τρανζίστορ Q1 χρησιμοποιείται για σταθεροποίηση ρεύματος του LED. Το LED βρίσκεται στο εσωτερικό ενός οπτο-ζεύκτη (σε μορφή ολοκληρωμένου κυκλώματος).

Όταν η πτώση τάσης στα άκρα της R2 υπερβεί τα 0.65V, το τρανζίστορ Q1 αρχίζει να άγει και απορροφά ρεύμα από το LED. Ως αποτέλεσμα, αυξανομένης της τάσης εισόδου, το ρεύμα που διαρρέει την R1 αυξάνεται συνεχώς αλλά το ρεύμα που διαρρέει το LED δεν ακολουθεί την αύξηση και σταθεροποιείται σε μία συγκεκριμένη τιμή, αναγκαία για τη λειτουργία του οπτοζεύκτη. Το ρεύμα στο LED καθορίζεται ουσιαστικά από ην R2. Ο οπτοζεύκτης χρησιμοποιείται στη συνέχεια για την εξώθηση του TRIAC ΤR1.

 

Επιλογή του ΤRIAC

Η επιλογή του TRIAC μπορεί να γίνει λαμβάνοντας υπόψη το μέγιστο ρεύμα στο φορτίο και τη μέγιστη τάση λειτουργίας. Είναι προφανές ότι το TRIAC που θα επιλέξουμε, θα πρέπει να «αντέχει» το μέγιστο ρέυμα που δύναται να απορροφήσει το φορτίο. Ενδεχομένως να χρειάζεται ψύκτρα για τιμές ρεύματος πλησίον της ονομαστικής τιμής που δίδει ο κατασκευαστής. Πρέπει επίσης να λάβουμε υπόψη ότι πολλά φορτία (κυρίως ηλεκτρικοί κινητήρες) απορροφούν περισσότερο ρεύμα κατά την εκκίνηση απ’ ότι στη διάρκεια της κανονικής τους λειτουργίας. Επίσης, για να ελέγξουμε ένα φορτίο στα 115 ή στα 220V, χρειαζόμαστε ένα TRAIC με μέγιστη τάση λειτουργίας 250 ή 400V, αντίστοιχα.

Υπάρχει και μία ακόμη παράμετρος που χρήζει προσοχής. Πρόκειται για το ρεύμα της πύλης του TRIAC. Συνήθως ένα ρεύμα της τάξης των 100mA αρκεί για την ενεργοποίηση οπουδήποτε TRIAC που διατίθεται σε συσκευασία T-220. 

Κατά την επιλογή ενός TRIAC, συνήθως προσέχουμε να διαλέξουμε ένα του οποίου η μεταλλική επαφή της ψύκτρας να είναι ηλεκτρικά απομονωμένη. Σε αντίθετη περίπτωση, θα πρέπει εμείς να χρησιμοποιήσουμε μονωτικό φύλλο mica για να απομονώσουμε την ψύκτρα από την υψηλή τάση του δικτύου. Οπωσδήποτε, η ψύκτρα θα πρέπει να γειώνεται για λόγους ασφαλείας. Αν για οποιοδήποτε λόγο δεν γνωρίζεται αν το TRIAC που επιλέξατε είναι απομονωμένο ή όχι, μπορείτε να το διαπιστώσετε χρησιμοποιώντας ένα ωμόμετρο. Σε ένα απομονωμένο TRIAC, η ηλεκτρική αντίσταση μεταξύ της επαφής της ψύκτρας και ενός οποιοιδήποτε ακροδέκτη του TRIAC είναι άπειρη.   

Επιλογή του οπτο-ζεύκτη

Στο εμπόριο υπάρχουν πολλοί διαθέσιμοι οπτοζεύκτες σε μορφή ολοκληρωμένου κυκλώματος. Θα πρέπει να χρησιμοποιήσετε έναν που διαθέτει TRIAC στην έξοδο και θα πρέπει επίσης να είναι συμβατός με το τυπωμένο κύκλωμα της κατασκευής. Στο πρωτότυπο χρησιμοποιήσαμε το MC3021. 

Μπορείτε επίσης να χρησιμοποιήσετε έναν zero-crossing οπτοζεύκτη (όπως το MC3041). Οι zero crossing οπτοζεύκτες παρουσιάζουν το πλεονέκτημα ότι «οπλίζουν» (αρχίζουν να άγουν) τη στιγμή που η εναλλασσόμενη τάση γίνεται στιγμιαία 0. Αυτό είναι εξαιρετικά χρήσιμο γιατί αποτρέπει τη δημιουργία ισχυρού ρεύματος κατά την εκκίνηση (αφού η εκκίνηση γίνεται με μηδενική τάση) και αποτρέπει τη δημιουργία ηλεκτρομαγνητικών παρεμβολών (RFI).

Για την επιλογή του οπτοζεύκτη ενδεχομένως να σας βοηθήσει ο παρακάτω ενδεικτικός πίνακας:

Τυπικοί οπτοζεύκτες με TRIAC
Πίνακας 1. Τυπικοί οπτοζεύκτες με TRIAC>

 

Κατασκευή και θέματα ασφάλειας

Μπορείτε να συναρμολογήσετε το κύκλωμα του SSR εύκολα, ακόμη και πάνω σε μία πλακέτα γενικής χρήσης. Ωστόσο, το σχέδιο του τυπωμένου κυκλώματος που παρέχουμε παρακάτω πιστεύουμε ότι θα σας διευκολύνει περισσότερο. Το  SSR που προτείνουμε εδώ μπορεί να λειτουργήσει με τάσεις έλεγχου από 4 έως 10V (τάση εισόδου). Αν υπερβείτε τα 10V, ίσως καεί ο οπτοζεύκτης.     

Μερικές γραμμές του τυπωμένου κυκλώματος θα βρίσκονται υπό υψηλή τάση (220V) όταν λειτουργεί το κύκλωμα. Από ηλεκτρικής απόψεως αυτό δεν αποτελεί πρόβλημα. Από άποψη ασφάλειας όμως, χρειάζεται κάποια προσοχή. Προκειμένου να υπάρχει απόλυτη ασφάλεια, θα πρέπει να προσαρμόσετε την κατασκευή μέσα σε ένα μικρό πλαστικό κουτί. Θα πρέπει να διανοίξετε μία οπή για την ψύκτρα, για να μπορεί να ψύχεται το TRIAC. Οπωσδήποτε όμως θα πρέπει να φροντίσετε να γειώσετε την ψύκτρα, συνδέοντάς την με τη γείωση της ηλεκτρικής εγκατάστασης.

 

Λίστα εξαρτημάτων

R1=100Ω 1W

R2=39Ω , βλέπε πίνακα 1

R3=180Ω

R4=2K2

R5=10K

C1=10nF, 450V

U1=βλέπε πίνακα 1

Q1=2N3904

D1=1N4002

TR1=Q4006L4 ή αντίστοιχο

Όλες οι αντιστάσεις είναι 1/4W 5%, εκτός αν σημειώνεται διαφορετικά.

 

Συνημμένα

Τυπωμένο κύκλωμα του ρελέ στερεάς κατάστασης