Releele solid-state sunt echivalentele semiconductoare ale releului electromecanic și pot fi folosite pentru controlul sarcinilor electrice fără utilizarea pieselor în mișcare.

Spre deosebire de releele electro-mecanice (EMR) care utilizează bobine, câmpuri magnetice, arcuri și contacte mecanice pentru a opera și comuta o sursă, releul solid-state, sau SSR, nu are componente în mișcare, ci utilizează proprietățile electrice și optice ale semiconductorilor pentru a-și realiza funcțiile izolare și comutare de intrare și ieșire.

La fel ca un releu electro-mecanic normal, SSR asigură o izolare electrică completă între contactele de intrare și ieșire, cu ieșirea sa acționând ca un comutator electric convențional, având o rezistență foarte mare, aproape infinită atunci când este neconductiv (deschis) și o rezistență foarte scăzută când conduce (închis). Releele solid-state pot fi proiectate pentru comutarea atât a curenților AC, cât și a celor DC folosind un SCR, TRIAC sau ieșire cu tranzistor de comutare în locul contactelor mecanice uzuale, normal-deschise (NO).

În timp ce releul solid-state și releul electro-mecanic sunt fundamental asemănătoare prin faptul că intrarea lor de joasă tensiune este izolată electric de ieșirea care comută și controlează o sarcină, releele electro-mecanice au un ciclu de viață limitat al contactelor, pot ocupa mult spațiu și au viteze mai mici de comutare, în special releele și contactoarele de puteri mari. Releele solid-state nu au astfel de limitări.

Releele solid-state pot fi achiziționate în pachete standard de pe raft, variind de la doar câteva volți sau amperi până la multe sute de volți și amperi de capacitate de comutare a ieșirii. Dar, releele solid-state cu valori foarte ridicate ale curentului (150 A plus) sunt încă prea scumpe pentru a fi cumpărate, din cauza cerințelor lor de semiconductoare de putere și radiatoare de căldură și, deci, contactoarele electro-mecanice mai ieftine sunt încă utilizate.

Similar unui releu electro-mecanic, o tensiune mică de intrare, în mod obișnuit între 3 și 32 de volți DC, poate fi utilizată pentru a controla o tensiune de ieșire sau curent mult mai mare. De exemplu 240 V, 10 A. Acest lucru le face ideale pentru interfațare cu microcontroler, PIC și Arduino deoarece un semnal de curent mic, de 5 V de la un micro-controller sau poartă logică poate fi folosit pentru a controla o anumită sarcină de circuit, și acest lucru este realizat cu utilizarea de opto-izolatoare.

Intrarea releului solid-state

Una dintre componentele principale ale unui releu solid-state (SSR) este un opto-izolator (numit și optocuplor) care conține una (sau mai multe) diode emițătoare de lumină infraroșie, sau sursa de lumină LED, și un dispozitiv foto-sensibil într-o singură carcasă. Opto-izolatorul izolează intrarea de ieșire.

Sursa de lumină cu LED-uri este conectată la secțiunea de antrenare a intrării SSR și asigură cuplarea optică printr-o fantă către un tranzistor foto-sensibil adiacent, pereche darlington sau triac. Atunci când un curent trece prin LED, acesta se aprinde și lumina sa este focalizată prin fanță spre un foto-tranzistor/foto-triac.

Astfel, ieșirea unui SSR cuplat optic este comutată ON prin aprinderea acestui LED, de obicei cu semnal de joasă tensiune. Deoarece singura conexiune dintre intrare și ieșire este un fascicul de lumină, izolarea de înaltă tensiune (de obicei câteva mii de volți) este realizată prin această opto-izolare internă.

Opto-izolația nu oferă numai un grad mai mare de izolare intrare/ieșire, ci poate transmite și semnale DC și de joasă frecvență. De asemenea, LED-ul și dispozitivul fotosensibil ar putea fi total separate unul de celălalt și cuplate optic prin intermediul unei fibre optice.

Circuitul de intrare al unui SSR poate consta doar dintr-un singur rezistor limitator de curent în serie cu LED-ul opto-izolatorului sau dintr-un circuit mai complex cu redresare, reglare de curent, protecție împotriva polarității inverse, filtrare etc.

Pentru a activa sau a porni "ON" un releu solid-state în conducție, o tensiune mai mare decât valoarea sa minimă (de obicei 3 volți DC) trebuie aplicată la terminalele sale de intrare (echivalente cu bobina releului electromecanic). Acest semnal DC poate fi derivat dintr-un comutator mecanic, o poartă logică sau un microcontroler, după cum se arată.

Circuitul de intrare DC al releului solid-state

Atunci când se utilizează contacte mecanice, întrerupătoare, butoane, alte contacte de releu etc. ca semnal de activare, tensiunea de alimentare utilizată poate fi egală cu valoarea minimă a tensiunii de intrare a SSR, în timp ce atunci când se utilizează dispozitive solid-state, cum ar fi tranzistoare, porți și micro-controlere, tensiunea minimă de alimentare trebuie să fie de 1 sau 2 volți deasupra tensiunii de pornire a SSR pentru a ține cont de căderea de tensiune internă pe dispozitivele de comutare.

Dar, pe lângă faptul că folosim o tensiune DC, fie că absoarbe, fie că furnizează, pentru a comuta releul solid-state în conducție, putem folosi și o formă de undă sinusoidală prin adăugarea unui redresor în punte pentru redresare bialternanță și a unui circuit filtru la intrarea DC, așa cum se arată.

Circuitul de intrare AC al releului solid-state

Redresoarele în punte transformă o tensiune sinusoidală în impulsuri redresate bialternanță la dublul frecvenței de intrare. Problema aici este că aceste impulsuri de tensiune încep și se termină la zero volți ceea ce înseamnă că ele vor scădea sub cerințele minime de tensiune de comutare ON a pragului de intrare al SSR, determinând ieșirea să comute "ON" și "OFF" la fiecare alternanță.

Pentru a depăși această aprindere întâmplătoare a ieșirii, putem să netezim ripplu redresat utilizând un condensator de netezire (C1) pe ieșirea punții redresoare. Efectul de încărcare și descărcare al condensatorului va ridica componenta DC a semnalului redresat deasupra valorii maxime de tensiune de comutare ON a intrării releelor ​​solid-state. Atunci, chiar dacă se utilizează o formă de undă de tensiune sinusoidală în continuă schimbare, intrarea SSR vede o tensiune constantă DC.

Valorile rezistorului de scădere a tensiunii R1 și a condensatorului de netezire C1 sunt alese pentru a se potrivi tensiunea de alimentare, 120 volți AC sau 240 volți AC, precum și impedanța de intrare a releului solid-state. Dar ceva în jur de 40 kΩ și 10 μF ar fi bine.

Atunci, prin adăugarea acestui circuit de redresare în punte și a unui condensator de netezire, un releu standard solid-state DC poate fi controlat utilizând fie o sursă AC, fie una DC nepolarizată. Desigur, producătorii produc și comercializează deja relee solid-state cu intrări AC (de obicei de la 90 la 280 de volți AC).

Ieșirea releului solid-state

Capabilitățile de comutare a ieșirilor unui releu solid-state pot fi AC, sau DC similare cerințelor de tensiune de intrare. Circuitul de ieșire al celor mai multe relee standard solid-state este configurat să efectueze doar un singur tip de acțiune de comutare, oferind echivalentul unei funcționări normal-deschise, cu un singur pol, cu o singură aruncare (SPST-NO) a unui releu electro-mecanic.

Pentru majoritatea dispozitivelor SSR DC, dispozitivele de comutare solid-state utilizate în mod obișnuit sunt tranzistoare de putere, Darlington și MOSFET, în timp ce pentru un SSR AC, dispozitivul de comutare este un triac sau tiristoare spate-în-spate. Tiristoarele sunt preferate datorită capabilității lor de înaltă tensiune și de curent. Un singur tiristor poate fi, de asemenea, utilizat într-un circuit de redresare în punte, așa cum este arătat.

Circuitul de ieșire al releului solid-state

Cea mai obișnuită aplicație a releelor ​​solid-state constă în comutarea unei sarcini AC, fie că este vorba despre controlul puterii AC pentru comutarea ON/OFF, diminuarea luminii, controlul turației motorului sau alte astfel de aplicații în care este necesară controlul puterii. Aceste sarcini AC pot fi controlate cu ușurință cu o tensiune DC de curent redus, folosind un releu solid-state care asigură o durată de viață îndelungată și viteze mari de comutare.

Unul dintre cele mai mari avantaje ale SSR asupra unui releu electromecanic este abilitatea sa de a comuta sarcini AC "OFF" la punctul de zero al curentului de sarcină, eliminând astfel arcul, zgomotul electric si săriturile de contact asociate cu releele mecanice convenționale și sarcini inductive .

Acest lucru se datorează faptului că SSR cu comutare AC folosesc SCR-uri și TRIAC-uri ca dispozitiv de comutare a ieșirii care continuă să conducă, odată ce semnalul de intrare este îndepărtat, până când curentul AC care curge prin dispozitiv scade sub pragul sau valoarea curentului de menținere. Atunci, ieșirea unui SSR nu poate comuta OFF niciodată în mijlocul unui vârf de undă sinusoidală.

Comutarea OFF la curent zero este un avantaj major pentru utilizarea unui SSR, deoarece reduce zgomotul electric și emf inversă asociate cu comutarea sarcinilor inductive, văzută ca arc între contactele unui releu electro-mecanic. Considerați diagrama formei de undă de ieșire, de mai jos, a unui SSR tipic AC.

Forma de undă de ieșire a releului solid-state

Dacă nu este aplicat niciun semnal de intrare, curentul de sarcină nu curge prin SSR deoarece este în mod efectiv OFF (circuit-deschis), iar terminalele de ieșire văd tensiunea de alimentare completă AC. Prin aplicarea unui semnal de intrare DC, indiferent pe care parte a formei de undă sinusoidale, fie pozitivă, fie negativă, ciclul trece, datorită caracteristicilor de comutare la tensiune zero a SSR, ieșirea comută ON numai când forma de undă trece prin punctul zero.

Pe măsură ce tensiunea de alimentare crește în direcție pozitivă sau negativă, ea atinge valoarea minimă necesară pentru a comuta complet ON tiristorul sau triacul de ieșire (de regulă mai puțin de aproximativ 15 volți). Căderea de tensiune pe terminalele de ieșire ale SSR este cea de stare ON a dispozitivelor de comutare, VT (de regulă mai mică de 2 volți). Astfel, oricare dintre curenții mari de aprindere asociați sarcinilor reactive sau a lămpilor sunt mult reduși.

Când semnalul de tensiune de intrare DC este îndepărtat, ieșirea nu comută OFF brusc, deoarece odată declanșat în conducție, tiristorul sau triacul folosit ca dispozitiv de comutare rămâne ON pentru restul alternanței până când curenții de sarcină scad sub curentul de menținere al dispozitivului, moment în care comută OFF. Astfel, emf inversă dv/dt asociată cu sarcini inductive de comutare în mijlocul unei unde sinusoidale este mult redusă.

Deci, principalele avantaje ale SSR AC față de releul electro-mecanic sunt funcția de trecere prin zero, care comută ON SSR când tensiunea pe sarcina AC este aproape de zero volți, suprimând astfel orice curenți mari de aprindere, deoarece curentul de sarcină va porni întotdeauna de la un punct apropiat de 0V și caracteristica inerentă de comutare OFF la curent zero a tiristorului sau triacului. Prin urmare, există o întârziere maximă posibilă de comutare OFF (între scoaterea semnalului de intrare și eliminarea curentului de sarcină) de o alternanță.

Diminuarea fazei cu SSR

În timp ce SSR pot efectua o comutare directă a trecerii prin zero a unei sarcini, ele pot realiza și funcții mult mai complicate prin intermediul circuitelor logice digitale, microprocesoarelor și memoriilor. O altă aplicație excelentă a unui SSR este diminuarea de luminozitate a lămpilor, fie în casă, fie pentru spectacol sau concert.

SSR de comutare non-zero (instant-on) comută ON imediat după aplicarea semnalului de comandă de intrare, spre deosebire de SSR cu trecere prin zero de deasupra care așteaptă până la următorul punct de trecere prin zero al undei sinusoidale AC. Această comutare de aprindere la întâmplare este utilizată în aplicații rezistive, cum ar fi diminuarea luminii și aplicațiile care necesită alimentarea sarcinii numai pentru o mică porțiune a ciclului AC.

Forma de undă de ieșire pentru comutare întâmplătoare

În timp ce acest lucru permite controlul fazei formei de undă pe sarcină, principala problemă de comutare ON la întâmplare a SSR o constituie curentul inițial de sarcină la comutarea ON a releului, ce poate fi ridicat datorită puterii de comutare a SSR atunci când tensiunea de alimentare este aproape de valoarea sa de vârf (90^o). Când semnalul de intrare este îndepărtat, acesta oprește conducția atunci când curentul de sarcină scade sub curentul de menținere al tiristoarele sau triacurile, așa cum se arată. Evident, pentru un SSR DC, acțiunea de comutare ON-OFF este instant.

SSR este ideal pentru o gamă largă de aplicații de comutare ON/OFF, deoarece nu are părți în mișcare sau contacte, spre deosebire de un releu electromecanic (EMR). Există mai multe tipuri comerciale diferite atât pentru semnale de comandă de intrare AC, cât și DC și pentru comutarea de ieșire AC și DC, deoarece ele utilizează elemente de comutare semiconductoare, cum ar fi tiristoare, triace și tranzistoare.

Dar folosind o combinație a unui opto-izolator bun și a unui triac, putem face propriul nostru SSR ieftin și simplu pentru a controla o sarcină AC ca un încălzitor, o lampă sau un solenoid. Deoarece un opto-izolator are nevoie doar de o cantitate mică de energie de intrare/control pentru a funcționa, semnalul de control ar putea fi de la un PIC, Arduino, Raspberry PI sau orice alt astfel de microcontroler.

Releu solid-state. Exemplul nr. 1

Să presupunem că dorim un microcontroler cu un semnal pe portul digital de ieșire de numai +5 V pentru a controla un element de încălzire de 120 V AC, 600 W. Pentru acest lucru am putea folosi izolatorul opto-triac MOC 3020, dar triacul intern poate trece numai un curent maxim ITSM de vârf de 1 A la vârful unei alimentări de 120V AC, deci trebuie folosit și un triac suplimentar de comutare.

În primul rând, luați în considerare caracteristicile de intrare ale opto-izolatorului MOC 3020 (sunt disponibile și alte opto-triacuri). Fișa tehnică a opto-izolatoarelor ne arată că tensiunea directă (VF), pe LED-ul de intrare este de 1,2 volți, iar curentul direct maxim (IF) este de 50 mA.

LED-ul are nevoie de aproximativ 10 mA pentru a străluci în mod rezonabil, până la valoarea maximă de 50 mA. Totuși, portul de ieșire digital al microcontrolerului poate furniza numai un maxim de 30 mA. Atunci, valoarea curentului necesar se situează undeva între 10 și 30 miliamperi. Prin urmare:

Astfel poate fi utilizat un rezistor serie de limitare a curentului, cu o valoare între 126 și 380 Ω. Deoarece portul de ieșire digitală comută întotdeauna +5 volți și pentru a reduce disiparea de putere prin LED-ul opto-cuplor, vom alege o valoare rezistivă standard de 240 Ω. Acesta dă un curent direct pentru LED de mai puțin de 16 mA. În acest exemplu, poate fi orice valoare de rezistor standard între 150 Ω și 330 Ω.

Sarcina elementului de încălzire este rezistivă la 600 de wați. Folosind o sursă de alimentare de 120 V AC ne-ar da un curent de sarcină de 5 amperi (I = P/V). Deoarece vrem să controlăm acest curent de sarcină în ambele alternanțe (toate cele 4 cadrane) ale formei de undă AC, am avea nevoie de un triac de comutare la rețea.

BTA06 este un triac de 600 volți (ITRMS = 6A) adecvat pentru comutarea ON/OFF a sarcinilor AC, dar ar face asta orice triac similar de 6 până la 8 amperi. De asemenea, acest triac de comutare necesită numai 50 mA de acționare a porții pentru a începe conducția, care este cu mult mai mică decât 1 A maxim al opto-izolatorului MOC 3020.

Luați în considerare faptul că triacul de ieșire al opto-izolatorului a fost comutat ON la valoarea maximă (90^o) a tensiunii de alimentare 120 VRMS AC. Această tensiune de vârf are o valoare de: 120 x 1,414 = 170 Vpk. Dacă curentul maxim al opto-triacului (ITSM ) este de 1 amper, atunci valoarea minimă a rezistenței serie este 170/1 = 170 Ω sau 180 Ω la cea mai apropiată valoare standard. Această valoare de 180 Ω va proteja triacul de ieșire opto-cuplor, precum și poarta triacului BTA06 pe o alimentare de 120 VAC.

Dacă triacul opto-izolatorului comută ON la valoarea zero (0^o) a tensiunii de alimentare 120 VRMS AC, atunci tensiunea minimă necesară pentru alimentarea curentului de acționare de 50 mA necesar pe poartă pentru a forța triacul să comute în conducție va fi: 180 Ω x 50 mA = 9,0 volți. Atunci, triacul trece în conducție când tensiunea sinusoidală Gate-to-MT1 este mai mare de 9 volți.

Astfel, tensiunea minimă necesară după punctul de trecere prin zero a formei de undă AC ar fi de 9 volți la vârf, cu puterea disipată în această rezistență de poartă serie fiind foarte mică, astfel încât un rezistor de 180 Ω, 0,5 wați, ar putea fi utilizat în condiții de siguranță. Luați în considerare circuitul de mai jos.

Circuitul releului solid-state AC

Acest tip de configurație a optocuplorului formează baza unei aplicații foarte simple a SSR, care poate fi utilizată pentru a controla orice sarcină alimentată de la rețeaua AC, cum ar fi lămpile și motoarele. Aici am folosit MOC 3020 care este un izolator de comutare aleatoare. Izolatorul opto-triac MOC 3041 are aceleași caracteristici, dar cu detectarea încorporată a trecerii prin zero, permițând sarcinii să primească puterea completă fără curenții grei de aprindere, atunci când comută sarcini inductive.

Dioda D1 previne deteriorarea datorată conectării inverse a tensiunii de intrare, în timp ce rezistorul de 56 ohmi (R3) șuntează orice curenți di/dt atunci când triacul este OFF eliminând declanșarea falsă. De asemenea, leagă terminalul poartă la MT1, asigurând o comutare OFF completă a triacului.

Dacă se utilizează un semnal de intrare PWM (modularea lățimii impulsului), frecvența de comutare ON/OFF ar trebui să fie setată la o valoare mai mică de 10 Hz pentru o sarcină AC, în caz contrar comutarea la ieșire a acestui circuit SSR poate să nu capabilă a fi menținută.