Схема твердотельного реле (SSR)
с использованием двух MOSFET-транзисторов.
Swagatam
https://www.homemade-circuits.com/solid-state-relay-ssr-circuit-using-mosfets/
Твердотельные реле (SSR) — это мощные электрические переключатели, работающие без механических контактов; вместо этого они используют всего пару твердотельных полупроводников, таких как MOSFET, для плавного и высокоэффективного переключения электрической нагрузки.Твердотельные реле (SSR) могут использоваться для управления мощными нагрузками с помощью небольшого входного триггерного напряжения с пренебрежимо малым током.
Эти устройства могут использоваться для питания как мощных нагрузок переменного тока, так и нагрузок постоянного тока .Твердотельные реле обладают гораздо большей эффективностью по сравнению с электромеханическими реле благодаря ряду отличительных особенностей.
Основные характеристики и преимущества SSR
Основные характеристики и преимущества твердотельных реле ( SSR) заключаются в следующем:
- Твердотельные реле можно легко собрать, используя минимальное количество обычных электронных компонентов.
- Они работают без каких-либо щелчков, поскольку не имеют механических контактов.
- Благодаря твердотельной конструкции твердотельные реле (SSR) могут переключаться с гораздо большей скоростью, чем традиционные электромеханические реле.
- Твердотельные реле не зависят от внешнего источника питания для включения, а получают питание непосредственно от нагрузки.
- Они работают с незначительным потреблением тока и, следовательно, не разряжают батарею в системах с батарейным питанием. Это также обеспечивает незначительный ток холостого хода устройства.
Базовая концепция работы твердотельных реле (SSR) с использованием MOSFET-транзисторов.
В одном из своих предыдущих постов я объяснил, как двунаправленный переключатель на основе MOSFET можно использовать для управления любой желаемой электрической нагрузкой, подобно стандартному механическому переключателю , но с исключительными преимуществами.
Аналогичный принцип двунаправленного переключения на основе MOSFET можно применить для создания идеального твердотельного реле.Базовая схема SSR
На представленной выше базовой схеме твердотельного реле (SSR) мы видим пару MOSFET-транзисторов T1 и T2 с соответствующими номинальными параметрами, соединенных встречно, при этом их выводы истока и затвора соединены вместе.
Базовая концепция проектирования твердотельного реле (SSR)
D1 и D2 — это внутренние диоды, подключенные параллельно стоку/истоку соответствующих MOSFET-транзисторов.Также можно увидеть, что к общим выводам затвора/истока двух MOSFET-транзисторов подключен источник постоянного тока. Этот источник используется для включения MOSFET-транзисторов или для обеспечения их постоянного включения во время работы твердотельного реле.
Источник переменного тока, уровень которого может достигать уровня сети, и нагрузка соединены последовательно через два стока MOSFET-транзисторов.Как это работает
Принцип работы предлагаемого твердотельного реле можно понять, обратившись к следующей схеме и соответствующим деталям:
Положительный полуцикл работы твердотельного релеПри описанной выше конфигурации, благодаря подключенному источнику питания на входе, транзисторы T1 и T2 находятся в включенном положении.
Отрицательный полупериод работы твердотельного релеКогда вход переменного тока со стороны нагрузки включен, на левой диаграмме показано, как положительный полупериод протекает через соответствующую пару MOSFET/диод (T1, D2), а на правой диаграмме показано, как отрицательный полупериод протекает через другую комплементарную пару MOSFET/диод (T2, D1).
На левой диаграмме мы видим, что один из полупериодов переменного тока проходит через транзистор T1 и диод D2 (T2 имеет обратное смещение) и, наконец, завершается через нагрузку.
На правой стороне диаграммы показано, как вторая половина цикла замыкает цепь в противоположном направлении, проводя ток через нагрузку, транзистор T2 и диод D1 (в данном случае транзистор T1 смещен в обратном направлении).
Таким образом, два MOSFET-транзистора T1 и T2 вместе с соответствующими диодами сток/исток D1 и D2 позволяют проводить оба полупериода переменного тока, обеспечивая идеальное питание нагрузки переменного тока и эффективно выполняя роль твердотельного реле.
Вот выдержка из технической документации к статье.
Видео, демонстрирующее тестирование вышеуказанной схемы твердотельного реле (SSR).
Создание практичной схемы на твердотельном реле
Почему мы используем два MOSFET-транзистора для переменного тока?
Когда мы хотим коммутировать переменный ток с помощью MOSFET-транзисторов, мы обнаруживаем, что один MOSFET-транзистор не может блокировать ток в обоих направлениях из-за наличия в нем диода.
Поэтому мы используем два N-канальных MOSFET-транзистора, соединяем их истоки вместе и направляем стоки к клеммам сети переменного тока.
При такой конфигурации диоды в корпусе диода противодействуют друг другу, и переменный ток может быть полностью заблокирован, когда управляющий сигнал на затворе равен нулю. Таким образом, эта пара работает как переключатель переменного тока.Почему нам нужен плавающий источник питания 15 В?
При использовании последовательно соединенных MOSFET-транзисторов в цепях переменного тока общая точка истока не остается на уровне земли.
Эта точка постоянно смещается вверх и вниз вместе с формой переменного тока, поэтому теперь мы понимаем, что напряжение на затворе также должно следовать за этой движущейся точкой, поскольку MOSFET реагирует только на разницу напряжений Vgs.
Когда источник поднимается, ворота должны подняться над ним; когда источник падает, ворота должны упасть над ним.
Таким образом, нам необходим изолированный источник питания 15 В, который будет работать параллельно с истоками MOSFET-транзисторов.
Когда питание плавающее, ему всё равно на заземление или нейтраль, и оно просто работает в паре с цепью, поэтому MOSFET всегда получает правильное напряжение на затворе.Почему источник напряжения и отрицательный полюс 15 В могут соприкасаться?
Многие считают, что изоляция нарушается, когда отрицательный контакт изолированного источника питания подключен к истоку MOSFET-транзистора.
Но поскольку изолированный источник питания не имеет связи с сетью или заземлением, это не имеет значения. Он просто следует за MOSFET-транзисторами.
Таким образом, 0 В из источника питания 15 В становится опорным напряжением для затворов и истоков MOSFET-транзисторов.
Даже при таком способе подключения всё остаётся изолированным от внешнего мира.Как управляется затвор со стороны 12-вольтового управляющего напряжения
На стороне 12 В мы используем оптоэлектронный транзистор или небольшой управляющий элемент. Когда на этот модуль подается входное напряжение 12 В, оптоэлектронный транзистор через резистор затвора притягивает положительный полюс плавающего напряжения 15 В к затвору MOSFET.
В этом случае на MOSFET-транзисторы подается напряжение Vgs около 12 В, и они включаются.
Когда мы убираем входное напряжение 12 В, затвор остается без управления, и добавленный нами резистор медленно разряжает затвор. Когда напряжение на затворе достигает уровня истока, MOSFET-транзисторы выключаются.Как ведет себя цепь при прохождении переменного тока
Когда переменный ток подается на стоки MOSFET-транзисторов, общий исток становится плавающей средней точкой, которая смещается в зависимости от нагрузки и формы сигнала.
Но напряжение на затворе также плавает таким же образом, поэтому напряжение Vgs остается правильным.
При подаче команды на 12 В MOSFET-транзисторы включаются в обоих полупериодах, и переменный ток протекает без ограничений.
Когда входной сигнал снимается, напряжение на затворе падает через резистор 1 МОм, и MOSFET-транзисторы выключаются и блокируют оба направления из-за антипоследовательной конфигурации диодов в корпусе.Почему 220 000 — приемлемый номинал для этого SSR?
Мы используем резистор 220 кОм, потому что нам не требуется сверхбыстрый разряд затвора, и потому что твердотельное реле не переключается на очень высокой скорости.
Цикл переменного тока сам по себе очень медленный по сравнению с переключением MOSFET, поэтому даже время спада в 10 или 20 мс вполне приемлемо. Значение 220 кОм также поддерживает очень низкую нагрузку на источник питания 15 В, но если вам нужен немного более быстрый разряд, вы можете использовать и 100 кОм. Оба значения работают хорошо, потому что переключение медленное.Финальный вид завершенного SSR
Таким образом, вся схема твердотельного реле становится очень простой. Два N-канальных MOSFET-транзистора соединены истоком к истоку, а стоки подключены к переменному току.
Плавающий положительный сигнал 15 В подается на затворы через отдельные резисторы сопротивлением 22 Ома.
Плавающий отрицательный полюс 15 В подключается к общему источнику.
Между затворами и истоками каждого из MOSFET-транзисторов установлен резистор сопротивлением 220 кОм.Изолированная сторона с напряжением 12 В управляет оптоэлектронным преобразователем, а оптоэлектронный преобразователь подключает положительный полюс 15 В к затвору при получении команды.
Заключение
Таким образом, мы получаем простой, очень понятный двунаправленный MOSFET SSR, способный эффективно коммутировать переменный ток.
Использование плавающего модуля на 15 В обеспечивает бесперебойную работу конструкции даже при колебаниях напряжения в сети переменного тока.
Резисторы обеспечивают управление затвором.
[ На главную ] [ В раздел ]
