Relè a stato solido fai da te: istruzioni per il montaggio e consigli per il collegamento

Il relè a stato solido (SSR) è un dispositivo della serie di componenti elettronici non meccanici. L'assenza di parti meccaniche offre maggiori possibilità agli appassionati di elettronica di realizzare un relè a stato solido fai da te per uso personale.

Consideriamo questa possibilità più in dettaglio.

Costruzione e principio di funzionamento dell'SSR

Mentre la maggior parte dell'elettronica simile contiene tradizionalmente parti mobili dei gruppi di contatto, il relè a stato solido non ha affatto tali componenti. La commutazione del circuito da parte dello schema del dispositivo avviene secondo il principio di un interruttore elettronico. Il ruolo degli interruttori elettronici è solitamente svolto da semiconduttori incorporati nel corpo del relè: transistor di potenza, triac, tiristori.

Prima di provare a realizzare un relè a stato solido da soli, è logico familiarizzare con la struttura di base di tali dispositivi e comprendere il principio del loro funzionamento.

La produzione industriale realizza relè a stato solido di varie configurazioni, progettati per le più diverse condizioni di applicazione pratica. La scelta delle varianti è ampia.

Nell'ambito di uno studio approfondito del dispositivo, è opportuno evidenziare immediatamente i vantaggi dell'SSR:

• commutazione di carichi potenti;
• elevata velocità di commutazione;
• isolamento galvanico ideale;
• capacità di sopportare brevi sovraccarichi elevati.

Non è realmente possibile trovare un relè con parametri simili tra le costruzioni meccaniche. In generale, i vantaggi dei relè a stato solido rispetto ai loro omologhi meccanici si traducono in un elenco notevole.

Due dispositivi elettronici che assicurano funzionalmente la commutazione dei circuiti: a sinistra quello realizzato su base a stato solido, a destra – il tradizionale sistema meccanico di commutazione.

Le condizioni operative per gli SSR non limitano praticamente l'uso di questi dispositivi. Inoltre, l'assenza di parti meccaniche mobili influisce positivamente sulla durata dei dispositivi. Quindi ci sono tutte le ragioni per dedicarsi al relè a stato solido – realizzare il dispositivo con le proprie mani.

Tuttavia, in tutta onestà, accanto agli aspetti positivi, vanno segnalate le caratteristiche del relè che sono considerate difetti. Ad esempio, per il funzionamento di dispositivi potenti, di solito è necessario un componente aggiuntivo della struttura, progettato per dissipare il calore.

Per la commutazione di carichi potenti, i relè a stato solido sono quasi sempre dotati di potenti radiatori di raffreddamento. Questo aspetto complica un po' l'uso dei TTR.

I radiatori di raffreddamento dei relè a stato solido hanno dimensioni molte volte superiori a quelle dei TTR, riducendo la praticità e la razionalità del montaggio.

I dispositivi TTR durante il funzionamento (in stato chiuso) producono una corrente di dispersione inversa e mostrano una caratteristica volt-ampere non lineare. Non tutti i relè a stato solido possono essere utilizzati senza limitazioni sulle caratteristiche delle tensioni commutate.

Costruzione per l'uso solo in circuiti alimentati in corrente continua. Di solito questi dispositivi si distinguono per le dimensioni ridotte e la bassa potenza di commutazione.

Alcuni tipi di dispositivi sono progettati per commutare solo corrente continua. L'integrazione dei relè a stato solido nel circuito richiede solitamente misure aggiuntive per bloccare attivazioni indesiderate.

I relè a stato solido si trovano spesso nel quadro elettrico generale dell'appartamento.

Come funziona un relè a stato solido?

Il segnale di controllo (di solito una tensione di basso livello, proveniente ad esempio da un controllore) viene inviato al LED della coppia optoelettronica presente nel circuito del TTR. Il LED inizia a emettere luce verso il fotodiodo, che a sua volta si apre e inizia a far passare corrente.

Schema generale del TTR, che mostra chiaramente come funziona il dispositivo elettronico: 1 – sorgente di tensione di controllo; 2 – coppia optoelettronica all'interno dell'involucro del relè; 3 – sorgente di corrente di carico; 4 – carico.

La corrente che passa attraverso il fotodiodo arriva all'elettrodo di controllo del transistor di commutazione o del tiristore. L'interruttore si apre e chiude il circuito di carico.

Ecco come funziona la funzione di commutazione del dispositivo. Tutta l'elettronica è tradizionalmente racchiusa in un involucro monolitico. In effetti, è per questo che il dispositivo ha preso il nome di relè a stato solido.

Per sapere come collegare un relè a stato solido, è possibile leggere in questo materiale.

Varietà di interruttori a stato solido

Tutta la gamma esistente di dispositivi può essere suddivisa in gruppi in base alla categoria di carico collegato, alle caratteristiche di controllo e commutazione delle tensioni.

In totale, si avranno tre gruppi:

1. Dispositivi che operano in circuiti a corrente continua.
2. Dispositivi che operano in circuiti a corrente alternata.
3. Costruzioni universali.

Il primo gruppo è rappresentato da dispositivi con parametri di tensioni di controllo operative da 3 a 32 volt. Si tratta di un'elettronica relativamente compatta, dotata di indicatori LED, in grado di funzionare senza interruzioni a temperature comprese tra -35 e +75 ºC.

Versione ampiamente diffusa di un dispositivo elettronico per l'uso in una rete elettrica monofase. Esistono anche altre varianti costruttive, ma molto meno frequenti.

Il secondo gruppo è costituito da dispositivi progettati per l'installazione in reti a tensione alternata. Qui sono presentate le configurazioni TTR per l'installazione in reti a corrente alternata, controllate con tensioni da 24 a 250 volt. Esistono dispositivi in grado di commutare carichi ad alta potenza.

Il terzo gruppo comprende dispositivi di uso universale. La progettazione circuitale di questo tipo di dispositivi supporta la regolazione manuale per l'utilizzo in diverse condizioni.

Se si considera la natura del carico collegato, si possono distinguere due tipi di relè a stato solido per corrente alternata: monofase e trifase. Entrambi i tipi sono progettati per commutare carichi abbastanza potenti con correnti da 10 – 75 A. I valori di picco a breve termine della corrente possono raggiungere i 500 A.

Versione ampiamente diffusa per l'utilizzo in reti elettriche trifase. Viene spesso utilizzato come regolatore lineare per potenti riscaldatori elettrici tubolari (TEN).

Come carichi commutati dai relè a stato solido possono essere utilizzati circuiti capacitivi, resistivi, induttivi. Le strutture degli interruttori consentono un controllo silenzioso e graduale, ad esempio, di elementi riscaldanti, lampade a incandescenza, motori elettrici.

L'affidabilità di funzionamento è piuttosto elevata. Ma la stabilità e la durata dei relè a stato solido dipendono in gran parte dalla qualità di fabbricazione dei prodotti. Ad esempio, i dispositivi prodotti con il marchio «Impuls» spesso hanno una vita utile breve.

D'altra parte, i prodotti dell'azienda «Schneider Electric» non lasciano spazio a critiche.

Come realizzare un SSR fai da te?

Considerando la caratteristica costruttiva del dispositivo (monolitico), il circuito viene assemblato non su una scheda di textolite, come di consueto, ma con montaggio volante.

Ecco come appare una costruzione fai-da-te di un relè a stato solido. Realizzare qualcosa di simile non è difficile. Bastano solo competenze di base da elettronico ed elettricista. I costi materiali sono contenuti.

Esistono molte soluzioni circuitali in questo campo. La variante specifica dipende dalla potenza di commutazione richiesta e da altri parametri.

Componenti elettronici per l'assemblaggio del circuito

L'elenco dei componenti di un semplice circuito per l'apprendimento pratico e la costruzione di un relè a stato solido fai-da-te è il seguente:

1. Ottocoppiatore tipo MOC3083.
2. Triac tipo BT139-800.
3. Transistor serie KT209.
4. Resistori, diodo zener, LED.

Tutti i componenti elettronici indicati vengono saldati mediante montaggio superficiale secondo il seguente schema:

Schema circuitale di un relè a stato solido a bassa potenza per assemblaggio fai da te. Il ridotto numero di componenti e il semplice montaggio superficiale permettono di saldare il circuito senza difficoltà.

Grazie all'uso dell'optocoppiatore MOC3083 nel circuito di generazione del segnale di controllo, la tensione di ingresso può variare da 5 a 24 volt.

E grazie alla catena composta da un diodo zener e un resistore di limitazione, la corrente che attraversa il LED di controllo è ridotta al minimo possibile. Questa soluzione garantisce una lunga durata del LED di controllo.

Verifica del funzionamento del circuito assemblato

Il circuito assemblato deve essere verificato per il funzionamento. Non è necessario collegare una tensione di carico di 220 volt al circuito di commutazione tramite il triac. È sufficiente collegare un dispositivo di misura – un tester – in parallelo alla linea di commutazione del triac.

Verifica del funzionamento del relè a stato solido con uno strumento di misura. Se viene applicata una tensione di controllo all'ingresso del dispositivo, la giunzione del triac deve essere aperta.

La modalità di misura del tester deve essere impostata su 'MΩ' e deve essere applicata alimentazione (5-24V) al circuito di generazione della tensione di controllo. Se tutto funziona correttamente, il tester dovrebbe mostrare una differenza di resistenza da 'MΩ' a 'kΩ'.

Realizzazione del contenitore monolitico

Per la base dell'involucro del futuro relè a stato solido sarà necessaria una piastra di alluminio di spessore 3-5 mm. Le dimensioni della piastra non sono critiche, ma devono corrispondere alle condizioni per un efficace smaltimento del calore dal triac quando questo componente elettronico si riscalda.

Telaio per il getto dell'involucro del futuro dispositivo. Realizzato con una striscia di cartone o altri materiali adatti. Viene fissato sul supporto in alluminio con colla universale.

La superficie della piastra di alluminio deve essere piana. Inoltre, è necessario trattare entrambi i lati – pulirli con carta vetrata fine, lucidare.

Nella fase successiva, la piastra preparata viene dotata di una 'cassaforma' – lungo il perimetro viene incollato un bordo di cartone spesso o plastica. Il risultato dovrebbe essere una specie di scatola che verrà successivamente riempita con resina epossidica.

All'interno della scatola creata viene posto il circuito elettronico 'montato superficialmente' del relè a stato solido. Sulla superficie della piastra di alluminio viene posizionato solo il triac.

Fissaggio del triac sul supporto in alluminio. La condizione principale è che questo componente elettronico deve essere premuto saldamente contro la base metallica. Solo in questo modo si garantisce un efficace smaltimento del calore e un funzionamento affidabile.

Nessun altro componente o conduttore del circuito deve toccare il supporto in alluminio. Il triac viene applicato all'alluminio con la parte del corpo progettata per il montaggio su un dissipatore di calore.

Si deve utilizzare una pasta termoconduttiva sull'area di contatto tra il corpo del triac e il supporto in alluminio. Alcuni marchi di triac con anodo non isolato devono assolutamente essere montati tramite un distanziale in mica.

Variante di fissaggio del triac al supporto mediante rivetto. Dal lato posteriore, il rivetto viene appiattito a filo con la superficie del supporto.

Il triac deve essere premuto saldamente sulla base con un peso e riempito di colla epossidica lungo il perimetro, oppure fissato in qualche modo senza danneggiare la levigatezza del lato posteriore del supporto (ad esempio, con un rivetto).

Preparazione del composto e colata del contenitore

Per la realizzazione del corpo solido del dispositivo elettronico sarà necessario preparare una miscela di composto. La composizione della miscela di composto si basa su due componenti:

1. Resina epossidica senza indurente.
2. Polvere di alabastro.

Grazie all'aggiunta di alabastro, l'artigiano risolve due problemi contemporaneamente: ottiene un volume completo di composto di riempimento con un consumo nominale di resina epossidica e crea un riempimento di consistenza ottimale.

La miscela deve essere mescolata accuratamente, dopodiché si può aggiungere l'indurente e mescolare nuovamente con cura. Successivamente, si versa delicatamente il montaggio 'sospeso' all'interno della scatola di cartone con il composto creato.

Ecco come appare un esemplare finito di relè a stato solido assemblato fai-da-te. Un po' insolito e non molto presentabile, ma abbastanza affidabile.

Il riempimento viene effettuato fino al livello superiore, lasciando in superficie solo una parte della testa del LED di controllo. Inizialmente, la superficie del composto potrebbe non sembrare del tutto liscia, ma dopo qualche tempo l'aspetto cambierà. Non resta che attendere la completa solidificazione della colata.

In sostanza, è possibile utilizzare qualsiasi soluzione adatta per la colata. Il criterio principale è che la composizione del riempimento non deve essere elettricamente conduttiva, e deve inoltre formare un buon grado di rigidità dopo la solidificazione. Il corpo fuso del relè a stato solido funge da protezione per il circuito elettronico contro danni fisici accidentali.

Conclusioni e video utili sull'argomento

Questo video mostra come e su quali componenti elettronici si può realizzare un relè a stato solido. L'autore spiega chiaramente tutti i dettagli della pratica di fabbricazione che ha incontrato personalmente durante la produzione del commutatore elettronico:

Video sul problema che si può incontrare dopo l'acquisto di un SSR monofase da venditori cinesi. Contemporaneamente, fornisce una sorta di panoramica del dispositivo di commutazione:

La fabbricazione fai-da-te di relè a stato solido – una soluzione del tutto possibile, ma applicata a prodotti per carichi a bassa tensione che consumano una potenza relativamente piccola.

È difficile realizzare dispositivi più potenti e ad alta tensione con le proprie mani. E questa impresa costerà la stessa cifra di un esemplare di fabbrica. Quindi, se necessario, è più semplice acquistare un dispositivo già pronto di produzione industriale.

Se Lei ha domande sul montaggio del relè a stato solido, le ponga nella sezione commenti, e cercheremo di fornirLe una risposta estremamente chiara. Lì può anche condividere la propria esperienza nella realizzazione fai-da-te del relè o fornire informazioni preziose sull'argomento dell'articolo.