Relé de estado sólido feito por você mesmo: instruções de montagem e dicas de conexão

O relé de estado sólido (SSR) é um dispositivo da série de componentes eletrônicos de ação não mecânica. A ausência de mecânica abre mais possibilidades para os entusiastas da eletrônica fazerem um relé de estado sólido por você mesmo para uso pessoal.

Vamos examinar essa possibilidade em detalhes.

Construção e princípio de funcionamento do SSR

Enquanto a maior parte da eletrônica similar tradicionalmente contém peças móveis de grupos de contato, o relé de estado sólido não possui tais peças. A comutação do circuito pelo esquema do dispositivo é realizada pelo princípio de uma chave eletrônica. E o papel das chaves eletrônicas é geralmente desempenhado por semicondutores incorporados no corpo do relé – transistores de potência, triacs, tiristores.

Antes de tentar fabricar um relé de estado sólido por conta própria, é lógico familiarizar-se com a construção básica de tais dispositivos e entender o princípio de seu funcionamento.

A produção industrial fabrica relés de estado sólido de várias configurações, destinados às mais diversas condições de aplicação prática. A escolha de modificações é ampla.

No âmbito do estudo aprofundado do dispositivo, é imediato destacar os pontos fortes do SSR:

• comutação de carga potente;
• alta velocidade de comutação;
• isolamento galvânico ideal;
• capacidade de suportar altas sobrecargas por curto período.

Entre as construções mecânicas, não é realmente possível encontrar um relé com parâmetros semelhantes. Em geral, as vantagens dos relés de estado sólido em relação aos seus congêneres mecânicos são expressas por uma lista impressionante.

Dois dispositivos eletrônicos que funcionalmente realizam a comutação de circuitos: à esquerda, um baseado em construção de estado sólido, à direita – um sistema mecânico tradicional de comutação.

As condições de operação para SSR praticamente não limitam a aplicação desses dispositivos. Além disso, a ausência de peças mecânicas móveis tem um efeito benéfico na vida útil dos aparelhos. Portanto, há todas as razões para se dedicar ao relé de estado sólido – montar o dispositivo por você mesmo.

No entanto, para ser justo, juntamente com os aspectos positivos, devem ser observadas as propriedades do relé caracterizadas como deficiências. Assim, para a operação de dispositivos potentes, geralmente é necessário um componente adicional de construção, destinado a dissipar o calor.

Para a comutação de cargas potentes, os relés de estado sólido são quase sempre complementados por radiadores de resfriamento potentes. Isso complica um pouco a aplicação dos SSR.

Os radiadores de resfriamento dos relés de estado sólido têm dimensões várias vezes maiores que as dos próprios SSR, o que reduz a conveniência e a racionalidade da montagem.

Os dispositivos SSR, durante a operação (no estado fechado), produzem corrente de fuga reversa e apresentam uma característica tensão-corrente não linear. Nem todos os relés de estado sólido podem ser usados sem restrições nas características das tensões comutadas.

Construção para uso apenas em circuitos onde a alimentação é feita por corrente contínua. Normalmente, esses dispositivos se caracterizam por pequenas dimensões e baixa potência de comutação.

Alguns tipos de dispositivos são projetados para comutar apenas corrente contínua. A incorporação de relés de estado sólido no circuito geralmente requer medidas adicionais para bloquear disparos falsos.

Relés de estado sólido são frequentemente encontrados no quadro elétrico geral do apartamento.

Como funciona um relé de estado sólido?

O sinal de controle (geralmente uma tensão de baixo nível, proveniente, por exemplo, de um controlador) é aplicado ao LED de um par optoeletrônico presente no circuito do SSR. O LED começa a emitir luz em direção ao fotodiodo, que por sua vez se abre e começa a conduzir corrente.

Diagrama generalizado do SSR, mostrando claramente como funciona o dispositivo eletrônico: 1 – fonte de tensão de controle; 2 – par optoeletrônico dentro do invólucro do relé; 3 – fonte de corrente de carga; 4 – carga

A corrente que passa pelo fotodiodo chega ao eletrodo de controle do transistor de chaveamento ou tiristor. A chave abre, fechando o circuito de carga.

Assim funciona a função de comutação do dispositivo. Toda a eletrônica é tradicionalmente encapsulada em um invólucro monolítico. Na verdade, é por isso que o dispositivo recebeu o nome de relé de estado sólido.

E sobre como conectar um relé de estado sólido, você pode ler neste material.

Variedades de interruptores de estado sólido

Toda a gama existente de dispositivos pode ser dividida condicionalmente em grupos, com base na categoria da carga conectada, nas características de controle e comutação das tensões.

Assim, no total, teremos três grupos:

1. Dispositivos que operam em circuitos de corrente contínua.
2. Dispositivos que operam em circuitos de corrente alternada.
3. Construções universais.

O primeiro grupo é representado por dispositivos com parâmetros de tensões de controle operacional de 3 a 32 volts. São eletrônicos relativamente compactos, equipados com indicação por LED, capazes de funcionar sem interrupções em temperaturas de -35 / +75 ºC.

Uma configuração amplamente difundida de dispositivo eletrônico para uso em rede elétrica monofásica. Também existem outras variantes de construção, mas com muito menos frequência.

O segundo grupo são dispositivos destinados à instalação em redes de tensão alternada. Aqui são apresentadas construções de SSR para instalação em redes de corrente alternada, controladas por tensão de 24 a 250 volts. Existem dispositivos capazes de comutar cargas de alta potência.

O terceiro grupo são dispositivos de uso universal. A técnica de circuito deste tipo de dispositivo suporta ajuste manual para uso em diferentes condições.

Considerando a natureza da carga conectada, devem ser destacados dois tipos de relés de estado sólido de corrente alternada: monofásicos e trifásicos. Ambos os tipos são projetados para comutar cargas suficientemente potentes com correntes de 10 – 75 A. Os valores de pico de curta duração podem atingir 500 A.

Uma variante de execução amplamente difundida para uso em rede elétrica trifásica. Frequentemente usado como regulador linear de aquecedores elétricos potentes (resistências).

As cargas comutadas por relés de estado sólido podem ser circuitos capacitivos, resistivos, indutivos. As construções dos interruptores permitem controlar suavemente, sem ruído excessivo, por exemplo, elementos de aquecimento, lâmpadas incandescentes, motores elétricos.

A confiabilidade operacional é bastante alta. Mas, em grande parte, a estabilidade e a durabilidade dos relés de estado sólido dependem da qualidade de fabricação dos produtos. Por exemplo, dispositivos produzidos sob a marca 'Impuls' geralmente têm vida útil curta.

Por outro lado, os produtos da empresa 'Schneider Electric' não dão motivo para críticas.

Como fazer um SSR por você mesmo?

Considerando a característica construtiva do dispositivo (monolítico), o circuito é montado não em placa de fenolite, como é usual, mas por montagem suspensa.

Assim é a aparência de uma construção caseira de um relé de estado sólido. Fazer algo semelhante não é difícil. São necessárias apenas habilidades básicas de eletrônica e eletricidade. Os custos materiais são baixos.

Existem muitas soluções de circuitos nessa direção. A variante específica depende da potência de comutação necessária e outros parâmetros.

Componentes eletrônicos para montagem do circuito

A lista de elementos de um circuito simples para aprendizado prático e construção de um relé de estado sólido por você mesmo é a seguinte:

1. Optoacoplador do tipo MOC3083.
2. Triac do tipo BT139-800.
3. Transistor da série KT209.
4. Resistores, diodo zener, LED.

Todos os componentes eletrônicos mencionados são soldados com montagem por pontos de acordo com o seguinte esquema:

Diagrama esquemático de um relé de estado sólido de baixa potência para montagem DIY. O pequeno número de componentes e a simples montagem por pontos permitem soldar o circuito sem dificuldade.

Graças ao uso do optoacoplador MOC3083 no circuito de geração do sinal de controle, a tensão de entrada pode variar de 5 a 24 volts.

E graças à cadeia composta por um diodo zener e um resistor limitador, a corrente que passa pelo LED indicador é reduzida ao mínimo possível. Essa solução garante uma longa vida útil do LED indicador.

Verificação do circuito montado quanto à funcionalidade

O circuito montado deve ser verificado quanto ao funcionamento. Não é necessário conectar a tensão de carga de 220 volts ao circuito de comutação através do triac. Basta conectar um instrumento de medição – um testador – em paralelo com a linha de comutação do triac.

Verificação do funcionamento do relé de estado sólido com o auxílio de um instrumento de medição. Se a tensão de controle for aplicada à entrada do dispositivo, a junção do triac deve estar aberta.

O modo de medição do testador deve ser ajustado para 'MΩ' e a alimentação (5-24V) aplicada ao circuito de geração da tensão de controle. Se tudo funcionar corretamente, o testador deve mostrar uma diferença de resistência de 'MΩ' para 'kΩ'.

Estrutura do invólucro monolítico

Para a base do corpo do futuro relé de estado sólido, será necessária uma placa de alumínio com espessura de 3-5 mm. As dimensões da placa não são críticas, mas devem atender às condições de dissipação eficiente de calor do triac quando este componente eletrônico aquece.

Estrutura para o vazamento do corpo do futuro dispositivo. Feita com uma tira de papelão ou outros materiais adequados. Fixada na base de alumínio com cola universal.

A superfície da placa de alumínio deve ser plana. Além disso, é necessário lixar ambos os lados com lixa fina e polir.

Na etapa seguinte, a placa preparada recebe uma 'fôrma' – uma borda de papelão grosso ou plástico é colada ao redor do perímetro. Deve resultar uma espécie de caixa que posteriormente será preenchida com resina epóxi.

Dentro da caixa criada, é colocada a placa eletrônica do relé de estado sólido montada por pontos. Apenas o triac é colocado sobre a superfície da placa de alumínio.

Fixação do triac na base de alumínio. A principal condição é que este componente eletrônico deve ser firmemente pressionado contra a base metálica. Só assim é garantida uma dissipação de calor eficaz e a confiabilidade do funcionamento.

Nenhum outro componente ou condutor do circuito deve tocar o substrato de alumínio. O triac é aplicado ao alumínio com a parte do corpo projetada para montagem em dissipador de calor.

Deve-se usar pasta térmica na área de contato entre o corpo do triac e o substrato de alumínio. Algumas marcas de triac com ânodo não isolado devem obrigatoriamente ser instaladas através de uma junta de mica.

Opção de fixação do triac ao substrato usando rebite. No lado oposto, o rebite é achatado rente à superfície do substrato.

O triac deve ser firmemente pressionado contra a base com algum peso e preenchido ao redor com cola epóxi, ou fixado de alguma forma sem danificar a lisura do lado oposto do substrato (por exemplo, com um rebite).

Preparação do composto e encapsulamento

Para fabricar o corpo sólido do dispositivo eletrônico, será necessário preparar uma mistura de composto. A composição da mistura do composto é feita com base em dois componentes:

1. Resina epóxi sem endurecedor.
2. Pó de alabastro.

Graças à adição de alabastro, o artesão resolve duas tarefas de uma vez – obtém um volume suficiente de composto de enchimento com consumo nominal de resina epóxi e cria um enchimento de consistência ideal.

A mistura deve ser bem mexida, após o que se pode adicionar o endurecedor e mexer novamente. Em seguida, despeje cuidadosamente a montagem 'pendurada' dentro da caixa de papelão com o composto criado.

Assim é o exemplar pronto de um relé de estado sólido montado manualmente. Um pouco incomum e não muito apresentável, mas bastante confiável.

O enchimento é feito até o nível superior, deixando na superfície apenas parte da cabeça do LED indicador. Inicialmente, a superfície do composto pode parecer não muito lisa, mas depois de um tempo a aparência muda. Resta apenas esperar a cura completa do molde.

Basicamente, podem ser usadas quaisquer soluções adequadas para moldagem. O critério principal é que a composição do enchimento não seja eletricamente condutiva, além de formar um bom grau de rigidez após o endurecimento. O corpo moldado do relé de estado sólido é uma espécie de proteção do circuito eletrônico contra danos físicos acidentais.

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

Este vídeo mostra como e com base em quais componentes eletrônicos se pode fazer um relé de estado sólido. O autor explica claramente todos os detalhes da prática de fabricação que ele encontrou pessoalmente no processo de produção do comutador eletrônico:

Vídeo sobre o problema que pode ser encontrado após a compra de um SSR monofásico de vendedores da China. Ao mesmo tempo, faz uma espécie de revisão do dispositivo do comutador:

A fabricação de relés de estado sólido por conta própria é uma solução perfeitamente viável, mas aplicada a dispositivos para carga de baixa tensão que consomem potência relativamente pequena.

É difícil fazer dispositivos mais potentes e de alta tensão com as próprias mãos. Além disso, essa empreitada custará o mesmo valor que um modelo de fábrica. Portanto, se necessário, é mais fácil comprar um dispositivo pronto de fabricação industrial.

Se você tiver dúvidas sobre a montagem de um relé de estado sólido, por favor, pergunte-as na seção de comentários, e tentaremos dar uma resposta extremamente clara. Lá você também pode compartilhar sua experiência na fabricação caseira de relés ou fornecer informações valiosas sobre o tema do artigo.