Solid State Relay (SSR) kredsløb ved hjælp af MOSFET'er

Solid State Relay (SSR) kredsløb ved hjælp af MOSFET'er

SSR- eller solid state-relæer er elektriske switche med høj effekt, der fungerer uden at involvere mekaniske kontakter, men i stedet bruger de halvledere som solid state MOSFET'er til at skifte en elektrisk belastning.



SSR'er kan bruges til drift af høje effektbelastninger gennem en lille indgangsudløserspænding med ubetydelig strøm.

Disse enheder kan bruges til drift af højeffektive vekselstrømsbelastninger såvel som DC-belastninger .





Solid State-relæer er meget effektive i forhold til elektromekaniske relæer på grund af et par forskellige funktioner.

Hovedfunktioner og fordele ved SSR

De vigtigste funktioner og fordele ved solid state-relæer eller SSR'er er:



  • SSR'er kan let bygges ved hjælp af et minimum antal almindelige elektroniske dele
  • De fungerer uden nogen form for kliklyd på grund af fraværet af mekaniske kontakter.
  • At være solid state betyder også, at SSR'er kan skifte med meget hurtigere hastighed end de traditionelle elektromekaniske typer.
  • SSR'er afhænger ikke af ekstern forsyning for at tænde TIL, snarere trækker forsyningen ud af selve belastningen.
  • De arbejder med ubetydelig strøm og tømmer derfor ikke batteri i batteridrevne systemer. Dette sikrer også ubetydelig tomgangsstrøm for enheden.

Grundlæggende SSR-arbejdskoncept ved hjælp af MOSFET'er

I et af mine tidligere indlæg forklarede jeg, hvordan en MOSFET-baseret tovejskontakt kunne bruges til at betjene enhver ønsket elektrisk belastning, ligesom en standard mekanisk afbryder , men med ekstraordinære fordele.

Det samme MOSFET tovejskontaktkoncept kunne anvendes til at fremstille en ideel SSR-enhed.


For en Triac-baseret SSR henvises der til til dette indlæg


Grundlæggende SSR-design

grundlæggende solid state relæ SSR designkoncept

I det ovennævnte viste basale SSR-design kan vi se et par passende vurderede MOSFET'er T1 og T2 forbundet ryg mod ryg med deres kilde- og portterminaler forbundet til hinanden.

D1 og D2 er de interne kropsdioder i de respektive MOSFET'er, som eventuelt kan forstærkes med eksterne parallelle dioder.

En indgang jævnstrømsforsyning kan også ses fastgjort over de to MOSFETs fælles gate / kildeterminaler. Denne forsyning bruges til at udløse MOSFET'erne ON eller til at aktivere permanent ON for MOSFET'erne, mens SSR-enheden er i drift.

AC-forsyningen, som kan være op til elnettet og belastningen, er forbundet i serie over de to afløb på MOSFET'erne.

Hvordan det virker

Funktionen af ​​det foreslåede solgte statsrelæ kan forstås ved at henvise til følgende diagram og de tilsvarende detaljer:

positiv halvcyklus SSR fungerer negativ halvcyklus SSR arbejder

Med ovenstående opsætning er T1 og T2 på grund af den tilsluttede indgangsportforsyning begge i tændt position. Når belastningen på vekselstrømsindgangen er tændt, viser det venstre diagram, hvordan den positive halvcyklus leder gennem det relevante MOSFET / diode-par (T1, D2), og diagrammet til højre viser, hvordan den negative vekselstrømscyklus leder gennem den anden komplementerende MOSFET / diodepar (T2, D1).

I det venstre diagram finder vi, at en af ​​vekselstrømshalvcyklerne går gennem T1, og D2 (T2 er omvendt forspændt) og endelig afslutter cyklussen via belastningen.

Diagrammet til højre viser, hvordan den anden halvcyklus afslutter kredsløbet i den modsatte retning ved at føre gennem belastningen, T2, D1 (T1 bliver reverseret forspændt i dette tilfælde).

På denne måde tillader de to MOSFET'er T1, T2 sammen med deres respektive kropsdioder D1, D2 begge halvcykler af AC at lede, strømforsyning af AC-belastningen perfekt og udførelse af SSR-rollen effektivt.

Oprettelse af et praktisk SSR-kredsløb

Indtil videre har vi lært det teoretiske design af en SSR, lad os nu gå videre og se, hvordan et praktisk solid state-relæmodul kunne bygges til at skifte en ønsket højeffekt vekselstrømsbelastning uden nogen ekstern indgangsstrøm.

Ovenstående SSR-kredsløb er konfigureret nøjagtigt på samme måde som diskuteret i det tidligere grundlæggende design. Her finder vi dog to ekstra dioder D1 og D2 sammen med MOSFET-kropsdioderne D3, D4.

Dioderne D1, D2 introduceres til et specifikt formål, således at det danner en bro-ensretter i forbindelse med D3, D4 MOSFET-kropsdioder.

Den lille tænd / sluk-knap kan bruges til at tænde / slukke for SSR. Denne switch kan være en reed-switch eller en hvilken som helst switch med lav strøm.

For højhastighedsskift kan du udskifte kontakten med en optokobling som vist nedenfor.

I det væsentlige opfylder kredsløbet nu 3 krav.

  1. Det styrer vekselstrømsbelastningen gennem MOSFET / Diode SSR-konfigurationen.
  2. Broensretteren dannet af D1 --- D4 konverterer samtidig belastnings-AC-input til ensrettet og filtreret DC, og denne DC bruges til at forspænde portene til MOSFET'erne. Dette gør det muligt for MOSFET'erne at blive tændt korrekt gennem selve belastningen AC uden at være afhængig af ekstern jævnstrøm.
  3. Den rektificerede jævnstrøm afsluttes yderligere som en ekstra jævnstrømsudgang, der kan bruges til at drive enhver passende ekstern belastning.

Kredsløbsproblem

En nærmere gennemgang af ovenstående design antyder, at dette SSR-design måske har problemer med at implementere den tilsigtede funktion effektivt. Dette skyldes, at i det øjeblik omskifter DC ankommer til porten til MOSFET, vil den begynde at tænde, hvilket forårsager en omgåelse af strømmen gennem afløbet / kilden og udtømning af porten / kildespændingen.

Lad os overveje MOSFET T1. Så snart den udbedrede jævnstrøm begynder at nå porten til T1, begynder den at tænde lige fra omkring 4 V og frem, hvilket forårsager en omgående effekt af forsyningen via dens afløbs- / kildeterminaler. I løbet af dette øjeblik vil DC kæmpe for at rejse sig over zenerdioden og begynde at falde mod nul.

Dette vil igen få MOSFET til at slukke, og den kontinuerlige forældede slags kamp eller en trækkamp mellem MOSFET-afløbet / -kilden og MOSFET-porten / -kilden forhindrer SSR i at fungere korrekt.

Løsningen

Løsningen på ovenstående problem kunne opnås ved hjælp af følgende eksempler på kredsløbskoncept.

Målet her er at sikre, at MOSFET'erne ikke udfører, før der udvikles en optimal 15 V på tværs af zenerdioden eller over porten / kilden til MOSFET'erne

Op-forstærkeren sikrer, at dens output kun affyres, når DC-linjen krydser 15 V-zenerdiode-referencetærsklen, hvilket gør det muligt for MOSFET-porte at få en optimal 15 V DC til ledningen.

Den røde linje associeret med pin3 i IC 741 kan skiftes gennem en optokobler til den krævede skift fra en ekstern kilde.

Hvordan det virker : Som vi kan se, er op-forstærkerens inverterende input bundet med 15V zener, som danner et referenceniveau for op-forstærker pin2. Pin3, som er den ikke-inverterende indgang på op-forstærkeren, er forbundet med den positive linje. Denne konfiguration sikrer, at udgangsben 6 på op-forstærkeren kun producerer en 15V forsyning, når dens pin3-spænding når over 15 V-markeringen. Handlingen sikrer, at MOSFET'erne kun udføres gennem en gyldig 15 V optimal gate-spænding, hvilket muliggør en korrekt funktion af SSR.

Isoleret skift

Hovedfunktionen ved enhver SSR er at gøre det muligt for brugeren at skifte enhed isoleret gennem et eksternt signal.

Ovenstående op-amp-baseret design kunne lettes med denne funktion som vist i følgende koncept:

Sådan fungerer dioderne som Bridge-ensretter

I løbet af de positive halvcyklusser bevæger strømmen sig gennem D1, 100k, zener, D3 og tilbage til vekselstrømskilden.

I løbet af den anden halve cyklus bevæger strømmen sig gennem D2, 100k, zener, D4 og tilbage til vekselstrømskilden.

Reference: SSR




Forrige: Gadgets til at beskytte kvinder mod overgreb og chikane Næste: 1 Hz til 1 MHz frekvensreferencegenerator kredsløb