Создание компактного и маломощного твердого тела

Реле распространены во многих коммутационных цепях, где требуется управление (включение или выключение) нагрузки переменного тока. Но из-за электромеханических характеристик механическое реле имеет автономный ресурс, а также может только переключать состояние нагрузки и не может выполнять другие операции переключения, такие как регулирование яркости или регулирование скорости. Помимо этого, электромеханическое реле также издает щелчки и искры высокого напряжения, когда огромные индуктивные нагрузки включаются или выключаются. Вы можете прочитать статью «Работа реле», чтобы узнать больше о реле, его конструкции и типах.

Лучшая альтернатива электромеханическому реле - твердотельное реле. Полупроводниковое реле - это тип реле на основе полупроводников, которое может использоваться вместо электромеханического реле для управления электрическими нагрузками. У него нет катушек и, следовательно, для работы не требуется магнитное поле. Он также не имеет пружин или механических контактов, поэтому не изнашивается и может работать при слабом токе. В этих твердотельных реле, часто называемых SSR, используются полупроводники, которые управляют функцией включения-выключения нагрузки, а также могут использоваться для управления скоростью двигателей, а также диммером. Мы также использовали твердотельные устройства, такие как TRIAC, для управления скоростью двигателя и для управления интенсивностью света нагрузки переменного тока в предыдущих проектах.

В этом проекте мы создадим твердотельное реле с использованием одного компонента и будем управлять нагрузкой переменного тока при работе 230 В переменного тока. Используемая здесь спецификация ограничена, мы выбрали 2А нагрузки для работы с этим твердотельным реле. Цель состоит в том, чтобы создать компактную печатную плату для твердотельного реле, которое могло бы напрямую взаимодействовать и управляться с помощью выводов 3.3V GPIO Nodemcu или ESP8266. Для этого мы изготовили наши печатные платы от PCBWay, и мы соберем и протестируем их в этом проекте. Итак, приступим !!!

Компоненты, необходимые для создания твердотельного реле

Печатная плата
ACST210-8BTR
Резистор 330R ¼ Вт
Клеммная колодка (300 В, 5 А)
0805 светодиод любого цвета
Резистор 150R

Твердотельное реле с использованием TRIAC - Принципиальная схема

Основным компонентом является ACS Triac или сокращенно ACST. Номер детали ACST - ACST210-8BTR. Однако резистор R1 используется для соединения микроконтроллера или вторичной цепи (цепи управления) GND с нейтралью переменного тока. Сопротивление резистора может быть любым в диапазоне от 390R до 470R или может использоваться немного меньше.

Более подробная информация о работе схемы описана в разделе ниже. Как упоминалось ранее, основным компонентом является T1, ACST210-8BTR. ACST - это тип TRIAC, который также называется триодом для переменного тока.

Как работает ACS TRIAC (ASCT)?

Прежде чем понять, как работает ACST, важно понять, как работает TRIAC. TRIAC - это трехконтактный электронный компонент, который проводит ток в любом направлении при срабатывании затвора. Таким образом, он называется двунаправленным триодным тиристором. TRIAC имеет три клеммы, где «A1» - анод 1, «A2» - анод 2, а «G» - затвор. Иногда его также называют анодом 1 и анодом 2 или главным выводом 1 (MT1) и основным выводом 2 (MT2) соответственно. Теперь на затвор TRIAC необходимо подавать небольшой ток от источника переменного тока с использованием оптических тиристоров, например, таких как MOC3021.

Но ACST немного отличается от обычного TRIAC. ACST - это тип TRIAC от STMicroelectronics, но он может напрямую взаимодействовать с блоком микроконтроллера и может запускаться с использованием небольшого количества постоянного тока без необходимости в оптроне. Согласно таблице данных, ACST не требует какой-либо демпфирующей цепи также для индуктивной нагрузки 2А.

Вышеупомянутая схема является иллюстрацией прикладной схемы ACST. Линия - это линия LIVE 230 В переменного тока, а нейтральная линия подключена к общему выводу ACST. Резистор затвора используется для управления выходным током. Однако этот резистор также можно использовать в нейтрали с землей или можно исключить в зависимости от токового выхода микроконтроллера.

На изображении выше показана распиновка ACST. Интересно то, что есть разница между распиновкой стандартного TRIAC и ACS TRIAC. Стандартная распиновка TRIAC показана ниже для сравнения, это распиновка BT136 TRIAC.

Как мы видим, вместо T1 и T2 (клемма 1 и клемма 2) ACST имеет выводы Out и Common. Общий вывод необходимо соединить с выводом заземления микроконтроллера. Таким образом, он не действует так же двунаправленно, как TRIAC. Нагрузку следует подключать последовательно с ACST.

Твердотельное реле с использованием TRIAC - PCB Design

Размер печатной платы составляет 24/15 мм. Соответствующий радиатор предусмотрен поперек ACST с использованием медного слоя. Однако обновленный Gerber для этой печатной платы можно найти по ссылке ниже. Гербер обновлен после тестирования, потому что были обнаружены некоторые ошибки дизайна.

Во время теста используется печатная плата того же размера с другой схемой, где предоставляется MOC3021, но позже она удалена в обновленном Gerber.

Полный проект печатной платы, включая файл Gerber и схему, можно скачать по ссылке ниже.

Скачать файл Gerber и проект печатной платы для твердотельного реле

Заказ печатной платы на PCBWay

После доработки дизайна можно приступать к заказу печатной платы:

Шаг 1. Зайдите на https://www.pcbway.com/, зарегистрируйтесь, если это ваш первый раз. Затем на вкладке PCB Prototype введите размеры вашей печатной платы, количество слоев и количество требуемых печатных плат.

Шаг 2: Продолжите, нажав кнопку «Цитировать сейчас». Вы попадете на страницу, где можно установить несколько дополнительных параметров, таких как Тип платы, Слои, Материал для печатной платы, Толщина и другие, большинство из них выбраны по умолчанию, если вы выбираете какие-либо конкретные параметры, вы можете выбрать это здесь.

Шаг 3: Последний шаг - загрузить файл Gerber и продолжить оплату. Чтобы убедиться, что процесс проходит гладко, PCBWAY проверяет, действителен ли ваш файл Gerber, прежде чем продолжить платеж. Таким образом, вы можете быть уверены, что ваша печатная плата удобна для изготовления и будет доставлена к вам в соответствии с требованиями.

Сборка твердотельного реле

Через несколько дней мы получили нашу печатную плату в аккуратной упаковке, и качество печатной платы было как всегда хорошим. Верхний и нижний слои платы показаны ниже.

Поскольку я впервые работал с ACST, дела пошли не так, как я говорил ранее. Пришлось внести некоторые изменения. Окончательная схема после внесения всех изменений показана ниже. Вам не нужно беспокоиться об изменениях, потому что они уже внесены и обновлены в файле Gerber, который вы загрузили из указанного выше раздела.

Программирование ESP8266 для управления нашим твердотельным реле

Код простой. В ESP8266-01 доступны два контакта GPIO. GPIO 0 выбран как контакт кнопки, а GPIO 2 выбран как контакт реле. Когда вывод кнопки считывается, если кнопка нажата, реле изменит состояние ВКЛ или ВЫКЛ или наоборот. Однако для безотказной работы также используется задержка дребезга. Вы можете узнать больше об отключении переключателя в связанной статье. Поскольку код очень прост, мы не будем его здесь обсуждать. Полный код можно найти внизу этой страницы.

Тестирование твердотельного реле

Схема подключена к ESP8266-01 с источником питания 3,3 В. Кроме того, для тестирования используется 100-ваттная лампочка. Как вы можете видеть на изображении выше, я запитал наш модуль ESP с помощью макетного модуля питания и использовал две кнопки для включения и выключения нагрузки.

Когда кнопка нажата, свет включается. Позже, после тестирования, я припаял твердотельное реле и модуль ESP826 к одной плате, чтобы получить компактное решение, как показано ниже. Теперь в демонстрационных целях мы использовали кнопку для включения загрузки, но в реальном приложении мы включим ее удаленно, написав соответствующую программу.

Полное объяснение и рабочее видео можно посмотреть по ссылке ниже. Надеюсь, вам понравился проект и вы узнали что-то полезное. Если у вас есть какие-либо вопросы, оставьте их в разделе комментариев ниже или воспользуйтесь нашим форумом, чтобы начать обсуждение этого вопроса.