Circuito a relè a stato solido (SSR) che utilizza MOSFET

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SSR o relè a stato solido sono interruttori elettrici ad alta potenza che funzionano senza coinvolgere contatti meccanici, invece utilizzano semiconduttori a stato solido come MOSFET per commutare un carico elettrico.

Gli SSR possono essere utilizzati per azionare carichi ad alta potenza, attraverso una piccola tensione di trigger in ingresso con corrente trascurabile.



Questi dispositivi possono essere utilizzati anche per il funzionamento di carichi CA ad alta potenza Carichi DC .

I relè a stato solido sono altamente efficienti rispetto ai relè elettromeccanici a causa di alcune caratteristiche distinte.



Principali caratteristiche e vantaggi di SSR

Le principali caratteristiche e vantaggi dei relè a stato solido o SSR siamo:

  • Gli SSR possono essere costruiti facilmente utilizzando un numero minimo di parti elettroniche ordinarie
  • Funzionano senza alcun tipo di clic dovuto all'assenza di contatti meccanici.
  • Essere allo stato solido significa anche che gli SSR possono cambiare a velocità molto più veloci rispetto ai tradizionali tipi elettromeccanici.
  • Gli SSR non dipendono dall'alimentazione esterna per l'accensione, ma estraggono l'alimentazione dal carico stesso.
  • Funzionano utilizzando una corrente trascurabile e quindi non consumano la batteria nei sistemi a batteria. Ciò garantisce anche una corrente inattiva trascurabile per il dispositivo.

Concetto di lavoro SSR di base utilizzando MOSFET

In uno dei miei post precedenti ho spiegato come si basa un MOSFET interruttore bidirezionale potrebbe essere utilizzato per azionare qualsiasi carico elettrico desiderato, proprio come uno standard interruttore meccanico , ma con vantaggi eccezionali.

Lo stesso concetto di interruttore bidirezionale MOSFET potrebbe essere applicato per realizzare un dispositivo SSR ideale.


Per un SSR basato su triac, fare riferimento a questo post


Progettazione SSR di base

Relè a stato solido di base concetto di progettazione SSR

Nel progetto SSR di base mostrato sopra, possiamo vedere un paio di MOSFET adeguatamente classificati T1 e T2 collegati schiena contro schiena con i loro terminali di source e gate uniti in comune l'uno con l'altro.

D1 e D2 sono i diodi di body interni dei rispettivi MOSFET, che possono essere rinforzati con diodi paralleli esterni, se necessario.

È inoltre possibile vedere un'alimentazione CC in ingresso collegata ai terminali gate / source comuni dei due MOSFET. Questa alimentazione viene utilizzata per attivare i MOSFET o per abilitare l'accensione permanente per i MOSFET mentre l'unità SSR è operativa.

L'alimentazione CA che potrebbe arrivare al livello della rete di rete e il carico sono collegati in serie attraverso i due drenaggi dei MOSFET.

Come funziona

Il funzionamento del relè di stato venduto proposto può essere compreso facendo riferimento allo schema seguente e ai dettagli corrispondenti:

funzionamento SSR positivo a mezzo ciclo funzionamento SSR a mezzo ciclo negativo

Con la configurazione di cui sopra, a causa dell'alimentazione del gate di ingresso collegata, T1 e T2 sono entrambi in posizione ON. Quando l'ingresso CA lato carico è acceso, il diagramma a sinistra mostra come il semiciclo positivo conduce attraverso la relativa coppia MOSFET / diodi (T1, D2) e il diagramma sul lato destro mostra come il ciclo CA negativo conduce attraverso l'altro MOSFET complementare / coppia di diodi (T2, D1).

Nel diagramma a sinistra troviamo che uno dei semicicli AC passa attraverso T1, e D2 (T2 è polarizzato inversamente) e infine completa il ciclo tramite il carico.

Il diagramma a destra mostra come l'altro semiciclo completa il circuito nella direzione opposta conducendo attraverso il carico, T2, D1 (T1 essendo polarizzato invertito in questo caso).

In questo modo i due MOSFET T1, T2 insieme ai rispettivi diodi body D1, D2, consentono la conduzione di entrambi i semicicli della corrente alternata, alimentando perfettamente il carico alternato e assolvendo efficacemente il ruolo di SSR.

Realizzazione di un pratico circuito SSR

Finora abbiamo appreso il progetto teorico di un SSR, ora andiamo avanti e vediamo come potrebbe essere costruito un pratico modulo relè a stato solido, per commutare un carico CA ad alta potenza desiderato, senza alcun ingresso CC esterno.

Il circuito SSR di cui sopra è configurato esattamente nello stesso modo discusso nel precedente progetto di base. Tuttavia, qui troviamo due diodi aggiuntivi D1 e D2, insieme ai diodi del corpo MOSFET D3, D4.

I diodi D1, D2 sono introdotti per uno scopo specifico tale da formare un ponte raddrizzatore in combinazione con i diodi di corpo MOSFET D3, D4.

Il minuscolo interruttore ON OFF può essere utilizzato per accendere / spegnere l'SSR. Questo interruttore potrebbe essere un interruttore reed o qualsiasi interruttore a bassa corrente.

Per la commutazione ad alta velocità è possibile sostituire l'interruttore con un accoppiatore ottico come mostrato di seguito.

In sostanza il circuito ora soddisfa 3 requisiti.

  1. Alimenta il carico AC tramite la configurazione MOSFET / diodo SSR.
  2. Il ponte raddrizzatore formato da D1 --- D4 converte simultaneamente l'ingresso CA del carico in CC raddrizzata e filtrata, e questa CC viene utilizzata per polarizzare i gate dei MOSFET. Ciò consente ai MOSFET di accendersi adeguatamente attraverso il carico AC stesso, senza dipendere da alcuna DC esterna.
  3. La CC raddrizzata è inoltre terminata come un'uscita CC ausiliaria che potrebbe essere utilizzata per alimentare qualsiasi carico esterno adatto.

Problema al circuito

Uno sguardo più da vicino al progetto di cui sopra suggerisce che, questo progetto SSR potrebbe avere problemi nell'implementazione della funzione prevista in modo efficiente. Questo perché, nel momento in cui la commutazione DC arriva al gate del MOSFET, inizierà ad accendersi, provocando un bypass della corrente attraverso il drain / source, esaurendo la tensione di gate / source.

Consideriamo il MOSFET T1. Non appena la CC raddrizzata inizia a raggiungere il gate di T1, inizierà ad accendersi da circa 4 V in poi, provocando un effetto di bypass dell'alimentazione tramite i suoi terminali di drain / source. Durante questo momento, la CC farà fatica a salire attraverso il diodo zener e inizierà a scendere verso lo zero.

Ciò a sua volta causerà lo spegnimento del MOSFET e si verificherà il tipo di lotta continua o un tiro alla fune tra il drain / source del MOSFET e il gate / source del MOSFET, impedendo all'SSR di funzionare correttamente.

La soluzione

La soluzione al problema di cui sopra potrebbe essere ottenuta utilizzando il seguente concetto di circuito di esempio.

L'obiettivo qui è assicurarsi che i MOSFET non conducano fino a quando non si sviluppa un 15 V ottimale attraverso il diodo zener o attraverso il gate / source dei MOSFET

L'amplificatore operazionale garantisce che la sua uscita si attivi solo quando la linea CC attraversa la soglia di riferimento del diodo zener di 15 V, il che consente ai gate MOSFET di ottenere un 15 V CC ottimale per la conduzione.

La linea rossa associata al pin3 di IC 741 può essere commutata tramite un accoppiatore ottico per la commutazione richiesta da una sorgente esterna.

Come funziona : Come possiamo vedere, l'ingresso invertente dell'amplificatore operazionale è collegato allo zener da 15 V, che forma un livello di riferimento per il pin2 dell'amplificatore operazionale. Il pin3, che è l'ingresso non invertente dell'amplificatore operazionale, è collegato alla linea positiva. Questa configurazione garantisce che il pin di uscita 6 dell'amplificatore operazionale produca un'alimentazione di 15 V solo quando la tensione del pin3 supera il segno di 15 V. L'azione assicura che i MOSFET conducano solo attraverso una tensione di gate ottimale di 15 V valida, consentendo un corretto funzionamento dell'SSR.

Commutazione isolata

La caratteristica principale di qualsiasi SSR è quella di consentire all'utente una commutazione isolata del dispositivo tramite un segnale esterno.

Il design basato sull'amplificatore operazionale sopra potrebbe essere facilitato con questa funzione come dimostrato nel seguente concetto:

Come funzionano i diodi come un raddrizzatore a ponte

Durante i semicicli positivi, la corrente si sposta attraverso D1, 100k, zener, D3 e torna alla sorgente CA.

Durante l'altra metà del ciclo, la corrente si sposta attraverso D2, 100k, zener, D4 e torna alla sorgente CA.

Riferimento: SSR




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