Een compacte en energiezuinige vaste stof bouwen

Relais zijn gebruikelijk in veel schakelcircuits waar het regelen (AAN of UIT zetten) van een AC-belasting vereist is. Maar vanwege de elektromechanische karakteristiek heeft een mechanisch relais een eigen leven, en kan het ook alleen de status van de belasting omschakelen en kan het geen andere schakelhandelingen uitvoeren, zoals dimmen of snelheidsregeling. Afgezien hiervan produceert een elektromechanisch relais ook klikgeluiden en hoogspanningsvonken wanneer enorme inductieve belastingen worden in- of uitgeschakeld. U kunt het artikel over werking van relais lezen voor meer informatie over relais, de constructie en typen.

Het beste alternatief voor een elektromechanisch relais is een solid-state relais. Een solid-state relais is een type halfgeleiderrelais dat kan worden gebruikt als vervanging voor een elektromechanisch relais om elektrische belastingen te regelen. Het heeft geen spoelen en heeft daarom geen magnetisch veld nodig om te werken. Het heeft ook geen veren of mechanische contacten, dus geen slijtage en kan op lage stroom werken. Deze solid-state relais, vaak herkend als SSR, gebruiken halfgeleiders die de AAN-UIT-functie van de belasting regelen en kunnen worden gebruikt om zowel de snelheid van motoren als de dimmer te regelen. We hebben ook een solid-state apparaat zoals TRIAC gebruikt om de motorsnelheid te regelen en om de lichtintensiteit van een AC-belasting te regelen in eerdere projecten.

In dit project zullen we een solid-state relais maken met een enkele component en zullen we een AC-belasting regelen in 230VAC-werking. De specificatie die hier wordt gebruikt is beperkt, we hebben gekozen voor 2A belasting om te worden bediend met dit Solid-State-relais. Het doel is om een compacte printplaat te bouwen voor een solid state relais die direct kan worden aangesloten en aangestuurd met de 3.3V GPIO pinnen van Nodemcu of ESP8266. Om dat te bereiken hebben we onze printplaten van PCBWay gefabriceerd en zullen we deze in dit project assembleren en testen. Dus laten we beginnen !!!

Componenten die nodig zijn om een solid-state relais te bouwen

Een PCB
ACST210-8BTR
330R weerstand ¼ Watt
Klemmenblok (300V 5A)
0805 LED met elke kleur
150R weerstand

Halfgeleiderrelais met TRIAC - schakelschema

Het belangrijkste onderdeel is de ACS Triac of kortweg ACST. Het onderdeelnummer van de ACST is ACST210-8BTR. De weerstand R1 wordt echter gebruikt om de microcontroller of het secundaire circuit (stuurcircuit) GND te verbinden met de AC-neutraal. De waarde van de weerstand kan tussen 390R-470R liggen of kan ook iets meer worden gebruikt.

Voor meer informatie over de werking van het circuit, wordt dit beschreven in het onderstaande gedeelte. Zoals eerder vermeld, is het belangrijkste onderdeel de T1, ACST210-8BTR. ACST is een type TRIAC en wordt ook wel triode genoemd voor wisselstroom.

Hoe werkt een ACS TRIAC (ASCT)?

Voordat u begrijpt hoe een ACST werkt, is het belangrijk om te begrijpen hoe TRIAC werkt. TRIAC is een elektronische component met drie aansluitingen die stroom in beide richtingen geleidt wanneer deze wordt geactiveerd met behulp van de poort. Het wordt dus een bidirectionele triode-thyristor genoemd. TRIAC heeft drie terminals waar "A1" Anode 1 is, "A2" Anode 2 is en "G" Gate is. Soms wordt het ook wel Anode 1 en Anode 2 of Main Terminal 1 (MT1) en Main Terminal 2 (MT2) genoemd. Nu moet de poort van een TRIAC een kleine hoeveelheid stroom krijgen van de AC-bron met behulp van bijvoorbeeld Opto-thyristors, zoals MOC3021.

Maar de ACST is een beetje anders dan de normale TRIAC. ACST is een type TRIAC van STMicroelectronics, maar het kan rechtstreeks worden gekoppeld aan een microcontrollereenheid en kan worden geactiveerd met een kleine hoeveelheid gelijkstroom zonder dat een optocoupler nodig is. Volgens het gegevensblad heeft de ACST ook geen snubber-schakeling nodig voor 2A inductieve belasting.

Het bovenstaande circuit is een illustratie van het toepassingscircuit van ACST. De lijn is de LIVE lijn van de 230VAC en de neutrale lijn is verbonden met de gemeenschappelijke pin van de ACST. De poortweerstand wordt gebruikt om de uitgangsstroom te regelen. Deze weerstand kan echter ook worden gebruikt in de neutrale lijn met de aarde of kan worden geëlimineerd, afhankelijk van de MCU-stroomuitgang.

De bovenstaande afbeelding illustreert de pin-out van de ACST. Een interessant ding is dat er een verschil is tussen de pinout met de standaard TRIAC en een ACS TRIAC. Ter vergelijking wordt hieronder een standaard TRIAC-pinout weergegeven, het is een BT136 TRIAC-pinout.

Zoals we kunnen zien, heeft de ACST in plaats van T1 en T2 (Terminal 1 en Terminal 2) Out- en Common-pinnen. De gemeenschappelijke pin moet worden verbonden met de aardingspin van de microcontroller. Het werkt dus niet zo bidirectioneel als de TRIAC. De belasting moet in serie worden geschakeld met de ACST.

Halfgeleiderrelais met TRIAC - PCB-ontwerp

De printplaat is ontworpen in een afmeting van 24 mm / 15 mm. Het geschikte koellichaam wordt over de ACST geleverd met behulp van de koperlaag. De bijgewerkte Gerber voor deze PCB is echter te vinden in de onderstaande link. De Gerber is na het testen geüpdatet omdat er enkele ontwerpfouten waren.

Tijdens de test wordt dezelfde maat PCB met het andere circuit gebruikt waar een voorziening van MOC3021 wordt gegeven, maar deze wordt later verwijderd in de bijgewerkte Gerber.

Het complete PCB-ontwerp inclusief het Gerber-bestand en het schema kan worden gedownload via de onderstaande link.

Download Gerber-bestand en PCB-ontwerp voor Solid State Relay

PCB bestellen bij PCBWay

Na het afronden van het ontwerp kunt u doorgaan met het bestellen van de print:

Stap 1: Ga naar https://www.pcbway.com/, meld u aan als dit de eerste keer is. Voer vervolgens op het tabblad PCB-prototype de afmetingen van uw PCB, het aantal lagen en het aantal PCB's dat u nodig heeft in.

Stap 2: Ga verder door op de knop 'Nu citeren' te klikken. U wordt naar een pagina geleid waar u een paar aanvullende parameters kunt instellen, zoals het bordtype, de lagen, het materiaal voor de printplaat, de dikte en meer, de meeste zijn standaard geselecteerd.Als u voor specifieke parameters kiest, kunt u selecteren het hier.

Stap 3: De laatste stap is om het Gerber-bestand te uploaden en door te gaan met de betaling. Om ervoor te zorgen dat het proces soepel verloopt, controleert PCBWAY of uw Gerber-bestand geldig is voordat u verdergaat met de betaling. Zo weet u zeker dat uw printplaat fabricagevriendelijk is en u als toegewijd zult bereiken.

Montage van het solid-state relais

Na een paar dagen kregen we onze PCB in een nette verpakking en de kwaliteit van de PCB was zoals altijd goed. De bovenste laag en de onderste laag van het bord worden hieronder weergegeven.

Aangezien dit de eerste keer was dat ik met ACST werkte, verliep het niet zoals ik eerder had verteld. Ik moest een aantal wijzigingen aanbrengen. Het laatste circuit na het aanbrengen van alle wijzigingen wordt hieronder weergegeven. U hoeft zich geen zorgen te maken over de wijzigingen, omdat ze al zijn aangebracht en bijgewerkt in het Gerber-bestand dat u uit de bovenstaande sectie hebt gedownload.

ESP8266 programmeren om ons solid-state relais te besturen

De code is simpel. Er zijn twee GPIO-pinnen beschikbaar in ESP8266-01. GPIO 0 is geselecteerd als een knoppin en GPIO 2 is geselecteerd als de relaispin. Wanneer de knoppin wordt gelezen en de knop wordt ingedrukt, verandert het relais de status AAN of UIT of vice versa. Voor een probleemloze werking wordt echter ook een vertragingsvertraging gebruikt. In het gelinkte artikel leest u meer over het debouncen van schakelaars. Omdat de code heel eenvoudig is, zullen we deze hier niet bespreken. De volledige code vindt u onderaan deze pagina.

Ons solid-state relais testen

Het circuit is verbonden met de ESP8266-01 met een 3.3V stroombron. Ook wordt een lamp van 100 watt gebruikt voor testdoeleinden. Zoals je in de bovenstaande afbeelding kunt zien, heb ik onze ESP-module gevoed met een breadboard-voedingsmodule en twee knoppen gebruikt om onze belasting aan en uit te zetten.

Wanneer de knop wordt ingedrukt, gaat het licht AAN. Later na het testen heb ik zowel het solid-state relais als de ESP826-module op een enkele kaart gesoldeerd om een compacte oplossing te bereiken, zoals hieronder wordt weergegeven. Voor demonstratiedoeleinden hebben we nu een drukknop gebruikt om de belasting in te schakelen, maar in de daadwerkelijke toepassing zullen we deze op afstand inschakelen door ons programma dienovereenkomstig te schrijven.

De volledige uitleg en werkvideo is te zien in de onderstaande link. Ik hoop dat je genoten hebt van het project en iets nuttigs hebt geleerd. Als je vragen hebt, laat ze dan achter in de commentaarsectie hieronder of gebruik onze forums om hierover een discussie te starten.