Bygger et kompakt og lavt strømforbrug

Relæer er almindelige i mange koblingskredsløb, hvor det kræves at styre (tænde eller slukke) en AC-belastning. Men på grund af den elektromekaniske egenskab har et mekanisk relæ en selvliv, og det kan også kun skifte belastningens status og kan ikke udføre andre koblingsoperationer som dæmpning eller hastighedskontrol. Bortset fra dette producerer et elektromekanisk relæ også kliklyde og højspændingsgnist, når enorme induktive belastninger er slået TIL eller FRA. Du kan tjekke artiklen om Working of Relays for at vide mere om relæer, dets konstruktion og typer.

Det bedste alternativ til et elektromekanisk relæ er et solid-state-relæ. Et solid-state-relæ er en type halvlederbaseret relæ, der kan bruges som erstatning for et elektromekanisk relæ til styring af elektriske belastninger. Det har ingen spoler og har derfor ikke brug for et magnetfelt for at fungere. Det har heller ingen fjedre eller mekaniske kontakter, derfor slitage og kan fungere ved lav strøm. Disse solid-state-relæer, der ofte anerkendes som SSR, bruger halvledere, der styrer belastningens ON-OFF-funktion såvel som kan bruges til at kontrollere motorens hastighed såvel som dæmpning. Vi har også brugt en solid state-enhed som TRIAC til at kontrollere motorhastighed og til at kontrollere lysintensiteten af en AC-belastning i tidligere projekter.

I dette projekt laver vi et solid-state-relæ ved hjælp af en enkelt komponent, og vi styrer en AC-belastning i 230VAC-drift. Specifikationen brugt her er begrænset, vi har valgt 2A af belastning, der skal betjenes ved hjælp af dette Solid-State-relæ. Målet er at opbygge et kompakt printkort til et solid state-relæ, der kunne forbindes direkte og styres med 3.3V GPIO-stifterne på Nodemcu eller ESP8266. For at opnå det har vi fabrikeret vores PCB-kort fra PCBWay, og vi vil samle og teste det samme i dette projekt. Så lad os komme i gang !!!

Komponenter, der kræves for at opbygge et solid-state-relæ

Et printkort
ACST210-8BTR
330R modstand ¼ Watt
Terminalblok (300V 5A)
0805 LED med enhver farve
150R modstand

Solid State-relæ ved hjælp af TRIAC - kredsløbsdiagram

Hovedkomponenten er ACS Triac eller kort sagt ACST. Delnummeret til ACST er ACST210-8BTR. Modstanden R1 bruges imidlertid til at forbinde mikrocontrolleren eller det sekundære kredsløb (kontrolkredsløb) GND med AC Neutral. Modstandens værdi kan være alt mellem 390R-470R eller kan bruges mere end det også.

For mere information om kredsløbets funktion er det beskrevet i afsnittet nedenfor. Som tidligere nævnt er hovedkomponenten T1, ACST210-8BTR. ACST er en type TRIAC og kaldes også triode til vekselstrøm.

Hvordan fungerer en ACS TRIAC (ASCT)?

Før du forstår, hvordan en ACST fungerer, er det vigtigt at forstå, hvordan TRIAC fungerer. TRIAC er en tre-terminal elektronisk komponent, der leder strøm i begge retninger, når den udløses ved hjælp af porten. Således kaldes det en tovejs triode tyristor. TRIAC har tre terminaler, hvor "A1" er Anode 1, "A2" er Anode 2, og "G" er Gate. Nogle gange kaldes det også henholdsvis Anode 1 og Anode 2 eller Main Terminal 1 (MT1) og Main Terminal 2 (MT2). Nu skal porten til en TRIAC tilvejebringes en lille mængde strøm fra vekselstrømskilden ved hjælp af f.eks. Opto-tyristorer, såsom MOC3021.

Men ACST er lidt anderledes end normal TRIAC. ACST er en type TRIAC fra STMicroelectronics, men den kan forbindes direkte med en mikrocontroller enhed og kan udløses ved hjælp af en lille mængde DC uden behov for en optokobler. I henhold til databladet kræver ACST ikke noget snubber-kredsløb også til 2A induktiv belastning.

Ovenstående kredsløb er en illustration af applikationskredsløbet til ACST. Linjen er LIVE-linjen på 230VAC, og den neutrale linje er forbundet med ACST's fællesstift. Portmodstanden bruges til at styre udgangsstrømmen. Denne modstand kan dog også bruges i den neutrale linje med jorden eller kan elimineres afhængigt af MCU-strømudgangen.

Ovenstående billede illustrerer pinout af ACST. En interessant ting er, at der er forskel på pinout med standard TRIAC og ACS TRIAC. En standard TRIAC pinout er vist nedenfor til sammenligning, det er en BT136 TRIAC pinout.

Som vi kan se, har ACST i stedet for T1 og T2 (Terminal 1 og Terminal 2) Out og Common-pins. Den fælles stift skal forbindes med jordstiften på mikrocontrolleren. Således fungerer det ikke så tovejs som TRIAC. Belastningen skal forbindes i serie med ACST.

Solid State Relay ved hjælp af TRIAC - PCB Design

Printkortet er designet i 24 mm / 15 mm størrelse. Den passende kølelegeme tilvejebringes over ACST ved hjælp af kobberlaget. Imidlertid findes den opdaterede Gerber til dette printkort i nedenstående link. Gerber opdateres efter testen, fordi der var nogle designfejl.

Under testen bruges PCB af samme størrelse med det forskellige kredsløb, hvor en bestemmelse af MOC3021 er givet, men den senere fjernes i den opdaterede Gerber.

Det komplette printkortdesign inklusive Gerber-filen og skematisk kan downloades fra nedenstående link.

Download Gerber-fil og PCB-design til Solid State Relay

Bestilling af printkort fra PCBWay

Efter endt færdiggørelse af designet kan du fortsætte med at bestille printkortet:

Trin 1: Gå ind på https://www.pcbway.com/, tilmeld dig, hvis det er første gang. Indtast derefter dimensionerne på din PCB, antallet af lag og antallet af PCB, du har brug for, på fanen PCB Prototype.

Trin 2: Fortsæt ved at klikke på knappen 'Citér nu'. Du bliver ført til en side, hvor du kan indstille et par yderligere parametre som korttype, lag, materiale til printkort, tykkelse og mere, de fleste af dem er valgt som standard. Hvis du vælger specifikke parametre, kan du vælge det herinde.

Trin 3: Det sidste trin er at uploade Gerber-filen og fortsætte med betalingen. For at sikre, at processen er glat, verificerer PCBWAY, om din Gerber-fil er gyldig, inden du fortsætter med betalingen. På denne måde kan du være sikker på, at dit print er fabrikationsvenligt og når dig som engageret.

Montering af solid-state-relæet

Efter et par dage modtog vi vores PCB i en pæn pakke, og PCB-kvaliteten var som altid god. Det øverste lag og det nederste lag af tavlen er vist nedenfor.

Da dette var første gang for mig at arbejde med ACST, gik tingene ikke som planen som jeg fortalte tidligere. Jeg var nødt til at foretage nogle ændringer. Det sidste kredsløb efter alle ændringer er vist nedenfor. Du behøver ikke bekymre dig om ændringerne, fordi de allerede er foretaget og opdateret i Gerber-filen, som du downloadede fra ovenstående afsnit.

Programmering ESP8266 til styring af vores solid-state relæ

Koden er enkel. To GPIO-ben findes i ESP8266-01. GPIO 0 er valgt som en knapstift, og GPIO 2 er valgt som relæstift. Når der trykkes på knappen, trykkes på knappen, vil relæet ændre tilstanden TIL eller FRA eller omvendt. Til problemfri drift anvendes dog også en forsinkelse om afvisning. Du kan lære mere om afbrydelse af switch i den linkede artikel. Da koden er meget enkel, vil vi ikke diskutere den her. Den komplette kode findes nederst på denne side.

Test af vores solid-state relæ

Kredsløbet er forbundet med ESP8266-01 med en 3,3 V strømkilde. En 100-watt pære bruges også til testformål. Som du kan se i ovenstående billede, har jeg drevet vores ESP-modul med et strømforsyningsmodul til brødbræt og brugt to knapper til at tænde og slukke for vores belastning.

Når der trykkes på knappen, tændes lyset. Senere efter test lod jeg både solid-state-relæet og ESP826-modulet på et enkelt kort for at opnå en kompakt løsning som vist nedenfor. Nu til demonstrationsformål har vi brugt en trykknap til at tænde belastningen, men i selve applikationen vil vi tænde den eksternt ved at skrive vores program i overensstemmelse hermed.

Den fulde forklaring og arbejdsvideo kan ses i nedenstående link. Håber du nød projektet og lærte noget nyttigt. Hvis du har spørgsmål, skal du lade dem være i kommentarfeltet nedenfor eller bruge vores fora til at starte en diskussion om dette.