Circuito equivalente de un relé de estado sólido

Question

Quiero cambiar el voltaje de 50V AC. La corriente máxima drenada será de 5A. La frecuencia es de 50Hz. La velocidad de conmutación no es importante, puede ser muy lenta, no es un problema en mi aplicación.

Al principio quería usar un relé de estado sólido para este propósito. Pero tan pronto como comencé a buscar un SSR, vi que sus precios son demasiado altos. Como una solución alternativa más económica, quiero usar transistores MOSFET (puede ser otro tipo de transistor) en lugar de relé de estado sólido.

¿Puede sugerirme un circuito equivalente de MOSFET del relé de estado sólido con las especificaciones que di arriba?

Answer 1

Tres formas de hacer que un SSR siga:

Las dos primeras utilizan FETs y pueden encenderse y apagarse durante un ciclo de CA según sea necesario. Se debe entender la velocidad de conmutación. Las versiones de puerta flotante tienen una constante de tiempo RC que controla el apagado a menos que se tome un cuidado adicional para evitarlo.

El circuito TRIAC se enciende cuando se dispara y se apaga en el siguiente cruce por cero. Puede dispararse tan pronto como haya pasado el cruce por cero, pero nuevamente, no se puede apagar hasta el próximo cruce por cero. Por lo tanto, se pueden obtener ciclos completos o medios ciclos que se extienden desde un punto de disparo hasta el final de ese medio ciclo. Las cargas inductivas complican esto ligeramente pero están fuera de la discusión básica.

(1) Coloque un MOSFET dentro de un puente de 4 diodos como "carga". CA a entrada de puente de CA está "cortocircuitada" = encendida para CA cuando el FET está encendido. La puerta está flotante, por lo que necesita obtener voltaje en la puerta. No es difícil, pero necesita pensar. Diagrama áspero: mejor más adelante tal vez. El transistor mostrado aquí es bipolar pero el MOSFET hace el mismo trabajo. El MOSFET siempre ve DC. La carga ve el cambio de CA. Impulse la puerta con un opto. Derive energía por ejemplo, resistencia alimentada desde el drenaje a un capacitor de reserva para impulsar la puerta a través del opto.

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(2) Dos ejemplos de MOSFET N en serie: conecte fuente a fuente y puerta a puerta. Las entradas son 2 x drenajes. Impulse puerta +ve a fuente para encender. Puertas a fuente para apagar. Nuevamente, las puertas y fuentes están flotantes, por lo que necesita impulsarlas, pero no es difícil, solo necesita pensarlo.

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El diagrama de circuito a continuación muestra un ejemplo de una implementación práctica de este principio.
Tenga en cuenta que los FET son ambos tipo N y que las fuentes de ambos FET están conectadas y las puertas de ambos FET están conectadas. Este circuito funciona porque los MOSFET son dispositivos de dos cuadrantes, es decir, un FET de canal N se puede encender con una puerta positiva en relación a la fuente independientemente de si el voltaje de drenaje a fuente es +ve o -ve. Eso significa que el FET puede conducir "hacia atrás" si se conduce de manera normal. Se requieren dos FETs conectados en "anti serie" (polaridad relativa opuesta) debido a la "diodo de cuerpo" dentro de cada FET que conduce cuando el FET está polarizado de manera opuesta a lo habitual. Si solo se utilizara un FET, conduciría cuando el FET estuviera apagado cuando el drenaje fuera negativo en relación a la fuente.

Se logra el "aislamiento" y el cambio de nivel de la señal de encendido / apagado a las puertas flotantes mediante los 2 x 100 pF de capacidad cada uno

El circuito es de aquí y notas

• El circuito utiliza un paquete de inversores C-MOS económico y unos pocos capacitores pequeños para impulsar dos transistores de potencia MOS desde una fuente de 12v a 15v. Dado que los valores de los capacitores de acoplamiento utilizados para impulsar los FET son pequeños, la corriente de fuga desde la línea de alimentación al circuito de control es de 4μA. Solo se necesitan aproximadamente 1.5 mA de CC para encender y apagar 400 vatios de CA o CC a una carga

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(3) CIRCUITO TRIAC

Mencionaste específicamente MOSFETs. Un TRIAC también se usa comúnmente en SSR de CA. A continuación se muestra un circuito típico de TRIAC. L1 puede que no se utilice. C1 & R6 forman un "absorbente" y los valores dependen de las características de la carga.

Answer 2

Los relés de estado sólido son SCRs acoplados ópticamente en su forma más simple. Puedes duplicar eso tú mismo, pero se pone un poco complicado. Dado que los relés de estado sólido están optoaislados, el lado de salida puede flotar con respecto al lado de entrada, al igual que un relé real.

Si realmente necesitas aislamiento, entonces se complica hacer esto por ti mismo. Dices que la velocidad de conmutación es baja, ¿por qué no usar un relé mecánico normal?

Si no necesitas aislamiento, entonces hay varias posibilidades. Una es usar un triac y controlarlo directamente desde tu circuito. Para más detalles, necesitamos saber más sobre cómo se referencia (o no) este 50V CA a la fuente de alimentación disponible.

Answer 3

¡Tienes toda la razón, los SSR son costosos! La alternativa más simple es hacer el tuyo propio usando un opto-triac + triac de potencia:

Esto cuesta un 80% menos que el SSR equivalente.

El MOC3041 conmuta en el cruce por cero del voltaje, por lo que puede ser una ventaja. Si no necesitas eso, el MOC3051 es un opto-triac de conmutación aleatoria. Una desventaja de usar un triac puede ser que hay una pérdida de voltaje de unos cuantos voltios, y cuando el voltaje a conmutar es solo de 50V, la pérdida es mayor en comparación con, por ejemplo, 230V.
Un MOSFET como elemento de conmutación puede sonar como una mejor idea, pero si lo usas en el puente como en la solución de Russell, tendrás aproximadamente la misma pérdida de voltaje de todas formas, pero esta vez a través de los diodos.

La mejor solución respecto a la pérdida de voltaje es el buen viejo relé electromecánico. Dependiendo del tipo de carga, tendrás que limitar el relé, por lo que para conmutar 5A puede que necesites una versión de 16A. El precio del relé de 16A es comparable al del SSR DIY.

Answer 4

Puede que sugiera algunas revisiones de la versión ofrecida por @Russell McMahon que utiliza el CI 74C14 para controlar la función de encendido y apagado, si se acepta. Me gusta este diseño ya que hace uso de un rectificador en puente de una forma inusual y parecía bastante sólido hasta que lo puse a prueba. Usé el IRF640 y la resistencia de 220 kΩ entre Gate y Source. Lo que hizo que funcionara perfectamente para mí fue cambiar los condensadores de 100 pF por condensadores de 47 nF.

En ese punto, pude poner tan solo 1 kHz en los condensadores y hacer que los FETs se dispararan (aunque funciona mejor con 2+ kHz y hasta aproximadamente 22 MHz).

Así que si modifica este circuito como lo describo, aún deberá colocar los FETs en un disipador de calor, absolutamente.

Para ser claro, no estaba probando esto con el 74C14 sino más bien con mi Generador de Señales como entrada, para probar la funcionalidad de este modelo de componentes controladores de potencia en un banco de pruebas.

Me gustaría ofrecer una versión redibujada pero parece que no tengo el programa adecuado para hacerlo. Dicho esto, aquí está la copia de la que estoy haciendo referencia con el enlace al original.

EDICIÓN: Acabo de actualizar con esta versión modificada ya que funcionó en mi banco de pruebas.

_{(Fuente de la imagen: <a href="http://digitalgates.blogspot.com/2008/12/9samble-circuits.html" rel="nofollow noreferrer">Sistemas Digitales - RELEVADOR DE MOSFET DE POTENCIA BIDIRECCIONAL ACOPLADO CARGA</a>)}

Pensé en participar en esta publicación ya que he navegado por muchas de ellas a lo largo de los años y he obtenido un gran entendimiento y valor de ellas. Esto puede ser parte de otra respuesta (ahora probada) para la pregunta publicada y para aquellos que deseen algo que simplemente "funcione" como suelo hacer. Disfruten.

EDICIÓN final (creo): A continuación se muestra una versión que probé con una batería estándar de 9 voltios, pero debe usar alguna fuente de corriente continua o alterna que esté dentro de las especificaciones para el voltaje GS de sus MOSFETs y lo suficientemente alto como para activarlos después del puente Y, esto es realmente importante, ¡no utilice una fuente o fuente que tenga tierra de línea (línea de 120 voltios) y negativo de la salida unidos. ¡Romperá algo!

Editar 1 de enero de 2022: ¡Acabo de completar y probar la mejor versión hasta ahora y me encanta! Espero que esta sea la mejor respuesta para este hilo o al menos alguien pueda tener una gran solución si no tienen acceso a TRIACs de alta potencia y aunque lo hacen bastante simple, creo que esta es una forma muy sencilla de construir con MOSFETs de potencia en lugar de ellos. Por favor, hagan preguntas si lo desean. Esta versión es aislada y funciona a la perfección. Debería encenderse y apagarse muy rápidamente