Рассказано, как уменьшить потери в твердотельном реле постоянного напряжения в 20 раз!
Реле предназначенные для коммутации нагрузки в цепях переменного напряжения (тока) не могут использоваться для коммутации нагрузки в цепях постоянного напряжения (тока) потому что будут сильно искрить и контакты просто будут выгорать или свариваться. Если внимательно посмотреть на параметры большинства реле то можно увидеть, что переменные напряжения могут коммутироваться например до 250 Вольт, в то время как в цепях постоянного напряжения это же реле может применяться всего до 30 Вольт.
Реле для использования в высоковольтных цепях постоянного напряжения имеют специальную конструкцию для искрогашения и поэтому стоят дорого.
В последнее время для коммутации нагрузки в высоковольтных цепях постоянного напряжения применяют твердотельные реле на MOSFET или IGBT транзисторах. Но при больших токах падение напряжения на открытых транзисторах достигает вольт и более. При больших токах мощность рассеиваемая на этих транзисторах достигает 20 и более ватт. Это требует радиаторов иногда с вентилятором.
В данной статье предлагается использовать гибридное реле, сочетающее достоинства транзисторного твердотельного и электромеханического реле с контактами.
Алгоритм работы такого реле представлен ниже на графиках.
При поступлении сигнала управления на включение сразу открывается транзистор, затем через три секунды срабатывает реле и его контакты шунтируют выводы транзистора например Сток и Исток. Реле срабатывает в то время когда транзистор открыт и напряжение между выводами транзистора около 1 Вольта, то есть искры на контактах реле не будет.
Если сигнал управления подает команду на отключение сначала размыкаются контакты реле.Размыкание контактов реле происходит при низком напряжении, поскольку транзистор открыт и контакты реле коммутируют напряжение около1 Вольта. После того как контакты реле разомкнулись через 3 секунды закрывается транзистор и полностью отключает нагрузку.
Таким образом транзистор предотвращает искрение а кконтакты реле уменьшают падение напряжения на открытом транзисторе.
На практике измерено падение напряжения на открытом транзисторе 1200 мВ, а на замкнутых контактах реле 58 мВ. Реальный выиграш в 20 раз.
Таким образом мы уменьшаем мощность которая идет в тепло нагревая транзистор в 20 раз. Это позволит не ставить большой радиатор на транзистор, что повысит КПД системы и заметно уменьшит габариты.
Схема устройства выглядит следующим образом.
Сердцем схемы является системная плата STM8S103F3P6 на одноименном контроллере.
Программа реализует алгоритм показанный на графике и описанный выше. Команды управления могут подаваться от кнопки с фиксацией S1 или управляющим напряжением от 4,5 до 15 Вольт поступающим от блока управления или Wi-Fi реле.
На ввыводе 11 системной платы имеем сигнал управления реле K1, а на выводе 12 сигнал управления полевиком VT2. Первый вывод системной платы рядом с минусом, Далее как у микросхем против часовой стрелки.
Оптопары U1 и U2 нужны для гальванической развязки системной платы от выходного каскада с транзистором, работающим с высоким напряжением.
Понижаюий DC/DC преобразователь B1205S-1W формирует из напряжения 12В напряжение 5В для питания системной платы. Этот преобразователь так же имеет гальваническую развязку входа и выхода. Напряжение 3,3В получается на системной плате.
По материалам статьи собран макет и проверена работа на практике. Видео представлено ниже.