Для управления мощной нагрузкой через Андуино или любой другой микроконтроллер, в одной из статей я использовал реле модули, построенные на электромеханическом реле. При очень частом срабатывании механических контактов, они могут изнашиваться, тем самым влиять на работу того устройства, в котором применяется данное реле. Что бы избавится от этого недостатка, можно использовать твердотельное реле, в котором нет механических контактов. На практике подобные заводские реле стоят дорого, поэтому попробуем собрать самодельное твердотельные реле, на основе симистора, которым будем управлять мощной нагрузкой через Ардуино.

Помимо отсутствия механических контактов, твердотельное реле имеет ещё ряд преимуществ:
- Имеют меньшие габариты;
- Высокая скорость переключения;
- Бесшумность - поскольку нет движущихся механических контактов, реле не создаёт звукового шума;
- При переключении нет скачка напряжения и не возникают радиопомехи;
- Отсутствие искры между контактами позволяет использовать этот тип реле во взрыво- и пожаро- опасном окружении.

Заводское твердотельное реле стоит дороже электромеханического, что затрудняет использовать его в радиолюбительских конструкциях. Для примера, электромеханическое реле Songle SRD-05VDC-SL-C стоит порядка $0,7 и может коммутировать нагрузку до 10А. Твердотельное реле Omron G3MB-202P стоит порядка $2 и может коммутировать нагрузку до 2А.

Поскольку в основе твердотельных реле лежат полупроводниковые технологии, нагрузка в которых коммутируется с помощью симистора или полевого транзистора, ничего не мешает нам построить подобное самодельное реле. В приведённом ниже примере попробуем собрать твердотельные реле на основе симистора.

Симистор это такой полупроводниковый прибор, который позволяет управлять мощной нагрузкой в цепях переменного тока. Обычно используется при коммутации электродвигателей, ламп накаливания и нагревательных элементов.  Другое название этого прибора - триак или симмертичный триодный тиристор.  В своём примете в качестве мощной нагрузки я буду использовать лампочку на 220В.

Симистор подойдёт любой, рассчитанный на напряжении более 220В и необходимый ток коммутации нагрузки. В моём распоряжении оказались симисторы производства STM (STMicroelectronics): BTA12-600, который может коммутировать нагрузку с током до 12А и более мощный BTA41-600B (ток до 40А). Первая цифра в маркировке симисторов этого производителя обозначает ток, а вторая напряжение коммутации. Стоит так же обратить внимание что у некоторых симисторов центральный вывод и подложка радиатора будут соединены, а значит на подложке будет присутствовать высокое напряжение, которое так же будет и на радиаторе охлаждения. Такие симисторы имеют маркировку BTB. У симисторов с маркировкой BTA подложка изолирована от высокого напряжения.

Внешний вид BTA12-600 и BTA41-600B, а так же общее схематическое обозначение.

Управляемые выводы Т1 и Т2 (могут так же обозначаться как А1 и А2) могут проводить ток в оба направления. В закрытом состоянии между выводами отсутствует проводимость. Для возникновения проводимости необходимо на управляющий электрод G (gate) подать управляющий ток.

Что бы защитить микроконтроллер (в данном случае Ардуино) от высокого напряжения нагрузки, нужно организовать гальваническую развязку. Для этих целей применяются оптосимисторы, которые выдерживают напряжения до 7,5кВ, между микроконтроллером и нагрузкой. Подойдёт любой оптосимистор со схемой детектора нуля. Схема детектора нуля позволяет открывать и закрывать симистор, когда синусоида будет проходить через нуль.

Применение оптосимисторов со схемой детектора нуля удобно использовать если требуется только включать или отключать нагрузку. Подойдут следующие модели: MOC3031 — MOC3033, MOC3041 — MOC3043, MOC3061 - MOC3063 и MOC3081 — MOC3083. Если необходим фазовый регулятор, например для изменения оборотов электродвигателя или управлять яркостью лампы, лучше применять оптосимистор без схемы детектора нуля, такие как MOC3020 - MOC3023.

В своих примерах я использую MOC3041, его внешний вид и обозначение с выводами.

Схема твердотельного реле на симисторе это типичная схема подключения, взятая из даташита MOC3041.

Для ограничение тока, протекающего через светодиод оптосимистора, необходимо подобрать резистор R1, который рассчитывается по формуле: R1 = (Uпит - Uled)/IF

Uпит - напряжение, которое будет использоваться для питания светодиода. Поскольку я буду управлять схемой от 5-вольтовой Ардуино, на её выводе будет присутствовать логическая единица с напряжением 5 вольт. В моём случае Uпит = 5 вольт.
Uled - падение напряжения на светодиоде оптосимистора. Падение составляет 1,5 В
IF - рабочий ток светодиода (берётся из даташита, значение IFT), для MOC3041 — 15 мА
R1 = (5 — 1.5) / 0.015 = 233 Ом. Берём ближайший номинал, с округлением в большую сторону, выходит 240 Ом.

Для того что бы как то наблюдать за наличием логической единицы, можно добавить индикаторный светодиод. В таком случае нужно пересчитать R1, суммируя падение напряжения на обоих светодиодах: R1 = (5 — (1.5 + 2)) / 0.015 = 100 Ом.

Если у вас будет использоваться Ардуино или другой микроконтроллер с логическими уровняли 3,3 В, номинал R1 пересчитываете для своего случая.

Связка R4-C1 снижает скорость нарастания напряжения на симисторе. Конденсатор C1 на 0,01 мкФ должен быть плёночным на 400В. Резистор R4 на 1Вт. Мощность R2, R3 от 0,5Вт.

Твердотельное реле на симисторе собранное собственноручно. На плате предусмотрел вариант установки более мощного симистора BTA41-600B и радиатора. Вместо перемычки на плате будет установлен предохранитель.

Радиатор применил от старого спутникового ресивера.

Подключение твердотельного реле на симисторе к Ардуино.

Вывод, который через R1 подключается к первой ножке оптосимистора, подключаем к любому цифровому пину Андуино. В моём примере это будет 7 пин.

Вывод от 2-й ножки оптосимистора (у меня подключено через индикаторный светодиод) подключаем к пину GND Ардуино.

Для работы с данным модулем подойдут те же скетчи, что использовались в статье про электромеханическое реле.

Скетч мигалка

Подключение тактовой кнопки.

Тактовая кнопка подключается с подтягивающим резистором 10к. Один контакт кнопки подключается к пину 5V, второй к любому цифровому пину Arduino, у меня это 14 пин, который может быть как аналоговым (А0), так и цифровым.

Скетч с тактовой кнопкой, при нажатии на неё лампочка загорится, при отпускании - погаснет.

Тактовая кнопка в качестве выключателя.

Данный скетч позволяет при нажатии на кнопку, зажечь лампочку, при отпускании кнопки, лампочка будет продолжать гореть. Для того что бы её погасить, нужно ещё раз нажать на кнопку.

Результат выполнения скетча на видео.

В отличии от электромеханического реле, здесь не получится использовать в качестве нагрузки дешёвую китайскую лампочку, в выключенном состоянии она будет тускло светится.