Eenvoudige solid state relay

Deze schakeling heeft geen nuldoorgang detectie en heeft daardoor twee negatieve eigenschappen:
1: vervorming van de aangelegde wisselspanning.
2: conductieve emissie van storingen (storingen die zich voortplanten in geleiders).
3: elektromagnetische emmisie van storingen (storing die zich voortplanten als  radiogolven)

Oorzaak van het ontstaan van storingen
Beschouwen we een resistieve belasting zoals een gloeilamp of een verwarmingsweerstand.
Wanneer de TRIAC in geleiding komt terwijl de aangelegde wisselspanning de topwaarde heeft bereikt dan ontstaat er onmiddellijk een stroom die minstens gelijk is aan de stroom die bij deze topwaarde bereikt wordt. De vorm van die stroom lijkt hierbij op de voorste flank van een blokgolf. De frequentie van deze flank is zeer hoog en veroorzaakt door onder meer de impedantie van de toevoerleidingen vervorming van de aangelegde wisselspanning.

Beschouwen we een inductieve belasting zoals een spoel, transformator of een inductiemotor of een capacitieve belasting.
De effecten worden nu te complex om zonder meer te beschrijven. Er kan bijvoorbeeld resonantie optreden op hogere frequenties dan de netspanning. Deze geinduceerde spanningen kunnen gemakkelijk gesuperponeerd worden op de 50Hz voedingsspanning. Hieruit ontstaan allerhande mengproducten die voor hoge spanningen op hogere frequenties kunnen zorgen.

Het geheel van storingen wordt uitgedrukt als de EMI.EMI = elektromagnetische interferentie (ElectroMagnetic Interference).
De CE normen waaraan op het net aangesloten apparaten moeten voldoen worden onder andere beschreven in EN61000-6-x.
Door toepassing van deze normen wordt een EMC niveau bereikt waarbij andere toestellen geen hinder ondervinden.
EMC = elektromagnetische compatibiliteit.

De voorgestelde schakeling is bedoeld voor educatieve doeleinden om de principiele werking van een solid state relay te kunnen onderzoeken.
De schakeling zal minsten van een netfilter moeten worden voorzien om een aanvaardbaar EMC niveau te bereiken.

Op internet zijn veel schakelingen te vinden die niet aan de CE regelgeving voldoen!
voorbeeld schakelingen
TRIAC SCHAKELINGEN

Menu
OPTO1 HCPL-817 (datasheet)
De CTR (current transfer ratio) is maximum tussen 10mA en 25mA en daalt met de temperatuur tot 60% van de maximum waarde bij 110C.
Tussen 10mA en 25mA is UF tussen 1 en 1.3V en daalt UF met de temperatuur tot 90% van de oorspronkelijke waarde bij 100C.

De IF max is 50mA (25C)
Wanneer de optocoupler aangestuurd wordt zal R1 de stroom tot een geschikte waarde beperken.
De optocoupler transistor vormt samen met T1 een darlington paar waardoor de hFE ongeveer gelijk is aan het product van de hFE's van elke afzonderlijke transistor.
De TRIAC gatestroom vloeit uit de emitter van T1 die hierdoor wordt tegengekoppeld. Wanneer door R3 stroom vloeit stijgt de spanning over R3, daalt het spanningsverschil over collector - emitter en daalt de basisstroom van  T1. De tegenkoppelspanning is ongeveer 2.5V.
TRIAC1 BT136
RMS on state current IT(RMS) = 4A.
Hierbij wordt rekening gehouden met een onstekingshoek van 30.
De TRIAC zal ongeveer 3.5W dissiperen.
Gebruik voor de berekening van een koelplaat Tj (junctietemperatuur) 125C en RJC (thermal resistance junctie to case) van 2K/W.
Uit de thermische gegevens RJA (thermal resistance junction to ambient) 63K/W blijkt dat koeling absoluut noodzakelijk is wanneer er 4A RMS stroom door de TRIAC vloeit.
Deze schakeling mag zonder snubber netwerk (zoals ze hier is voorgesteld) alleen resistieve belastingen schakelen.
Inductieve belastingen kunnen door snelle spanningsstijgingen zorgen voor het ongewenst en willekeurig ontsteken van de TRIAC.
In de datasheet wordt dit aangegeven door de maximum dv/dt.

De gatespanning U(G-A2) van de TRIAc wordt door R4 op het niveau van de TRIAC A2 pin gehouden.
Weerstand R4 wordt arbitrair gekozen. Elke waarde tussen 1K en 100K zal werken. Bij 100K zal de schakeling gevoeliger worden voor storingen.

De Triac komt nooit in geleiding en door de belasting (lamp) vloeit geen stroom.
De gate stuurspanning/stuurstroom komt uit C1 die via R2 en C2 wordt opgeladen gedurende de positieve alternantie van de netspanning. Z1 beperkt de gatespanning tot 10V . Op de topwaarde van de wisselspanning blijft de laadstroom van C1 beperkt tot ongeveer 17mA.

De zenerdiode dissipeert een vermogen van maximum 10V * 0.017mA = 200mW. Een standaard 0.5W zener diode is dus op zijn plaats.
Analyse van de schakeling
De gatestroom veroorzaakt een maximum vermogen dissipatie van ongeveer 1.5W in R2. De gemiddelde vermogenopname is minder dan de helft vanwege D2 die ervoor zorgt dat alleen gedurende de positieve alternantie stroom door R2 vloeit. Verder wordt R2 gevoed met wisselspanning en moet niet de maximum waarde maar Ueff van de wisselspanning gebruikt worden voor de berekening.
Het is voor een goed ontwerp nodig om reserve te hebben. Om in R2 2Watt te dissiperen stijgt de temperatuur van de weerstand 70K boven de omgevingstemperatuur. Hij zal dus bij 2Watt en een omgevingstemperatuur van 25C je pertinax FR2 printmateriaal na enige tijd donker bruin kleuren!. Goed dat je reserve hebt en de temperatuur op ongeveer 50C zal uitkomen wat best aanvaardbaar is.
Let bij de keuze van R2 en C2 ook op de maximale spanning (doorslagspanning). Hiervoor gebruik je de maximum waarde van de spanning.