|
Het in dit artikel beschreven optisch relais is een goede plaatsvervanger voor het kant-en-klare solid state relay. Het schakelt op de nuldoorgang van de netspanning en veroorzaakt dus geen storingen. Het te schakelen vermogen bedraagt 600 VA. |
Het principe van de schakeling
Wat is er mis met een triac?
Elektronische schakelaars die in staat zijn de netspanning in en uit te schakelen, zijn zo oud als Methusalem. Triac’s bestaan immers al tientallen jaren. Het nadeel van deze elementen is dat de stuurelektrode galvanisch is gekoppeld met de overige aansluitingen van het element, zodat de netspanning doordringt in de schakeling die het geheel stuurt. Een weinig elegante en zelfs levensgevaarlijke situatie!
De oplossing: de optische koppelaar
Gelukkig zijn er elektronische onderdelen die dit probleem oplossen, optische koppelaars. Deze zijn opgebouwd uit een LED en een fototransistor en zorgen voor een perfecte scheiding tussen het stuursignaal van de LED en de schakeling waarin de fototransistor is opgenomen. In principe zou de schakeling van het optisch relais opgebouwd kunnen zijn zoals voorgesteld in onderstaande figuur. Een triac is op de gebruikelijke manier verbonden met het net en de belasting. De stuurelektrode van de triac wordt gevoed uit een circuitje, verbonden met de fototransistor uit de optische koppelaar. De LED uit dit onderdeel wordt gestuurd uit een gelijkspanning, via een stroombegrenzende weerstand.
 |
| Het principe van de schakeling. (© 2017 Jos Verstraten) |
- Op de eerste plaats zal het duidelijk zijn dat de stuurstroom zo klein mogelijk moet zijn. Experimenten met bestaande exemplaren leren dat een stroom van 20 mA voldoende is voor het in geleiding brengen van de fototransistor.
- Een tweede punt is de spanning die u aan de stuuringang kunt aanbieden. Een standaard optisch relais kan aan iedere stuurspanning worden aangepast door het variëren van de voorschakelweerstand van de LED in de optische koppeling. Door een eenvoudig schakelingetje kunt u het relais echter zonder meer universeel toepasbaar maken.
- Omdat het gemak de mens dient, is het relais zo ontworpen dat de opgenomen stroom constant blijft voor stuurspanningen tussen 5 V en 20 V.
- Uiteraard moet het optisch relais in staat zijn verschillende belastingen te bevredigen. Dus niet alleen lampen van uiteenlopend vermogen, maar ook motoren en transformatoren. Het te schakelen vermogen moet groot genoeg zijn voor de in de huis-, tuin- en keukensfeer te verwachten belastingen. Het optisch relais heeft dan ook een schakelvermogen van maximaal 660 VA, wat meer dan voldoende is.
- Het zal duidelijk zijn dat we al te graag gebruik maken van de mogelijkheid de belasting alleen maar in te schakelen op de nuldoorgang van de netspanning. Dat kan door de schakelsnelheid van triac’s en biedt het voordeel dat de stroom door de belasting zonder inschakelpieken verloopt. Ook het uitschakelen van de belasting moet gedurende de nuldoorgang van de netspanning gebeuren, maar dat is geen probleem, want dat is eigen aan triac’s. Het voordeel van deze methode is, dat er geen dure ontstoorspoelen noodzakelijk zijn.
Onderstaande figuur geeft het principiële schema van de stuurkring. OP1 is de op-amp die het hart vormt van de noodzakelijke constante stroombron. Zoals reeds gezegd willen we de opgenomen stroom constant houden voor stuurspanningen tussen 5 V en 20 V. Dat gaat als volgt. De positieve ingang van de op-amp wordt door middel van weerstand R1 en diode D1 ingesteld op een vrij constante spanning van ongeveer 0,7 V. De stroom die door de LED van de opto-koppelaar vloeit wordt geregeld door de serietransistor T1. Weerstand R2 meet deze stroom door hem om te zetten in een spanning en voert deze spanning terug naar de negatieve ingang van de op-amp. De operationele versterker zal het spanningsverschil tussen zijn beide ingangen minimaal proberen te houden, zodat u over R2 steeds een spanning van 0,7 V meet. Deze weerstand wordt doorlopen door een constante stroom, ook de stroom door de LED blijft constant.
 |
| Het principe van de stuurschakeling. (© 2017 Jos Verstraten) |
De schakelsectie
Hoewel triac’s als voordeel hebben dat ze zowel de positieve als de negatieve helft van de netspanning kunnen schakelen, zijn ze toch niet zo volgzaam als thyristoren. De minimale waarde van de ontsteekstroom is afhankelijk van de polariteit van de stroom door de gate. Het is handig de nodige ontsteekstroom zo gering mogelijk te houden en vandaar dat een thyristor als schakelaar de voorkeur verdient. De omzetting van triac naar thyristor is getekend in onderstaande figuur. Tussen de thyristor en serieschakeling van net en belasting is een bruggelijkrichter geplaatst. Bij een positieve halve sinus loopt de stroom door de belasting, D1, thyristor en D4. Bij een negatieve halve periode gaat de stroom door D3, thyristor, D2 en belasting. De belasting wordt dus doorlopen door een wisselstroom, terwijl de thyristor slechts positieve stroompulsen te verwerken krijgt. Het stuursignaal op de stuurelektrode van de thyristor kan dan in alle gevallen positief ten opzichte van de kathode zijn, een overzichtelijk gegeven dat vrij eenvoudig te vertalen is in een bruikbare schakeling.
 |
| Het vervangen van een triac door een thyristor. (© 2017 Jos Verstraten) |
Diode D5 richt de netspanning enkelfasig gelijk. Weerstand R1, zenerdiode D6 en elco C1 reduceren de gelijkgerichte netspanning tot een gelijkspanning van ongeveer 20 V. Uit deze spanning wordt de ontsteekstroom voor de thyristor afgeleid, natuurlijk als schakelaar S1 is gesloten. Het zal duidelijk zijn dat deze schakelaar de fototransistor van de koppeling symboliseert. Als de schakeling is geactiveerd, zal er een constante stroom in de gate van de thyristor worden gestuurd. Ook kleine belastingen, die kleinere stromen dan de houdstroom tot gevolg hebben, komen zodoende aan hun trekken.
 |
| Het schema van de stuurschakeling van de thyristor. (© 2017 Jos Verstraten) |
Bij het vorige schema zal de thyristor worden ingeschakeld op het moment dat schakelaar S1 wordt gesloten. Het is dan zeer waarschijnlijk dat de netspanning alles behalve nul is, zodat er een grote inschakelstroompiek is te verwachten, met grote storingen op de netspanning als gevolg. Het schema van onderstaande figuur zorgt, door middel van één extra transistor en twee weerstandjes, voor het synchroon met de nuldoorgang van de netspanning inschakelen van de thyristor.
 |
| Het inschakelen van de thyristor synchroniseren met de nuldoorgang van de netspanning. (© 2017 Jos Verstraten) |
Het volledig schema van het optisch relais
Te klein om te lezen?
In onderstaande figuur is het volledig schema van dit optisch relais voorgesteld. Als u een en ander te klein weergegeven vindt op uw scherm kunt u op de tekening klikken. U ziet nu het schema in een hogere resolutie op uw scherm. Door te klikken op de pijltjestoets 'terug naar de vorige pagina' van uw browser komt u weer in dit verhaal terecht.
Het volledig schema
De constante stroombron wordt ingesteld op een stroom van 20 mA door de keuze van R2. Bij een waarde van 33 Ω valt er over dit onderdeel een spanning van 0,66 V, vergelijkbaar met de spanning over de siliciumdiode D1. De stuurtransistor T1 is een BC140 of 2N1613, dit vanwege het vermogen van 360 mW dat in het ongunstigste geval als warmte moet worden afgevoerd. Naar de functie van optische koppelaar solliciteert een groot aantal kandidaten. De gestelde eisen zijn echter zeer laag, zodoende kan deze vacature vlot worden vervuld met iedere opto-coupler in DIL-6 behuizing. De voeding voor het sturen van de thyristor wordt opgewekt door vier parallel geschakelde weerstanden van 39 kΩ. Over deze combinatie valt een vermogen van ongeveer 1 W te verdelen, zodat vier een half watt typen wel lekker warm worden, maar niet gebruind hun verder bestaan ingaan.
 |
| Het volledig schema van het optisch relais. (© 2017 Jos Verstraten) |
De bouw van het optisch relais
Levensbelangrijke opmerking
Allereerst maar een zeer belangrijke opmerking. Deze schakeling is rechtstreeks verbonden met de 230 V netspanning. Dat betekent dat een heleboel punten van de print via een kleine weerstand met de fase van het net zijn verbonden. Aanraken van de print kan dus dodelijk zijn! Als u met een werkende schakeling wilt experimenteren, gebruik dan altijd een 1/1 scheidingstrafo, zodat de schakeling niet met de fase van het net is verbonden.
De print en de componentenopstelling
Voor deze schakeling is een printje ontworpen van 8,0 cm bij 6,0 cm. De thyristor moet u op een klein koelplaatje schroeven, bijvoorbeeld een 2 cm lang stuk van een standaard SK13-profiel. Denk er wel aan dat dit stukje aluminium de netspanning voert! De diverse in- en uitgangen kunt u door middel van soldeerlipjes met de buitenwereld verbinden, maar veel fraaier is het gebruik van de bekende printkroonsteentjes. Onderstaande foto geeft een impressie van het volledig gemonteerde prototype van deze schakeling.
 |
| Het printje van het optisch relais. (© 2017 Jos Verstraten) |
 |
| De componentenopstelling van de print. (© 2017 Jos Verstraten) |
 |
| Het prototype van de schakeling. (© 2017 Jos Verstraten) |
Tot slot
Het optisch relais is getest met verschillende ohmse en inductieve belastingen en bleek in alle gevallen probleemloos te werken. Meestal wordt over een thyristor een serieschakeling van een kleine weerstand en een condensator aangebracht voor het beveiligen van het onderdeel tegen te hoge spanningspieken. Deze bleken bij deze schakeling niet te ontstaan en daar bovendien het aanbrengen van zo’n netwerk het handhaven van de nuldoorgangsschakeling onmogelijk maakt, is hiervan afgezien.
Meten en regelen via Android
