コンパクトで低電力のソリッドを構築する

リレーは、AC負荷の制御（オンまたはオフ）が必要な多くのスイッチング回路で一般的です。しかし、電気機械的特性により、機械式リレーには自己寿命があり、負荷の状態を切り替えることしかできず、調光や速度制御などの他の切り替え操作を実行することはできません。これとは別に、電気機械式リレーは、巨大な誘導負荷がオンまたはオフになると、クリック音と高電圧スパークも生成します。リレーの動作に関する記事をチェックして、リレー、その構造、およびタイプについて詳しく知ることができます。

電気機械式リレーの最良の代替品は、ソリッドステートリレーです。ソリッドステートリレーは、電気負荷を制御するための電気機械式リレーの代わりに使用できる半導体ベースのリレーの一種です。コイルがないため、動作するのに磁場は必要ありません。また、スプリングや機械的接点がないため、摩耗や破損がなく、低電流で動作できます。SSRとしてよく認識されるこれらのソリッドステートリレーは、負荷のON-OFF機能を制御する半導体を使用するだけでなく、モーターの速度や調光器の制御にも使用できます。また、以前のプロジェクトでは、TRIACなどのソリッドステートデバイスを使用して、モーター速度を制御し、AC負荷の光強度を制御しました。

このプロジェクトでは、単一のコンポーネントを使用してソリッドステートリレーを作成し、230VAC動作でAC負荷を制御します。ここで使用される仕様は限られており、このソリッドステートリレーを使用して動作する2Aの負荷を選択しました。目的は、NodemcuまたはESP8266の3.3V GPIOピンと直接インターフェースして制御できる、ソリッドステートリレー用のコンパクトなPCBを構築することです。これを実現するために、PCBWayからPCBボードを製造しました。このプロジェクトでは、同じものを組み立ててテストします。それでは始めましょう!!!

ソリッドステートリレーの構築に必要なコンポーネント

PCB
ACST210-8BTR
330R抵抗器¼ワット
端子台（300V 5A）
0805任意の色のLED
150R抵抗

トライアックを使用したソリッドステートリレー–回路図

主要コンポーネントは、ACSTriacまたは略してACSTです。ACSTの部品番号はACST210-8BTRです。ただし、抵抗R1は、マイクロコントローラまたは2次回路（制御回路）GNDをACニュートラルに接続するために使用されます。抵抗の値は、390R〜470Rの間の任意の値にすることも、それよりもわずかに使用することもできます。

回路の動作の詳細については、以下のセクションで説明します。前述のように、主要コンポーネントはT1、ACST210-8BTRです。ACSTはトライアックの一種であり、交流のトライオードとも呼ばれます。

ACS TRIAC（ASCT）はどのように機能しますか？

ACSTがどのように機能するかを理解する前に、TRIACがどのように機能するかを理解することが重要です。トライアックは、ゲートを使用してトリガーされると、どちらの方向にも電流を流す3端子の電子部品です。したがって、これは双方向三極真空管サイリスタと呼ばれます。トライアックには3つの端子があり、「A1」はアノード1、「A2」はアノード2、「G」はゲートです。アノード1とアノード2、またはメインターミナル1（MT1）とメインターミナル2（MT2）と呼ばれることもあります。ここで、トライアックのゲートには、MOC3021などのオプトサイリスタを使用して、AC電源から少量の電流を供給する必要があります。

ただし、ACSTは通常のトライアックとは少し異なります。ACSTはSTMicroelectronicsのトライアックの一種ですが、マイクロコントローラーユニットと直接接続でき、オプトカプラーを必要とせずに少量のDCを使用してトリガーできます。データシートによると、ACSTは2Aの誘導性負荷に対してもスナバ回路を必要としません。

上記の回路は、ACSTのアプリケーション回路を示しています。ラインは230VACのライブラインであり、ニュートラルラインはACSTの共通ピンに接続されています。ゲート抵抗は、出力電流を制御するために使用されます。ただし、この抵抗は、グラウンドとのニュートラルラインで使用することも、MCUの電流出力に応じて削除することもできます。

上の画像は、ACSTのピン配置を示しています。興味深いのは、標準のトライアックとACSトライアックのピン配置に違いがあることです。比較のために、標準のTRIACピン配置を以下に示します。これはBT136TRIACピン配置です。

ご覧のとおり、T1とT2（端子1と端子2）の代わりに、ACSTには出力ピンと共通ピンがあります。共通ピンはマイクロコントローラのグランドピンに接続する必要があります。したがって、トライアックほど双方向ではありません。負荷はACSTと直列に接続する必要があります。

トライアックを使用したソリッドステートリレー–PCB設計

PCBは24mm / 15mmサイズで設計されています。適切なヒートシンクは、銅層を使用してACST全体に提供されます。ただし、このPCB用に更新されたGerberは、以下のリンクで提供されています。いくつかの設計ミスがあったため、Gerberはテスト後に更新されます。

テスト中、MOC3021が提供されている場合は、回路が異なる同じサイズのPCBが使用されますが、後で更新されたGerberで削除されます。

ガーバーファイルと回路図を含む完全なPCB設計は、以下のリンクからダウンロードできます。

ソリッドステートリレーのガーバーファイルとPCBデザインをダウンロード

PCBWayからPCBを注文する

これで、設計が完成したら、PCBの注文に進むことができます。

ステップ1： https ： //www.pcbway.com/にアクセスし、初めての場合はサインアップします。次に、[PCBプロトタイプ]タブで、PCBの寸法、層の数、および必要なPCBの数を入力します。

ステップ2： [今すぐ見積もる]ボタンをクリックして続行します。ボードタイプ、レイヤー、PCBの材料、厚さなど、いくつかの追加パラメーターを設定するページが表示されます。これらのほとんどはデフォルトで選択されています。特定のパラメーターを選択する場合は、ここにあります。

ステップ3： 最後のステップは、ガーバーファイルをアップロードして支払いを続行することです。プロセスがスムーズであることを確認するために、PCBWAYは、支払いを続行する前に、ガーバーファイルが有効かどうかを確認します。このようにして、PCBが製造に適していて、コミットされたとおりに到達することを確認できます。

ソリッドステートリレーの組み立て

数日後、PCBはきちんとしたパッケージで届き、PCBの品質はいつものように良好でした。ボードの最上層と最下層を以下に示します。

ACSTを利用するのは初めてだったので、先ほど言ったように計画通りにはいきませんでした。私はいくつかの変更を加えなければなりませんでした。すべての変更を行った後の最終的な回路を以下に示します。上記のセクションからダウンロードしたガーバーファイルで既に作成および更新されているため、変更について心配する必要はありません。

ソリッドステートリレーを制御するためのESP8266のプログラミング

コードは単純です。ESP8266-01では2つのGPIOピンを使用できます。GPIO 0がボタンピンとして選択され、GPIO2がリレーピンとして選択されています。ボタンピンが読み取られたときにボタンが押されると、リレーは状態をオンまたはオフに、またはその逆に変更します。ただし、問題のない操作のために、デバウンス遅延も使用されます。リンクされた記事で、スイッチのデバウンスについて詳しく知ることができます。コードは非常に単純なので、ここでは説明しません。完全なコードは、このページの下部にあります。

ソリッドステートリレーのテスト

回路は3.3V電源でESP8266-01に接続されています。また、100ワットの電球がテスト目的で使用されます。上の画像でわかるように、私はブレッドボード電源モジュールでESPモジュールに電力を供給し、2つのボタンを使用して負荷のオンとオフを切り替えました。

ボタンを押すとライトが点灯します。その後、テスト後、ソリッドステートリレーとESP826モジュールの両方を1つのボードにはんだ付けして、以下に示すようなコンパクトなソリューションを実現しました。デモの目的で、プッシュボタンを使用してロードをオンにしましたが、実際のアプリケーションでは、それに応じてプログラムを作成することにより、リモートでオンにします。

完全な説明と作業ビデオは、以下のリンクで見ることができます。プロジェクトを楽しんで、何か役立つことを学んだことを願っています。質問がある場合は、下のコメントセクションに残すか、フォーラムを使用してこれに関するディスカッションを開始してください。