SSR (Твердотельное реле) — Бесшумная мощность

Твердотельное реле (SSR — Solid State Relay) — это полупроводниковый аналог электромеханического реле. Внутри нет движущихся частей: вместо катушки и контактов — светодиод, фототранзистор и силовой ключ (симистор или MOSFET). Результат: бесшумность, долговечность, высокая скорость.

Типы SSR

SSR для переменного тока (AC-SSR)

Внутри — симистор (TRIAC) или два встречно-параллельных тиристора.

Вход (3-32V DC)        Выход (24-480V AC)
      │                      │
   [LED]──[Фото]──[Драйвер]──[TRIAC]──> Нагрузка AC
      │   триак              │
     GND                    Neutral

Особенность: Переключение происходит в момент перехода напряжения через ноль (Zero-Cross). Это уменьшает помехи и броски тока.

SSR для постоянного тока (DC-SSR)

Внутри — MOSFET (один или несколько параллельно).

Вход (3-32V DC)        Выход (5-60V DC)
      │                      │
   [LED]──[Фото]──[Драйвер]──[MOSFET]──> Нагрузка DC
      │                      │
     GND                    GND

Особенность: Переключение мгновенное, подходит для ШИМ.

Характеристики популярных SSR

Модель	Тип	Напряжение входа	Нагрузка	Ток	Применение
SSR-25DA	AC	3-32V DC	24-380V AC	25A	Нагреватели
SSR-40DA	AC	3-32V DC	24-480V AC	40A	Промышленность
SSR-10DD	DC	3-32V DC	5-60V DC	10A	Светодиоды
G3MB-202P	AC	5V DC	100-240V AC	2A	Малые нагрузки
Fotek SSR-40DA	AC	3-32V DC	24-380V AC	40A	Популярный

Схема подключения AC-SSR

Управление нагревателем 220V

Arduino                    SSR-25DA                   Нагреватель
                                                      
   5V ─────────────────── + (вход)                        220V
  GND ─────────────────── - (вход)                         │
   D9 ──[1kΩ]───┬──────── + (вход)                         │
                │                                          │
               GND                                         │
                                                           │
                          LOAD ─────── Фаза (L) ───────────┤
                          LOAD ─────────────────────────── Нагреватель
                                                           │
                                      Нейтраль (N) ────────┘

Внимание: SSR требует радиатор при токах выше 5A! Без него температура корпуса может достигать 100°C.

Схема с Arduino и термодатчиком

#include <OneWire.h>
#include <DallasTemperature.h>

#define SSR_PIN 9
#define TEMP_PIN 2
#define TARGET_TEMP 60.0  // Целевая температура

OneWire oneWire(TEMP_PIN);
DallasTemperature sensors(&oneWire);

void setup() {
  pinMode(SSR_PIN, OUTPUT);
  digitalWrite(SSR_PIN, LOW);
  sensors.begin();
  Serial.begin(115200);
}

void loop() {
  sensors.requestTemperatures();
  float temp = sensors.getTempCByIndex(0);
  
  Serial.print("Температура: ");
  Serial.print(temp);
  Serial.print("°C  ");
  
  if (temp < TARGET_TEMP - 1.0) {
    digitalWrite(SSR_PIN, HIGH);  // Включить нагрев
    Serial.println("Нагрев ВКЛ");
  } else if (temp > TARGET_TEMP + 1.0) {
    digitalWrite(SSR_PIN, LOW);   // Выключить нагрев
    Serial.println("Нагрев ВЫКЛ");
  }
  
  delay(1000);
}

Схема подключения DC-SSR

Управление светодиодной лентой 12V

Arduino                    SSR-10DD                   LED-лента 12V
                                                      
   5V ─────────────────── + (вход)                    +12V ────┐
  GND ─────────────────── - (вход)                             │
   D9 (PWM) ──────────────  + (вход)                   [Лента] │
                                                               │
                          +LOAD ─────── +12V ──────────────────┘
                          -LOAD ─────── GND ленты

Преимущество DC-SSR: Можно использовать ШИМ для плавного управления яркостью (в отличие от AC-SSR с Zero-Cross).

Тепловой расчёт

Падение напряжения и потери

В открытом состоянии SSR имеет фиксированное падение напряжения:

AC-SSR (симистор): ~1.2-1.6V
DC-SSR (MOSFET): ~0.2-0.5V

Мощность потерь:

$$ P_{loss} = V_{drop} \times I_{load} $$

Пример для SSR-25DA при токе 20A:

$$ P_{loss} = 1.4V \times 20A = 28 \text{ Вт} $$

28 Вт — это серьёзный нагрев! Без радиатора SSR сгорит.

Выбор радиатора

Тепловое сопротивление:

$$ R_{\theta} = \frac{T_{max} - T_{ambient}}{P_{loss}} $$

Для SSR с $T_{max} = 80°C$, $T_{ambient} = 25°C$, $P_{loss} = 28W$:

$$ R_{\theta} = \frac{80 - 25}{28} = 1.96 \text{ °C/Вт} $$

Нужен радиатор с тепловым сопротивлением <2 °C/Вт (довольно большой!).

Таблица радиаторов

Ток нагрузки	Потери (AC-SSR)	Радиатор	Размер примерно
5A	7 Вт	Маленький	50×50×20 мм
10A	14 Вт	Средний	80×80×30 мм
20A	28 Вт	Большой	100×100×40 мм
40A	56 Вт	Огромный + вентилятор	150×150×50 мм

ШИМ-управление через AC-SSR

AC-SSR с Zero-Cross (переключение при нуле) не поддерживает обычный ШИМ! Вместо этого используется Phase Angle Control или Burst-Fire Control.

Burst-Fire (пакетное управление)

Включаем SSR на N полупериодов из M:

// Burst-fire для AC-SSR (50 Гц = 100 полупериодов/сек)
#define SSR_PIN 9

int powerLevel = 50;  // 0-100%

void setup() {
  pinMode(SSR_PIN, OUTPUT);
}

void loop() {
  static int counter = 0;
  
  // Каждые 10 мс (полупериод 50 Гц)
  if (counter < powerLevel) {
    digitalWrite(SSR_PIN, HIGH);
  } else {
    digitalWrite(SSR_PIN, LOW);
  }
  
  counter++;
  if (counter >= 100) counter = 0;
  
  delay(10);  // ~100 Гц цикл
}

Недостаток: При низкой мощности возможно мерцание света.

Типичные проблемы

SSR не выключает нагрузку полностью

Ток утечки — симисторы имеют ток утечки 1-10 мА
Для маломощных нагрузок (<50 Вт) утечка может быть заметна
Решение: Добавить параллельно нагрузке резистор-“bleeder” 10-100 кОм

SSR сильно греется

Радиатор слишком маленький или отсутствует
Нет термопасты между SSR и радиатором
Ток превышает номинальный

SSR включается само по себе

Помехи на входе — добавьте конденсатор 100 нФ параллельно входу
Слишком длинные провода до GPIO — используйте экранированный кабель
Неисправность SSR — проверьте мультиметром

“Щёлканье” при Zero-Cross

Это нормально для AC-SSR — физического контакта нет, но электрический процесс слышен
Для полной тишины используйте DC-SSR с ШИМ + выпрямитель

Сравнение с электромеханическим реле

Параметр	Электромеханическое	SSR
Шум	Щелчки	🔇 Бесшумно
Скорость	5-15 мс	<1 мс
Износ	10⁵-10⁷ циклов	>10⁸ циклов
Ток утечки	0	мА
Падение напряжения	<0.1V	1-2V
Нагрев	Катушка (~0.5 Вт)	До 50+ Вт
Радиатор	Не нужен	Нужен при >5A
Цена (25A)	$2-5	$5-15

Применение

🌡️ Термостаты — управление нагревателями, ТЭНами
💡 Диммеры — плавное управление лампами накаливания
🏭 Промышленность — станки, печи, конвейеры
🔬 Лаборатории — прецизионный контроль температуры
🏠 Умный дом — бесшумное управление освещением