Что такое твердотельное реле и как правильно его использовать?

Содержание

Во всех электрических цепях необходимо включать и выключать оборудование и аппаратуру. Для этого мы используем коммутационные устройства, такие как простые выключатели, реле, контакторы и т.д. Сегодня мы рассмотрим одно из таких устройств – твердотельное реле, поговорим о том, что это такое, как его выбрать и подключить в схему управления нагрузкой.

Оглавление

Что такое твердотельное реле и как правильно его использовать?

Что это такое

Твердотельное реле – Твердотельное реле – это устройство на основе полупроводниковых элементов и силовых ключей, таких как симисторы, биполярные транзисторы или МОП-транзисторы. В англоязычных источниках твердотельные реле называют РСБ SSR расшифровывается как Solid State Relay, что является дословным переводом русского названия.

Как и электромагнитные реле и другие коммутационные устройства, они предназначены для управления слабым сигналом на нагрузку с более высоким напряжением или током.

Отличия от электромагнитных реле

Простое реле, как и все электромагнитные переключающие устройства, работает следующим образом – у него есть катушка, на которую подается напряжение от системы управления или кнопочной станции. Протекающий через катушку ток создает магнитное поле, которое притягивает якорь с группой контактов. Затем контакты замыкаются, и ток поступает в нагрузку.

Твердотельные реле не имеют управляющей катушки и подвижной контактной группы. Ниже вы можете увидеть, что находится внутри твердотельного реле. В твердотельных реле, как уже упоминалось выше, вместо силовых контактов используются твердотельные переключатели: транзисторы, симисторы, тиристоры и другие, в зависимости от применения (правая часть рисунка).

Развернутое твердотельное реле

В этом заключается основное отличие твердотельного реле от электромагнитного реле. В этом отношении твердотельные реле имеют гораздо больший срок службы, поскольку отсутствует механический износ контактной группы, также стоит отметить, что рабочая скорость твердотельных реле выше, чем электромагнитных.

Помимо отсутствия механического износа и искр или дуги при коммутации, а также звуков от ударов контактов при переключении. Кстати, при условии отсутствия искр или дуги во время коммутации, твердотельные реле могут использоваться во взрывоопасных зонах.

Сравнение

Преимущества твердотельных реле перед электромагнитными заключаются в следующем:

2. есть данные, что их среднее время наработки на отказ составляет около 10 миллиардов циклов переключения, что в 1000 и более раз больше, чем у электромагнитных реле.

3. если электромагнитные реле более или менее невосприимчивы к скачкам напряженияв то время как электронная схема твердотельное реле в большинстве случаев выходит из строяЭлектронные схемы твердотельных реле в большинстве случаев выходят из строя, если не использовать схемные решения для ограничения этих перенапряжений. Поэтому сравнение этих устройств по количеству операций переключения не всегда корректно.

4. Скорость переключения твердотельного реле составляет доли миллисекунды, в то время как электромагнитные реле имеют время срабатывания от 50 мс до 1 с. 5.

5. На 95% меньшее потребление энергии по сравнению с электромагнитными аналогами катушек.

Однако за этими преимуществами скрывается ряд недостатков:

Во время работы твердотельные реле нагреваются. Выделяемое тепло равно произведению падения напряжения на выключателе питания (около 2 В) и протекающего через него тока;

В случае перегрузки и короткого замыкания выключатель питания с большой вероятностью выйдет из строя, перегрузочная способность обычно составляет 10In в течение 10 мс – один период в сети 50 Гц (это может меняться в зависимости от используемых компонентов);

Маловероятно, что автоматический выключатель сработает раньше, чем реле выйдет из строя при коротком замыкании;

В случае перенапряжения срок службы твердотельного реле может закончиться немедленно.

Твердотельные реле имеют ток утечки (до 7-10 мА), поэтому если их использовать, например, для управления светодиодным освещением, они будут мигать так же, как и выключатель. Поэтому на фазном проводе будет напряжение, даже когда реле выключено!

В таблице ниже приведены общие свойства реле TSR (трехфазных) и SSR (однофазных) компании FOTEK (которые, кстати, являются одними из самых распространенных). В принципе, продукты других производителей будут обладать аналогичными или идентичными свойствами.

Сопротивление изоляции>50 МОм/500 В постоянного тока
Входная/выходная диэлектрическая прочностьВыдерживает 2,5 кВ переменного тока в течение 1 минуты
Ток срабатывания7,5 мА макс.
Возможность перегрузкиДо 10 номинальных токов в течение 10 мс
Метод переключенияПри пересечении нуля (модели переменного тока) или мгновенно через оптопару (модели постоянного тока)
Встроенная защитаСерия SSR-F имеет сменный предохранитель

Типы

Реле SSR можно разделить на категории в зависимости от типа тока (постоянный или переменный):

В зависимости от типа тока (постоянный или переменный);

По номинальному току (малой мощности, большой мощности);

По типу установки;

В зависимости от количества фаз;

В соответствии с типом управляющего сигнала (постоянный или переменный ток; аналоговый вход для управления переменным резистором; цепь 4-20 мА и т.д.).

По типу коммутации – коммутация при переходе напряжения через ноль (в цепях переменного тока), или коммутация по управляющему сигналу (например, для регулирования мощности).

Реле для монтажа на печатную плату

Реле для установки на радиатор

В зависимости от количества фаз различают однофазные и трехфазные реле. Однако существует гораздо больше типов управляющих сигналов. В зависимости от внутренней конструкции твердотельные реле могут управляться как постоянным, так и переменным напряжением.

Наиболее распространенными твердотельными реле являются те, которые управляются постоянным напряжением в диапазоне от 3 до 32 В. Управляемое напряжение должно находиться в этом диапазоне и не может быть равно какому-либо конкретному напряжению, что очень полезно для интеграции в системы с различными напряжениями.

Встречаются также твердотельные реле, использующие для управления аналоговый сигнал:

0-10 В ПОСТОЯННОГО ТОКА;

Переменный резистор 470-560 кОм.

С помощью реле этого типа можно регулировать мощность, подаваемую на подключенное устройство, по принципу фазового управления. Тот же принцип регулирования используется в диммерах домашнего освещения.

В следующей таблице приведены типы управляющих сигналов твердотельных реле IMPULS для управления фазами.

Обратите внимание на последние буквы обозначения (LA, VD, VA), они одинаковы у большинства производителей и указывают только на тип сигнала.

Типы управляющих сигналов твердотельных реле с фазовым управлением ИМПУЛЬС

Как упоминалось выше, в реле с фазовым управлением, в зависимости от величины управляющего сигнала, напряжение на выходе изменяется, как показано на схеме ниже.

График изменения напряжения на выходе реле

Зависимость напряжения на нагрузке от управляющего сигнала

Такое реле можно определить по значку рядом с входными клеммами, например, на рисунке ниже видно, что к входу подключен переменный резистор 470-560kΩ.

Твердотельное реле Fotek

Также доступны твердотельные реле с управляющим сигналом 220 В переменного тока, как показано ниже. Они подходят для использования в качестве замены контакторов малой мощности или электромагнитных реле.

Твердотельные реле с управляющим сигналом 220 В переменного тока

Маркировка и тип контроля

Символы в начале маркировки используются для определения “фазы” реле:

Что соответствует однополюсным и трехполюсным коммутационным аппаратам.

Интенсивность тока также кодируется, например, FOTEK дает ее как: Pxx (см. – Каталог автоматизации FOTEK)

Где “xx” – сила тока в амперах, например, P03 – 3 ампера, а P10 – 10 ампер.

Назначение твердотельного реле

Если в маркировке присутствует буква H, реле предназначено для коммутации перенапряжения.

В маркировке данные о типе контроля приводятся в последних символах, они могут отличаться у разных производителей, но часто имеют такую форму и значение (данные собраны у разных производителей):

VA – переменный резистор 470-560кОм/2Вт (контроль фазы);

LA – аналоговый сигнал 4-20 мА (управление фазой);

VD – аналоговый сигнал 0-10 В постоянного тока (контроль фазы);

ZD – контроль 10-30 В постоянного тока (контроль пересечения нуля);

ZD3 – управление 3-32 В постоянного тока (коммутация с пересечением нуля);

ZA2 – управление переменным током 70-280 В (коммутация с пересечением нуля);

DD3 – сигнал 3-32 В постоянного тока, управляющий цепью постоянного тока (переключение напряжения постоянного тока);

DA – управление сигналами постоянного тока, коммутация цепей переменного тока.

AA – управление сигналами переменного тока (220 В), коммутация цепей переменного тока.

Чтобы применить это на практике, предположим, вы столкнулись с продуктом, подобным тому, что показан ниже, и хотите узнать, что это такое.

Если вы внимательно изучите маркировку рядом с клеммами, вы уже знаете, что это реле для управления цепями переменного тока от 90 до 480 вольт, и что оно также управляет переменным напряжением от 80 до 250 вольт.

Если видна только маркировка, то: “РСБ” – однофазный; “-10” – Номинальный ток 10 ампер; “AA” – Управление переменным током, переключение переменного тока; “H” – для коммутации более высокого напряжения в цепи питания – до 480 В (если бы H не было, то до 380-400 В).

А для закрепления и лучшего понимания изучите приведенную ниже таблицу с обозначениями и характеристиками твердотельных реле.

Торговые марки и характеристики твердотельных реле

Проект

Внутренняя схема твердотельного реле зависит от типа тока, на который оно рассчитано (постоянный или переменный), и типа управляющего сигнала. Давайте рассмотрим некоторые из них.

Начнем с реле, которое управляется постоянным током и переключается при превышении нуля. Иногда их называют “твердотельными Z-реле”.

Конструкция твердотельного реле Z-типа

Здесь контакты 3-4 являются входом управляющего сигнала, который использует оптопару для гальванической развязки входных и выходных цепей.

Схема Zero Cross отслеживает фазу сетевого напряжения и, когда она пересекает ноль, включает или выключает схему. Также называемый переключателем нулевого напряжения, он уменьшает пусковой ток при включении (поскольку напряжение в этот момент равно нулю) и самоиндуцированные скачки ЭДС при выключении нагрузки.

Подходит для управления резистивными, емкостными и индуктивными нагрузками. Не подходит для управления большими индуктивными нагрузками (при cosP<0,5), такими как трансформаторы без нагрузки. Этот метод управления также не нарушает работу электросети во время переключения. Графики управляющих сигналов, напряжения сети и тока нагрузки при данном методе управления показаны ниже.

Сигналы управления

Схематически это реализуется следующим образом:

Схема подключения реле Siemens

Здесь сетевое напряжение подается на симистор и блок, контролирующий пересечение нуля. Компоненты Q1, R3, R4, R5, C4 блокируют открытие тиристора T2, который управляет симистором T1 при высоком напряжении. Тогда переключение возможно только тогда, когда напряжение сети близко к нулю. Входной цепью является оптопара U1, которая подает сигнал через Q2 на управляющий электрод драйвера симистора T2.

Моментальные реле устроены несколько иначе, чем реле с нулевым переходом. У них нет стадии ZCC.

При управлении переменным током схема отличается только входом выпрямителя (диодного моста).

Схема подключения реле

А для коммутации цепей постоянного тока симистор заменяется транзистором.

Конструкция реле постоянного и постоянного тока

Существуют также универсальные реле постоянного и переменного тока, в которых используется транзисторная сборка. В целом, существует множество схем выходных каскадов твердотельных реле, и ниже приведены примеры различных моделей от таких производителей, как International Rectifier.

Примеры схем моделей международных выпрямителей

Для реле контроля фаз ситуация иная. Это реле, как и диммер, может регулировать мощность нагрузки (выходное напряжение), подавая аналоговый сигнал – напряжение, ток или подключая к его входу переменный резистор. В качестве силового элемента используется тиристор. Однако следует помнить, что такой способ регулирования вызывает помехи в сети, которые подавляются линейными фильтрами с синфазными дросселями, но это уже другая тема.

Реле контроля фаз

Разницу между переключением нулевой фазы и переключением фазы можно увидеть на следующем рисунке.

Различия между переходом через ноль и переключением фазы

Схемы подключения и детали применения

Фактически, электрические схемы твердотельных реле практически неотличимы от обычных реле. Как правильно его подключить? Давайте узнаем.

Схема подключения твердотельного реле

Если вам необходимо заменить стандартное реле питания 220 В переменного тока, используйте приведенную ниже схему на примере LDG LDSSR-10AA-H. На схеме показан пример подключения через простой выключатель или тумблер. Вместо этого сигнал переключения может подаваться термостатом, регулятором или другими устройствами.

Если необходимо управлять цепью 220 В с помощью низковольтного сигнала, можно использовать FOTEK HPR-80AA (см. каталог электронных реле напряжения FOTEK).

Схема подключения реле FOTEK HPR-80AA

Эта схема использует источник питания 12 В постоянного тока в качестве источника постоянного тока низкого напряжения, который обычно используется для питания светодиодных лент. Кстати, таким твердотельным реле можно даже управлять, подавая на его вход напряжение от зарядного устройства мобильного телефона, так как его выход составляет 5 В, что выше минимального сигнала 3 В.

Следует также помнить, что управляющее напряжение должно быть полностью отключено, поскольку каждое реле имеет определенные параметры, при которых оно работает, например, упомянутое выше напряжение срабатывания составляет около 1 В, но оно может работать не при номинальных 3 В, а уже при 2,5 В (эти данные являются, например, усредненными и могут меняться не только в зависимости от конкретного изделия, но и от условий окружающей среды и монтажа).

Обратите внимание, что существуют также реле контроля фаз. Схемы подключения таких реле приведены ниже (иллюстрации из их инструкций).

Схемы подключения реле

Вопрос в том, для чего и где используются эти реле? Поиск ответа на этот вопрос не занял много времени: я набрал начало запроса, и сразу же появились варианты использования в качестве выключателя питания для управления нагревательными элементами от термостатов с выходами 4-20 мА или 0-10 В.

Регулятор температуры с выходом

Кстати, существуют и отечественные разработки для промышленного применения, например, ОВЕН ТРМ132 и другие модели, которые могут работать с выходными сигналами 4-20 мА и 0-10 В.

Однако использование твердотельного реле для управления тяжелыми нагрузками невозможно без охлаждения. Это достигается пассивным (простой теплоотвод) или активным охлаждением (теплоотвод+кулер).

Твердотельное реле охлаждения

Рекомендации по выбору охладителей даются в технической документации конкретного твердотельного реле, поэтому универсальный совет дать невозможно.

Приложение

Твердотельные реле могут быть использованы в качестве замены электромеханических реле во многих приложениях. Наиболее распространенные варианты в домашних условиях – это замена контактора в электрическом котле, из-за его громкого хлопающего звука при включении, чтобы нагревательные элементы включались бесшумно.

Принципиальная схема однофазного регулятора мощности на основе однофазного реле мощности

Также возможно использование различных эффективных регуляторов мощности для одних и тех же нагревательных элементов и т.д., для чего используется твердотельное реле с аналоговым сигнальным входом переменного сопротивления (тип VA).

Радиолюбители могут построить простейшее твердотельное реле на основе оптодрайвера для симисторов с ZCC типа MOC3041 и подобных.

Схема более простого твердотельного реле на основе оптодрайвера для симистора ZCC типа MOC3041

На мой взгляд, это достойные изделия для использования в различных автоматических устройствах, к тому же они не требуют обслуживания (за исключением очистки радиаторов от пыли), а срок службы можно сказать неограничен. Их срок службы во много раз превышает срок службы контакторов, при условии, что исключены перегрузки, перегрев, короткие замыкания и импульсные перенапряжения!

Что такое твердотельное реле?

Твердотельное реле, называемое в англоязычной литературе solid-state relay, является разновидностью обычного электромеханического реле. Он имеет широкий спектр промышленного и бытового применения. Как и обычное реле, твердотельное реле может легко справляться с большими нагрузками при небольшом управляющем сигнале. Основное отличие от обычных реле заключается в том, что этот тип полностью основан на твердотельных компонентах.

Эти особенности продлевают срок службы компонента. Однако эти реле становятся все горячее и горячее из-за потерь в полупроводниках. В данной статье представлены все особенности структуры, конструкции и дизайна твердотельного реле, его применения, преимущества и недостатки по сравнению с другими типами. По этой теме статья предлагает читателю интересное видео и полезный файл, который более подробно объясняет этот материал.

Твердотельное реле

Что такое твердотельное реле

Твердотельные реле – ТДС (в терминологии для общепромышленного применения) или твердотельные переключатели (в терминологии для категории качества EP), силовые полупроводниковые модули, изготовленные по гибридной технологии с использованием капсулированных элементов и негерметичных элементов (кристаллов).

Размещаются в металлопластиковых или металлокерамических (металлостеклянных) изоляторных упаковках с монолитной полимерной оболочкой или в герметичных металлостеклянных (металлокерамических) упаковках:

  • Твердотельные реле в планарной форме;
  • Полупроводниковые реле для монтажа на печатную плату;
  • Твердотельные реле, установленные на теплоотвод с объемным монтажом силовых и управляющих цепей.

Твердотельные реле с цепями управления, обеспечивающие любую комбинацию функций управления, защиты и диагностики, с гальванической оптоэлектронной или трансформаторной изоляцией, напряжение изоляции от 1 до 4 кВ.

Твердотельные реле для коммутации цепей постоянного, переменного, постоянного тока с двунаправленным действием с использованием в качестве силового элемента:

  • Тиристоры (симисторы) в диапазоне 1…200 А, напряжение срабатывания 600…1600 В;
  • МОП-транзисторы в диапазоне 1…200 А, напряжение переключения 60…600 В;
  • IGBT в диапазоне 1…200 A, напряжение срабатывания 600…1200 В;
  • Биполярные транзисторы в диапазоне 1…10 А, напряжение переключения 100…300 В.

Одно- и многоканальные твердотельные реле с нормально замкнутым или разомкнутым коллектором. Твердотельные реле предназначены для работы в цепях постоянного и переменного тока в приводах двигателей, системах автоматического регулирования и управления. Они также заменяют и во многих отношениях превосходят контактные электромагнитные реле.

Размеры твердотельного реле

К преимуществам твердотельного реле относятся:

  • Длительный срок службы (более 1 миллиарда операций);
  • Высокая скорость работы;
  • Отсутствие электромагнитных помех при подключении;
  • Отсутствие дребезга контактов или слышимого шума;
  • Отсутствие дуги при открывании (для использования во взрывоопасных зонах)
  • Высокое сопротивление изоляции между входом и выходом;
  • Низкое энергопотребление;
  • Герметичное уплотнение, устойчивость к ударам и вибрации.

Основными областями применения твердотельных реле являются промышленное отопление, контроль температуры, промышленное и общественное освещение, управление двигателями и трансформаторами, а также непрерывное электропитание.

Твердотельное трехфазное реле

Классификация

С помощью SSR вы можете выбирать между однофазными и трехфазными типами нагрузки. Широкий диапазон коммутируемого напряжения 40…440 В позволяет использовать твердотельные реле для управления нагрузкой в различных отраслях промышленности. В зависимости от типа контроля можно выделить 4 группы:

  • Регулировка напряжения постоянного тока (3…32 В);
  • Регулировка напряжения переменного тока (90…250 В);
  • Ручное управление выходным напряжением с помощью переменного резистора (470-560 кОм, 0,25-0,5 Вт);
  • Ручное управление выходным напряжением с помощью аналогового сигнала 4-20 мА.

Различные типы управляющих сигналов позволяют использовать твердотельные реле в качестве коммутационных элементов в различных типах систем автоматического управления.

Реле могут переключаться в соответствии с методом переключения:

  • Они используются для коммутации резистивных нагрузок (электронагреватели, лампы накаливания), емкостных (сглаживающие фильтры помех с конденсаторами в составе) и слабоиндуктивных (катушки электромагнитов, клапаны). При подаче управляющего сигнала напряжение на выходе такого реле появляется, когда напряжение сети впервые превышает ноль. Это уменьшает начальный пусковой ток, снижает уровень генерируемых электромагнитных помех и, таким образом, увеличивает срок службы устройств, управляемых реле. Недостатком устройств этого типа является невозможность коммутации нагрузок с высокой индуктивностью при cos φ<0,5 (трансформаторы в режиме холостого хода).
  • Моментальное (случайное) переключение используется для коммутации резистивных нагрузок (электронагревательные элементы, лампы накаливания) и индуктивных нагрузок (маломощные двигатели, трансформаторы), когда требуется мгновенное переключение. Напряжение на выходе реле этого типа появляется одновременно с управляющим сигналом (время задержки включения составляет менее 1 миллисекунды), поэтому можно включать любой участок синусоидального напряжения. Существенным недостатком этого типа устройств является возникновение импульсных помех и начальных пусковых токов во время коммутации. После возбуждения они работают как общее реле с контролем пересечения нуля.
  • Реле с фазовым управлением позволяют реализовать импульсно-фазовый режим (ШИМ) управления мощностью на нагрузке. Эти реле могут использоваться, например, для управления нагревательными элементами (контроль температуры) или лампочками (контроль яркости).

Различные размеры реле SSR.

Руководство по выбору

Из-за электрических потерь в силовых полупроводниковых элементах твердотельные реле нагреваются при переключении нагрузки. Это накладывает ограничение на величину коммутируемого тока. Температура 40 градусов Цельсия не ухудшает работу устройства. Однако нагрев выше 60 градусов Цельсия значительно снизит допустимый ток переключения. В этом случае реле может стать неуправляемым и выйти из строя.

В случае большинства нагрузок переключение реле сопровождается скачком тока различной длительности и амплитуды, величину которого необходимо учитывать при выборе:

  • Чисто активные нагрузки (нагреватели) дают минимально возможные скачки тока, которые практически исключены при использовании реле с переключением “0”;
  • Лампы накаливания, галогенные лампы при включении проводят ток, в 7-12 раз превышающий номинальный;
  • Люминесцентные лампы дают короткие пики тока в 5 – 10 раз превышающие номинальный ток в первые секунды (до 10 с);
  • Ртутные лампы дают тройную перегрузку по току в первые 3-5 минут…;
  • Обмотки реле переменного тока: ток в 3…10 раз больше номинального тока в течение 1-2 периодов;
  • обмотки катушки: 10…20-кратный номинальный ток в течение 0,05 – 0,1 с
  • электродвигатели: 5…10-кратный номинальный ток в течение 0,2 – 0,5 с
  • большие индуктивные нагрузки с насыщенными сердечниками (трансформаторы без нагрузки) при коммутации нулевого напряжения: ток в 20…40 раз больше номинального тока в течение 0,05 – 0,2 с;
  • Емкостные нагрузки при переключении фазы почти на 90°: ток в 20…40 раз больше номинального тока в течение десятков микросекунд – десятков миллисекунд.

Способность выдерживать токовые перегрузки определяется значением “тока перенапряжения”. Это амплитуда одиночного импульса определенной длительности (обычно 10 мс). Для реле постоянного тока это значение обычно в 2-3 раза больше максимально допустимого постоянного тока, для тиристорных реле это отношение составляет около 10. Для токовых перегрузок любой длительности может быть принято эмпирическое соотношение: увеличение длительности перегрузки на порядок уменьшает допустимую амплитуду тока. Расчет максимальной нагрузки приведен в следующей таблице.

Нагрузка твердотельного реле

Внешняя цепь, состоящая из резистора и конденсатора, соединенных последовательно (RC-цепочка), размещается параллельно переключающим контактам для повышения устойчивости к импульсным помехам. Для более полной защиты от источника перенапряжения со стороны нагрузки необходимо параллельно подключить защитные варисторы к каждой фазе твердотельного реле.

Схема подключения твердотельного реле.

Варисторы требуются при коммутации индуктивных нагрузок. Выбор необходимого номинала варистора зависит от напряжения питания нагрузки и рассчитывается по формуле: Uваристоров = (1.6…1.9)xUнагрузка.

Тип варисторов определяется конкретными рабочими характеристиками оборудования. Наиболее популярны отечественные варисторы следующих серий: СН2-1, СН2-2, ВР-1, ВР-2. Полупроводниковое реле обеспечивает хорошую гальваническую развязку входных и выходных цепей и токоведущих цепей от конструктивных элементов устройства, поэтому дополнительные меры по развязке цепей не требуются.

Подключение

Проводка простая. Устройство проектируется с управляющими входами (указывая их с четко определенными полярностями) и выходом для нагрузки. Качество соединения имеет большое значение. Здесь используется винтовое соединение (без пайки). Чтобы избежать повреждения ТДС, важно не допускать попадания пыли и посторонних механических элементов на контакты. Необходимо принять меры для предотвращения негативного воздействия на корпус прибора (при включении или выключении). Не прикасайтесь к корпусу после включения, так как он может быть горячим.

Убедитесь, что RTD не расположен вблизи легковоспламеняющихся материалов. Кроме того, убедитесь, что процесс подключения был выполнен правильно. Если после включения температура изделия поднимается выше 60 градусов Цельсия, установите теплоотвод для его охлаждения (причины и характеристики этой защитной меры см. выше). Если ничего не предпринимать, устройство перестанет работать, когда температура достигнет 80 градусов Цельсия. Он управляется схемой с различными вариантами.

Электрическая цепь в твердотельном реле.

Заключение

Знание конструктивных особенностей твердотельного реле облегчает понимание его работы. Два сигнала – управляющий и управляемый – взаимодействуют в устройстве благодаря гальванической развязке. В некоторых моделях TTR эту функцию берет на себя оптопара. Напряжение, управляющее устройством, также подается на светодиод. Свечение последнего подается на фотодиод, который индуцирует ток, включая МОП или тиристор, управляющий подключенным устройством. Кроме того, в процессе построения схемы могут быть использованы специальные оптоэлектронные устройства – оптотиристоры и фототристоры.

Твердотельное реле

Твердотельные реле – это класс современных модульных полупроводниковых устройств, в которых используется гибридная технология встраивания силовых ключей в симисторные, тиристорные или транзисторные структуры. Они успешно используются для замены традиционных электромагнитных реле, контакторов и пускателей. Твердотельные реле обеспечивают наиболее надежный метод коммутации цепей.

Твердотельное реле выпускается в широком диапазоне исполнений для коммутации как малых, так и больших токов нагрузки, а также в специальной серии для особых задач коммутации. RTD обеспечивает надежную гальваническую развязку входных и выходных цепей друг от друга и токоведущих цепей от структуры устройства, поэтому дополнительные меры по развязке цепей не требуются.

Варианты исполнения твердотельных реле:

Однофазные твердотельные реле
Коммутационный ток выше нуля:
Однофазное твердотельное реле
Постоянный контроль:
Однофазное твердотельное реле с переключением нейтрали

 

Однофазное твердотельное реле с непрерывным управлением

 

Однофазное твердотельное реле в промышленном корпусе

 

Общие рекомендации по выбору твердотельных реле

Нагрев SSR во время переключения нагрузки вызван электрическими потерями в силовых полупроводниковых элементах. Повышение температуры реле SSR ограничивает величину коммутируемого тока, поскольку чем выше температура реле SSR, тем меньше коммутируемый ток. Достижение температуры 40° C не приводит к существенному ухудшению характеристик, в то время как температура 60° C значительно снижает допустимый ток переключения: нагрузка может быть отключена не полностью, и SSR может стать неуправляемым или даже выйти из строя.

Поэтому для обеспечения непрерывной работы SSR при номинальных нагрузках, и особенно для “тяжелых” приложений (непрерывное включение при нагрузке более 5 А), необходимо использовать радиаторы или воздушное охлаждение для отвода тепла. Для более высоких нагрузок, напр. Для индуктивных нагрузок (катушки, электромагниты и т.д.) рекомендуется выбирать твердотельное реле с большим запасом тока (2-4 раза), а при использовании твердотельного реле для управления асинхронным двигателем требуется 6-10-кратный запас тока.

Для большинства типов нагрузок переключение ТДС сопровождается броском тока (inrush) различной длительности и амплитуды, что необходимо учитывать при выборе твердотельного реле.

Для различных типов нагрузок могут быть заданы следующие пусковые перегрузки:

  • Чисто активные нагрузки (нагреватели типа HET) дают наименьшие возможные скачки тока, которые практически исключаются при использовании твердотельного реле с нулевым переключением;
  • Лампы накаливания, галогенные лампы при включении пропускают ток в 7…12 раз больше номинального;
  • Люминесцентные лампы в первые секунды (до 10 секунд) дают короткие пики тока, в 5-10 раз превышающие номинальный ток;
  • Ртутные лампы дают тройную перегрузку по току в первые 3-5 минут;
  • Обмотки электромагнитного реле переменного тока: ток в 3…10 раз больше номинального тока в течение 1-2 периодов;
  • обмотки катушки: 10-20-кратный номинальный ток в течение 0,05-0,1 сек;
  • электродвигатели: 5…10-кратный номинальный ток в течение 0,2 – 0,5 сек;
  • большие индуктивные нагрузки с насыщенными сердечниками (трансформаторы холостого хода) при включении в фазе нулевого напряжения: ток в 20-40 раз превышает номинальный ток в течение 0,05 – 0,2 сек;
  • Емкостные нагрузки, при переключении в фазе, близкой к 90°: ток в 20-40 раз больше номинального тока в течение от десятков микросекунд до десятков миллисекунд.

Способность полупроводниковых реле выдерживать токовые перегрузки определяется величиной импульсного тока, т.е. амплитудой одиночного импульса определенной длительности (обычно 10 мс). Для реле постоянного тока это значение обычно в 2-3 раза превышает максимально допустимый постоянный ток; для тиристорных реле это соотношение составляет около 10. Для токовых перегрузок любой длительности можно принять эмпирическую зависимость: увеличение длительности перегрузки на порядок уменьшает допустимую амплитуду тока.

Выбор номинального тока твердотельного реле для данной нагрузки предполагает выбор запаса по номинальному току реле и введение дополнительных мер по ограничению пусковых токов (токоограничивающие резисторы, дроссели и т.д.).

Для повышения устойчивости УСБ к импульсным помехам параллельно переключающим контактам ТТР помещается цепь, состоящая из последовательно соединенных резистора и конденсатора (RC-цепочка).

Для лучшей защиты от источника перенапряжения со стороны нагрузки защитные варисторы должны быть подключены параллельно к каждой фазе твердотельного реле.

Общая классификация твердотельных реле (SSR) KIPPRIBOR

Твердотельное реле для коммутации однофазных сетей:

  • Может использоваться для коммутации трехфазных сетей с помощью одного однофазного твердотельного реле на фазу;
  • Позволяет коммутировать нагрузки в любой цепи (“звезда”, “звезда с нейтралью” и “треугольник”). Использование отдельного твердотельного реле для коммутации каждой из 3 фаз значительно повышает надежность коммутации и, следовательно, надежность всей системы управления;
  • Позволяет переключать резистивные и индуктивные нагрузки;

Твердотельные реле для коммутации трехфазных сетей:

  • Они позволяют коммутировать нагрузки с любой схемой подключения (“звезда”, “звезда с нейтралью” и “треугольник”);
  • ТДС Kippribor позволяют коммутировать только резистивные нагрузки.
Токи утечки в цепи применительно к твердотельным реле

В общем, ток утечки – это ток, который течет на землю или на внешние проводящие части в неповрежденной электрической цепи.

В случае твердотельных реле ток утечки – это ток, присутствующий в цепи нагрузки даже при отсутствии управляющего напряжения на твердотельном реле. Ток утечки в твердотельном реле вызван RC-цепью, встроенной параллельно цепи нагрузки, через которую всегда протекает ток при подаче напряжения на RTD, даже когда переключающий элемент твердотельного реле находится в состоянии “выключено”.

RC-цепочка (RC-цепочка снаббера)

RC-резисторная цепь – это электрическая цепь, состоящая из последовательно соединенных конденсаторов и резисторов (в случае твердотельных реле). RC-цепь повышает надежность работы RTD в условиях импульсных помех (перенапряжения) и ограничивает скорость нарастания напряжения на коммутирующем элементе, что особенно важно при коммутации индуктивных нагрузок.

Типы полупроводниковых релейных нагрузок. Общая классификация

Индуктивная нагрузка – это электрическая нагрузка с большой индуктивной составляющей. К таким нагрузкам относится электрооборудование с катушками или электрическими обмотками: соленоиды клапанов, трансформаторы, электродвигатели, дроссели и т.д.

Особенностью индуктивных нагрузок является высокий ток потребления при запуске (пусковые токи), вызванный переходными электрическими процессами. Пусковые токи для больших индуктивных нагрузок могут превышать номинальный ток в несколько десятков раз и быть достаточно длительными, поэтому при использовании твердотельного реле для коммутации индуктивных нагрузок номинал твердотельного реле (STR) должен выбираться с учетом пусковых токов нагрузки.

Резистивная нагрузка – это электрическая нагрузка в виде сопротивления (резистора), которая преобразует электрическую энергию в тепловую.

К резистивным нагрузкам относится большинство нагревателей (ТЭНы). Резистивные нагрузки имеют относительно низкие пусковые токи, что позволяет использовать для коммутации резистивных нагрузок твердотельные реле с минимальным запасом по току (обычно 25% запас). Но бывают и исключения, яркий пример – лампы накаливания, хотя они и являются по сути резистивной нагрузкой, но имеют достаточно высокие пусковые токи (до 12*Iном), что обусловлено очень широким диапазоном изменения сопротивления нихромовой спирали при различных температурах.

ТЭН – это нагреватель в виде металлической трубки, заполненной теплопроводящим электроизолятором, в центре которой установлен нагревательный элемент определенного сопротивления. В качестве нагревательного элемента обычно используется нихромовая нить. Нагревательный элемент является резистивной нагрузкой с низким пусковым током.

Классификация твердотельных реле (SSR) KIPPRIBOR по диапазону коммутируемого напряжения

Стандартный диапазон коммутации для ТДС Kippribor: 40…440 В переменного тока – такой широкий диапазон коммутируемого напряжения (сеть переменного тока) позволяет использовать твердотельные реле KIPPRIBOR для управления нагрузками в различных промышленных приложениях;

Диапазон коммутации для нагрузок постоянного тока: твердотельные реле серии HD-xx.25DD3 используют диапазон коммутируемого напряжения 20…250 В постоянного тока для коммутации нагрузок постоянного тока;

Диапазоны напряжения управления нагрузкой: твердотельное реле серии HD-xx.44VA использует диапазон управления нагрузкой 10…440 В переменного тока для управления напряжением внешнего переменного резистора;

Твердотельные реле серии HD-xx.2210U используют диапазон регулирования переменного напряжения 10…220 В переменного тока.

Класс напряжения – для полупроводников (тиристоров), определяет максимально допустимое напряжение повторного импульса в закрытом состоянии и максимально допустимое обратное напряжение, приложенное к полупроводниковому элементу.

Класс напряжения обычно обозначается числом в сотнях вольт, например, класс напряжения 9 означает, что полупроводниковый элемент может выдерживать максимальное пиковое напряжение 900 вольт. Для сетевых источников питания с напряжением 220 вольт рекомендуется использовать полупроводниковые элементы класса напряжения не ниже 9, т.е. они должны выдерживать максимальное пиковое напряжение 900 вольт.

Классификация твердотельных реле KIPPRIBOR в зависимости от типа управляющего сигнала.

В зависимости от модификации твердотельные реле KIPPRIBOR могут работать со следующими типами управляющих сигналов:

– Напряжение управления постоянного тока 3…32 В;

– Управляющее напряжение переменного тока 90…250 В;

– Ручное регулирование выходного напряжения переменным резистором (470-560 кОм, 0,25-0,5 Вт);

– Аналоговое управление выходным напряжением с помощью равномерного сигнала напряжения 0…10 В.

Твердотельные реле KIPPRIBOR могут использоваться в качестве коммутационных элементов во многих типах систем автоматизации.

Для получения дополнительной информации о применении твердотельных реле см. раздел “Применение твердотельных реле”.

Классификация твердотельных реле KIPPRIBOR в зависимости от режима переключения

Твердотельные реле с контролем 0 переходов

Для коммутации используются твердотельные реле с контролем пересечения нуля.

– Резистивные нагрузки: электрические нагревательные элементы (обогреватели), лампы накаливания и т.д.

– Емкостные нагрузки: например, фильтры помех с конденсаторами;

– Низкие индуктивные нагрузки: соленоиды, клапаны и т.д.

Когда на твердотельное реле подается сигнал управления пересечением нуля, напряжение на выходе реле появляется, когда напряжение сети впервые пересекает нуль. Это уменьшает пусковой ток, снижает уровень генерируемых электромагнитных помех и, таким образом, увеличивает срок службы коммутируемых нагрузок.

Однако, трансформаторы тока с контролем нулевого пересечения не могут коммутировать нагрузки с высокой индуктивностью, когда cos φ<0,5 (например, трансформаторы холостого хода).

Схема запуска KIPPRIBOR TR с контролем пересечения нуля.

Выходы отключения KIPPRIBOR с контролем пересечения нуля.

Мгновенные (случайные) полупроводниковые реле

Для коммутации используются мгновенные (случайные) твердотельные реле:

– Резистивные (электрические нагревательные элементы, лампы накаливания);

– и индуктивных нагрузок (небольшие двигатели, трансформаторы), когда требуется мгновенное включение.

Напряжение на выходе твердотельного реле этого типа появляется одновременно с управляющим сигналом (время задержки включения не превышает 1 миллисекунды), поэтому TDR можно переключать при любой части синусоидального напряжения.

Однако при использовании этого типа TDR во время переключения могут возникать импульсные помехи и начальные пусковые токи. Это твердотельное реле при включении ведет себя как обычный TDR с контролем пересечения нуля.

Схема запуска для KIPPRIBOR TR

Кривая срабатывания реле мгновенного сдвига фаз KIPPRIBOR.

Твердотельные реле с фазовым управлением

Силовые реле с фазовым управлением позволяют изменять выходное напряжение в зависимости от нагрузки и используются в следующих областях:

  • для регулирования мощности нагревательного элемента,
  • регулировать интенсивность свечения лампочки
  • и т.д.

Рабочая схема для KIPPRIBOR TR с фазовым управлением

KIPPRIBOR фазово-активируемая схема реакции TTR.

Типы выходных силовых элементов полупроводниковых реле KIPPRIBOR

В зависимости от модификации в твердотельных реле KIPPRIBOR используются различные выходные элементы: симистор, транзистор, выход SCR, тиристор.

Выходы симисторов

Выходы симисторов используются в твердотельных реле для коммутации малых токов. Из-за особенностей симистора ток течет в обоих направлениях одновременно, и невозможно добиться эффективного отвода тепла от кристалла симистора при двунаправленном протекании больших токов.

Для коммутации больших токов используются отдельно установленные тиристоры на охлаждающей подложке. Это позволяет обеспечить необходимый отвод тепла.

Выходы SCR

SCR – это международно признанное название полупроводникового переключателя на основе триодного тиристора (или просто тиристора).

Выход SCR – в полупроводниковых реле так называется тип полупроводникового переключателя, изготовленного путем нанесения изолирующей керамической подложки на металлическую основу, на которую затем наносятся кристаллы полупроводниковой структуры тиристора. Физически, выход SCR представляет собой два изолированных монокристалла, подключенных непосредственно к базе TTR.

Эта технология обеспечивает наиболее эффективное рассеивание тепла, благодаря чему коммутация надежна даже при высоких токах переключения.

Однако это не исключает необходимости в теплоотводах и охлаждающих вентиляторах при высоких токах переключения.

В твердотельных реле KIPPRIBOR для непрерывной коммутации больших токов или индуктивных нагрузок используются выходы тиристоров SCR.

Правило выбора варистора для твердотельных реле

Варистор – это полупроводниковый элемент, сопротивление которого зависит от приложенного напряжения. Он может использоваться в качестве ограничителя напряжения в электрических цепях благодаря быстрому падению сопротивления при превышении определенного уровня напряжения. Одним из основных параметров, на основе которых выбираются варисторы, является напряжение классификации, т.е. условное значение напряжения, за пределами которого сопротивление варистора быстро изменяется.

Для твердотельных реле варисторы могут использоваться для защиты самого твердотельного реле от скачков напряжения в цепях нагрузки и управления.

Для защиты цепи RTD можно выбрать варисторы по упрощенной схеме:

U варистора = U эксплуатации * (1.6. 1.9)

Варистор обычно изготавливается в небольшом круглом корпусе с проволочными выводами, чтобы его можно было установить непосредственно на клеммы реле двигателя.

Тип используемого варистора определяется конкретными характеристиками реле. Наиболее распространенными диапазонами домашних варисторов являются: SN2-1, SN2-2, VR-1, VR-2.

Для твердотельных реле KIPPRIBOR мы рекомендуем варисторы KIPPRIBOR GVR-20D681K. 680 В ПЕРЕМЕННОГО ТОКА. Ø 19 мм.

Защитите цепи RTD.

Принцип выбора защитного диода для HD-xx25.DD3 RTD

При использовании HDxx25.DD3 RTD для коммутации индуктивной нагрузки, выход RTD должен быть защищен от напряжения самоиндукции. Самый дешевый и распространенный способ – установить однонаправленный диод параллельно индуктивной нагрузке. В установившемся режиме диод не оказывает никакого влияния на работу схемы. При отключении нагрузки, при появлении напряжения самоиндукции противоположной полярности рабочему напряжению, диод открывается и шунтирует индуктивную нагрузку.

Принцип выбора диодов:

– Рабочий ток и обратное напряжение диода должны быть сопоставимы с номинальным напряжением и током нагрузки. Для HD-xx25.DD3 подходит кремниевый диод 1N5399 с максимальным обратным напряжением 1000 В постоянного тока и максимальным импульсным током до 50 А;

– Выводы диода должны быть как можно короче;

– Выводы диода должны быть подключены непосредственно к нагрузке;

– При подключении диода к нагрузке не следует использовать длинные соединительные провода.

Конструктивные особенности твердотельных реле KIPPRIBOR

Основание полупроводникового реле – это теплопроводящее металлическое основание полупроводникового реле, которое необходимо для отвода тепла от переключающего элемента TTR к радиатору. Он может быть изготовлен из алюминиевого сплава или меди.

Материал основания полупроводникового реле можно различить визуально: основание из алюминиевого сплава имеет тусклый бледно-серый цвет, а основание из медного сплава имеет матовый стальной вид и иногда может иметь практически зеркальную матовую поверхность. Медная основа имеет необычный зеркально-стальной вид благодаря дополнительному слою никеля, который предотвращает окисление меди при длительном или неправильном хранении.

Основание RTD из медного сплава является наиболее эффективным полупроводниковым реле с точки зрения рассеивания тепла. Поскольку теплопроводность меди намного выше, чем у алюминия, отвод тепла от коммутационного элемента TTR происходит намного быстрее и эффективнее. В результате TTR с медным основанием (в отличие от реле с алюминиевым основанием) лучше выдерживает пиковые нагрузки и лучше работает в тяжелых условиях эксплуатации, но медь немного дороже алюминия.

Металл на основе алюминия дешевле. Поскольку алюминиевое основание менее эффективно, чем медное, оно используется в недорогих сериях продукции и применяется только для коммутации небольших нагрузок.

Теплопроводная паста – это паста на основе силикона, обладающая хорошей теплопроводностью. Он используется в электронных устройствах для отвода тепла от компонентов, установленных на радиаторе. Использование теплопроводящей пасты при установке полупроводникового реле на радиатор значительно улучшает теплопередачу от реле к радиатору. Теплоотдающая способность увеличивается за счет заполнения небольших пустот между поверхностями реле и радиатора, поскольку невозможно добиться идеально ровных поверхностей. Наиболее часто используемая марка теплопроводной пасты – КПТ-8 в тубах, с рабочей температурой от минус 60° до +180° C.

Теплоотводы KIPPRIBOR для TTR

Необходимость и выбор теплоотводов KIPPRIBOR RTD для полупроводниковых реле

Почему необходим теплоотвод PtR

Твердотельные реле (SSR) имеют множество преимуществ, но, как и все электронные устройства, они имеют один существенный недостаток – тепловыделение во время работы.

На первый взгляд, это не является проблемой при эксплуатации, поскольку реле излучает тепло в окружающую среду, и в большинстве случаев это приемлемо и даже полезно, например, в случае нагревательных устройств, используемых в холодных районах. Чем выше ток нагрузки, тем больше тепла будет выделять SSR.

Однако у каждого устройства есть определенная рабочая температура, превышение которой может сократить срок его службы или привести к поломке. Конечно, для предотвращения перегрева устройство может быть оснащено термостатом (имеется в большинстве электронных устройств и отключается в случае перегрева).

Однако в случае твердотельного реле простого выключения при превышении температуры недостаточно. ТДС является полупроводниковым прибором, поэтому допустимый ток его нагрузки зависит от температуры. Чем выше температура твердотельного реле, тем меньшей нагрузкой оно может управлять – т.е. зависимость между температурой реле и допустимым током нагрузки обратная.

Допустимый ток нагрузки, указанный на корпусе твердотельного реле и включенный в его обозначение, действителен, если температура самого реле не превышает 40 градусов С (это относится к RTD-реле любого производителя). Если температура RTD превышает 40 градусов C, допустимый ток нагрузки будет снижен. Например, если МТР нагрет до 70 градусов С, допустимый ток нагрузки через него будет составлять только 50% от паспортного тока. На практике уже ток нагрузки более 5 А приводит к нагреву MTR более чем до 40 градусов Цельсия. Поэтому необходимо принять меры по ограничению повышения температуры выше номинального значения ТДС для обеспечения соблюдения условий эксплуатации ТДС.

Наиболее эффективным способом отвода тепла от твердотельных реле является использование теплоотводов RTD.

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ – Помните, что использование теплоотводов совместно с RTD обязательно при управлении нагрузками свыше 5А! Несоблюдение этой рекомендации приведет к выходу из строя реле SSR.

Рекомендации, касающиеся теплоотводов

  1. При выборе теплоотвода следует учитывать, что не существует четкой зависимости между током нагрузки через реле и типом требуемого теплоотвода, а рекомендации, приведенные в таблице выше, основаны на стандартных условиях эксплуатации (температура окружающей среды 20гр, циркуляция воздуха и т.д.). Поэтому необходимо выбрать радиатор с некоторым запасом по току или увеличить его мощность за счет дополнительной установки охлаждающего вентилятора.
  2. Перед установкой SSR на радиатор необходимо очистить поверхности от пыли и грязи. При установке RTD на радиатор убедитесь, что на нем нет посторонних предметов.
  3. Поверхности ТДС и радиатора могут быть не идеально ровными, поэтому для обеспечения эффективного отвода тепла необходимо закрепить ТДС на радиаторе с помощью теплопроводящей пасты, например, KPT-8. Теплопроводящая паста может заполнить воздушные зазоры между поверхностью радиатора и основанием TTR, повышая эффективность передачи тепла от TTR к радиатору.
  4. При установке всегда используйте крепежные винты, чтобы обеспечить максимально плотное прилегание TTR к поверхности радиатора.
  5. Всегда располагайте радиатор так, чтобы естественная циркуляция воздуха проходила вдоль охлаждающих ребер радиатора, иначе производительность радиатора значительно снизится.
  6. При установке радиатора внутри блока или шкафа убедитесь, что ничто не препятствует естественному потоку воздуха через радиатор.

ВНИМАНИЕ! При несоблюдении этих рекомендаций производительность теплоотвода будет значительно снижена, что приведет к перегреву установленного ТДС и, возможно, к отказу реле.

Твердотельное реле: типы, практическое применение, схемы подключения

Классические пускатели и контакторы постепенно уходят в прошлое. В настоящее время в автомобильной электронике, бытовой технике и промышленной автоматизации они заменяются твердотельными реле, которые представляют собой полупроводниковые устройства без каких-либо движущихся частей.

Эти устройства выпускаются в различных исполнениях и схемах подключения в зависимости от области применения. Перед использованием устройства необходимо понять принцип его работы, знать особенности функционирования и подключения различных типов реле. Ответы на эти вопросы подробно изложены в представленной статье.

Структура твердотельного реле

Современные твердотельные реле (SSR) представляют собой модульные полупроводниковые устройства, которые являются силовыми переключателями.

Основными рабочими элементами этих устройств являются симисторы, тиристоры или транзисторы. RTD не имеют движущихся частей, что отличает их от электромеханических реле.

Основные компоненты твердотельных реле

Внутренняя конструкция этих устройств может значительно отличаться в зависимости от типа нагрузки и управляемой цепи.

Простейшее твердотельное реле состоит из следующих компонентов

  • Входной блок с предохранителями;
  • Триггерная цепь;
  • оптическая (гальваническая) изоляция;
  • узел коммутации;
  • защитные контуры;
  • выход на узел нагрузки.

Входной узел RTD представляет собой первичную цепь с последовательно подключенным резистором. Опционально в эту цепь встраивается предохранитель. Функция входного узла заключается в приеме управляющего сигнала и передаче команды на переключатели нагрузки.

В системах переменного тока гальваническая развязка используется для отделения цепи управления от основной цепи. Принцип работы реле во многом зависит от его конструкции. Схема отключения, которая отвечает за обработку входного сигнала, может быть включена в блок оптической изоляции или расположена отдельно.

Эта защита предотвращает возникновение перегрузок и ошибок, поскольку в случае отказа устройства может быть повреждено даже подключенное оборудование.

Основная функция твердотельного реле – включение и выключение сетевого питания с помощью слабого управляющего сигнала. В отличие от электромеханических реле, они более компактны и не издают характерного щелкающего звука.

Принцип работы твердотельного реле

Твердотельные реле работают довольно простым способом. Большинство RTD предназначены для управления оборудованием автоматизации в сети 20-480 В.

Принципиальная схема работы твердотельного реле

В классическом варианте в корпусе устройства находятся два контакта коммутируемой цепи и два управляющих провода. Их количество можно варьировать, увеличивая число подключенных фаз. В зависимости от наличия напряжения в цепи управления, основная нагрузка включается или выключается полупроводниковыми элементами.

Особенностью твердотельных реле является наличие неограниченного сопротивления. Если в электромеханических устройствах контакты полностью размыкаются, то в полупроводниковых устройствах отсутствие тока в цепи обеспечивается свойствами полупроводниковых материалов.

Поэтому при более высоких напряжениях могут возникать небольшие токи утечки, которые могут оказывать негативное влияние на работу подключенных устройств.

Классификация полупроводниковых реле

Поскольку области применения реле разнообразны, конструкция реле может значительно отличаться в зависимости от потребностей конкретной системы автоматизации. Твердотельные реле классифицируются в зависимости от количества подключенных фаз, вида рабочего тока, конструктивных особенностей и типа схемы управления.

В зависимости от количества подключенных фаз

Твердотельные реле используются как в бытовой технике, так и в промышленной автоматике с рабочим напряжением 380 В.

Поэтому эти твердотельные устройства, в зависимости от количества фаз, делятся на:

  • однофазный;
  • Трехфазный.

Однофазные ТДС В однофазной системе можно работать с токами 10-100 A или 100-500 A. Реле управляются аналоговыми сигналами.

Классическое трехфазное твердотельное реле

Трехфазные твердотельные реле Поставляется с диапазоном тока 10-120 A. В их конструкции используется реверсивный принцип работы, который обеспечивает надежное управление несколькими электрическими цепями одновременно.

Трехфазные ТДС часто используются для привода асинхронных двигателей. Из-за высоких пусковых токов в схему управления двигателем встроены быстродействующие предохранители.

По типу рабочего тока

Твердотельные реле нельзя настроить или перепрограммировать, поэтому они могут нормально работать только в определенном диапазоне параметров электрической сети.

В зависимости от потребностей, RTD могут управляться электрическими цепями с двумя типами тока:

  • DC;
  • AC.

Аналогичным образом, ТДС можно классифицировать по типу напряжения активной нагрузки. Большинство реле в бытовых приборах работают с параметрами переменного тока.

Твердотельное реле для постоянного тока

Приборы с постоянным током управления обладают высокой надежностью и используют для регулирования напряжение 3-32 В. Они выдерживают широкий диапазон температур (-30…+70°C) без существенного изменения характеристик.

Управляемые реле переменного тока имеют управляющее напряжение 3-32 В или 70-280 В. Они отличаются низким уровнем электромагнитных помех и высокой скоростью реакции.

По конструктивным особенностям

Твердотельные реле часто устанавливаются в общий электрический щит в жилом помещении, поэтому многие модели имеют монтажный блок для установки на DIN-рейку.

Кроме того, между ТДС и монтажной поверхностью находятся специальные теплоотводы. Это позволяет охлаждать устройство при высоких нагрузках, сохраняя его производительность.

Монтаж TTR на DIN-рейку

Рекомендуется нанести слой термопасты между реле и радиатором для увеличения площади контакта и улучшения отвода тепла. Существуют также RTD, предназначенные для крепления на стену с помощью обычных винтов.

По типу схемы управления

Принцип работы регулируемого реле не всегда требует его мгновенного срабатывания.

Поэтому производители разработали несколько систем управления RTD, которые используются в различных приложениях:

  1. контроль “через ноль”.. Этот тип управления твердотельным реле предполагает срабатывание только при значении напряжения 0. Используется в оборудовании с емкостными, резистивными (нагреватели) и слабоиндуктивными (трансформаторы) нагрузками.
  2. Срочно. Используется, когда реле должно быть активировано внезапно после подачи управляющего сигнала.
  3. Фаза. Это предполагает регулировку выходного напряжения путем изменения параметров тока управления. Он используется для плавного изменения степени нагрева или освещения.

Твердотельные реле отличаются по многим другим, менее важным, параметрам. Поэтому при покупке TDR важно понимать схемы подключаемых устройств, чтобы приобрести для него наиболее подходящее устройство управления.

Необходимо предусмотреть запас мощности, так как срок службы реле быстро исчерпывается при частых перегрузках.

Преимущества и недостатки TDR

Твердотельные реле не зря вытесняют с рынка традиционные пускатели и контакторы. Эти полупроводники имеют множество преимуществ по сравнению с электромеханическими аналогами, что заставляет потребителей выбирать именно их.

Твердотельное реле, установленное на печатной плате

К этим преимуществам относятся:

  1. Низкое энергопотребление (на 90% меньше).
  2. Компактные размеры и малая занимаемая площадь позволяют устанавливать их в ограниченном пространстве.
  3. Высокая скорость запуска и выключения
  4. Пониженный уровень шума, отсутствие щелчков, характерных для электромеханических реле.
  5. Не требует обслуживания.
  6. Длительный срок службы благодаря ресурсу в сотни миллионов активаций.
  7. Благодаря возможности модификации электроники, RTD подходит для широкого спектра применений.
  8. Отсутствие электромагнитных помех при запуске.
  9. Отсутствие повреждений контактов из-за механических ударов.
  10. Отсутствие прямого физического контакта между цепями управления и коммутации.
  11. Возможно регулирование нагрузки.
  12. Импульсные ТДС оснащены автоматическими системами защиты от перегрузки.
  13. Возможность использования во взрывоопасных зонах.

Этих преимуществ твердотельных реле не всегда достаточно для нормальной работы. По этой причине они еще не полностью вытеснили электромеханические контакторы.

Температурная зависимость коммутационной способности Ptc

Твердотельные реле также имеют недостатки, которые не позволяют использовать их во многих приложениях.

К недостаткам относятся:

  1. Неспособность работать с большинством оборудования выше 0,5 кВ.
  2. Высокая стоимость.
  3. Чувствительность к высоким токам, особенно в цепях запуска двигателя.
  4. Ограниченное применение во влажной среде.
  5. Критическое ухудшение характеристик при температурах ниже 30°C на морозе и выше 70°C на жаре.
  6. Компактный корпус приводит к чрезмерному нагреву устройства при длительных высоких нагрузках, что требует специальных устройств пассивного или активного охлаждения.
  7. Возможное расплавление устройства из-за нагрева в случае короткого замыкания.
  8. Микротоки в замкнутом состоянии реле могут быть критичными для работы оборудования. Например, люминесцентные лампы, подключенные к электрической сети, могут периодически мигать.

Поэтому твердотельные реле имеют специфическое применение. В цепях высоковольтного промышленного оборудования их применение сильно ограничено из-за несовершенства физических свойств полупроводниковых материалов.

Однако благодаря своим положительным характеристикам твердотельные реле прочно заняли свое место в бытовой технике и автомобильной промышленности.

Возможные схемы электропроводки

Схемы подключения твердотельных реле могут быть самыми разнообразными. Каждый контур проектируется индивидуально в зависимости от подключаемых нагрузок. В цепь могут быть добавлены дополнительные предохранители, контроллеры и регулирующие устройства.

Несколько простых схем подключения реле

Ниже приведены самые простые и наиболее распространенные схемы подключения датчиков RTD:

  • нормально открытый;
  • со связанным контуром;
  • нормально закрытый;
  • трехфазный;
  • обратимый.

Нормально открытая (разомкнутая цепь) – Реле, в котором на нагрузку подается напряжение при наличии управляющего сигнала. Это означает, что подключенное устройство находится в обесточенном состоянии, когда входы 3 и 4 обесточены.

Типы однофазных электрических схем TCP

Нормально замкнутый контур – обозначает реле, в котором нагрузка находится под напряжением при отсутствии управляющего сигнала. Это означает, что подключенное устройство находится в рабочем состоянии, когда входы 3 и 4 обесточены.

Существует схема подключения твердотельного реле, в которой управляющее напряжение и напряжение нагрузки идентичны. Этот тип соединения может использоваться одновременно в цепях постоянного и переменного тока.

Трехфазные реле соединены несколько иначе. Контакты могут быть соединены по схеме “звезда”, “треугольник” или “звезда-нейтраль”.

Варианты подключения для трехфазных нагрузок

Твердотельные реверсивные реле используются в электродвигателях в соответствующем режиме. Они изготавливаются в трехфазном исполнении и содержат две цепи управления.

Реле с двумя цепями управления

Электрические цепи с ТДС следует монтировать только после их вычерчивания на бумаге, так как неправильно подключенные устройства могут выйти из строя из-за короткого замыкания.

Практическое применение устройств

Области применения SSR достаточно широки. Благодаря своей надежности и низкой потребности в обслуживании, они часто устанавливаются в труднодоступных местах.

Подключение датчика температуры в реле

Тем не менее, основными областями применения РСБ являются

  • Система контроля температуры с использованием нагревательных элементов;
  • Поддержание стабильной температуры в технологических процессах;
  • Управление трансформаторами;
  • Управление освещением;
  • Схемы для датчиков движения, освещения, фотосенсоров для уличного освещения и т.д;
  • Управление электродвигателями; .

Твердотельные реле становятся все более распространенными с ростом автоматизации бытовой техники, а достижения в области твердотельных технологий постоянно открывают новые области применения.

При желании вы можете самостоятельно изготовить твердотельное реле. Подробное описание можно найти в этой статье.

Приложения и полезные видео по этой теме

Следующее видео поможет вам лучше понять, как работают твердотельные реле и как их подключать.

Практическая демонстрация простейшего твердотельного реле:

Обзор разновидностей и характеристик твердотельных реле:

Проверьте работу и степень нагрева реле SSR:

Практически любой человек может собрать электрическую цепь, состоящую из твердотельного реле и датчика.

Однако планирование схемы требует базовых знаний в области электротехники, поскольку неправильное подключение может привести к поражению электрическим током или короткому замыканию. Однако если сделать это правильно, то можно получить множество полезных устройств в доме.

Есть ли у вас что добавить или вопросы по подключению и использованию твердотельных реле? Не стесняйтесь комментировать публикации, участвовать в дискуссиях и делиться собственным опытом использования устройств этого типа. В нижней рамке находится контактная форма.

 

 

 

«Июль в Швейцарии» — издательский дом