Твердотельное реле что это такое и как работает

Твердотельное реле

В качестве коммутационных устройств, соединяющих или разъединяющих электрические цепи при изменении входной силы тока, используются различные виды реле.

На смену стандартным электромеханическим устройствам пришли твердотельные реле, обеспечивающие бесконтактную коммутацию силовых цепей управления, малого тока и напряжения.

Полупроводниковые приборы предназначены для установки в системах переменных или постоянных токов.

Что такое твердотельное реле?

Твердотельное реле (ТТР) — это реле, не имеющее подвижного контакта. С точки зрения работы твердотельные реле мало чем отличаются от механических реле с подвижными контактами. Однако твердотельные реле используют полупроводниковые переключающие элементы, такие как тиристоры, симисторы, диоды и транзисторы.

Что представляет собой устройство твердотельного реле

Полупроводниковый блок состоит из следующих элементов:

• входного узла, принимающего управляющий сигнал и передающего команды на переключатели;
• триггерной схемы подключения, отвечающей за передачу входящего сигнала, включенной в комплекс оптической развязки, или располагаемой автономно;
• оптических или гальванических развязок, применяемых для разделения контролирующих и основных цепей переменных токов;
• узла переключения, контролирующего нагрузки приборов и устройств;
• защиты, предохраняющей от перегрузок и коротких замыканий (КЗ);
• предохранителей, предназначенных для отключения защитной цепи;
• выходного узла, представленного парой клемм или контактов, используемого для подключения нагрузок.

Вся конструкция выполнена в виде единого блока, в котором состав элементов может меняться, в зависимости от типа установки.

Силовыми элементами для постоянных токов являются транзисторы различных типов.

Для переменных — применяются сборки на безе тиристоров и симисторов.

Основные элементы устройства твердотельного реле

Твердотельные модели являются более компактными и бесшумными, не имеют движущихся деталей.

Габариты зависят от максимально допустимых нагрузок и способности отводить тепло.

Применение

Твердотельные реле используют для контроля за электронными приборами, оборудованием и автоматическими системами, подключенными к электрической сети мощностью от 20 до 480 Ватт.

Применяются в различных сферах:

• автоматике промышленных процессов;
• различных бытовых установках;
• системах регуляции тепла в ТЭНах;
• в системах регулировки освещения и датчиках движения;
• электронике автомобилей.

Твердотельное реле имеется в холодильниках, чайниках, стиральных машинах, нагревательных ТЭНах, бесперебойных источниках питания.

Области использования твердотельных приборов зависят от их конструктивных особенностей, схем подключения и прочих условий функционирования.

ТТР не нуждаются в постоянном обслуживании, и могут устанавливаться в любые труднодоступные места.

Стоит отметить, что популярность твердотельных устройств возрастает с каждым днем, благодаря повсеместной автоматизации.

Виды реле и классификация

1. По способу монтажа

Выпускаются различные модели ТТР с креплением на опорные поверхности, печатные платы или на DIN-рейки.

Рисунок 3. Прибор для установки на печатную плату.

Для охлаждения твердотельного реле используются специальные радиаторы, устанавливаемые между опорой и блоком.

Для дополнительной защиты от перегрева на поверхность прибора наносится термопаста, для повышения теплоотдачи, за счет увеличения площади соприкосновения.

Существуют модели, предназначенные для крепления шурупами непосредственно к стене.

Для установки в электрощит выпускаются ТТР с креплениями на ДИН-рейку.

Для отвода лишнего тепла твердотельное реле крепится к рейке через кронштейны.

2. По типу переключения коммутируемой сети

• С регулятором «через ноль». Срабатывают при нулевом управляющем напряжении. Предназначены для устройств со слабыми индуктивными, резистивными или емкостными нагрузками.
• Мгновенное. Реле используют при необходимости резкого срабатывания.
• Фазовое. В таких устройствах при смене значения сопротивления меняется мощность на нагрузке. Применяется для регулировки уровня освещения в лампах накаливания, или температуры — в нагревательных полупроводниковых элементах.

3. По типу управления

ТТР могут управляться с помощью:

• Постоянного тока. Его диапазон составляет от 3 и до 32 Вольт.
• Переменного тока. Диапазон переменного тока составляет от 90 и до 250 Вольт. То есть такими реле можно спокойно управлять с помощью сетевого напряжения 220 В.
• С помощью переменного резистора. Значение переме/нного резистора может быть в диапазоне от 400 и до 600 Килоом.

4. По виду рабочего тока

Твердотельные реле могут управляться электрическими цепями с двумя видами тока:

• постоянным;
• переменным.

Коммутации постоянного тока применяют при постоянном напряжении от 3 до 32 вольт.

Большинство работают на переменных токах. Такие приборы отличаются мгновенным срабатыванием, экономичностью и низкой степенью электромагнитных помех. Рабочие напряжения — 90-250 вольт.

5. По количеству подключенных фаз

• Однофазные, работающие в диапазоне 10-100 и 100-500А, устанавливаются в бытовых приборах.
• Трехфазные, 10-120 А, коммутирующее напряжение сразу на трех фазах.

Управление однофазными приборами выполняются посредством аналогового сигнала и переменного резистора.

Устройство трехфазных твердотельных реле предполагает реверсивную работу, обеспечивающую регулирование нескольких электрических цепей управления одновременно.

Трехфазное реле

Чтобы выполнить его правильное присоединение при монтаже оборудования к трехфазному твердотельному реле подключают провода различных цветов.

Конструктивные особенности

Основной элемент твердотельных реле — электронная плата, состоящая из трех главных элементов:

1. Блока управления, обеспечивающего стабильные уровни напряжения, которое на входе составляет от 70 до 220 Вольт.
2. Узла развязки, состоящего из элементов, подающих и принимающих световой сигнал. Между передающими и принимающими элементами расположен прозрачный диэлектрик.
3. Силовых ключей:

• для постоянного тока — на базе транзисторов.
• для переменного — на базе

симисторов или тиристоров.

Внутренние элементы реле.

Устройство должно монтироваться после нагрузки, с последующим заземлением, для предотвращения КЗ.

Схемы подключения твердотельного реле

Электрические схемы строятся в зависимости от особенностей подключения нагрузки. К этим наиболее распространенным схемам относятся:

К наиболее распространенным схемам относятся:

1. Разомкнутая или открытая. При наличии управляющего сигнала реле находится под напряжением. При обесточенных входах приборы находятся в отключенном состоянии.
2. Замкнутая. При отсутствии управляющего сигнала нагрузка реле находится под напряжением. При обесточенных входах подключенные приборы находятся в рабочем состоянии.
3. Трехфазная — контакты соединяются по схеме «Звезда», «Звезда с нейтралью» или «Треугольник».
4. Реверсивная— включают два уровня управления. Изготавливается в трехфазном варианте.

Электрические цепи с твердотельными реле собирают точно по этим схемам, с соблюдением полярности.

Стоит отметить, что неправильное подключение приборов может привести к удару электричеством, выходу из строя из-за КЗ.

Принцип работы

Чтобы понять принцип работы твердотельного реле, нужно знать их конструктивные особенности.

Взаимодействие управляемого и управляющего сигнала обеспечивает гальваническая или оптическая развязка.

Одним из основных элементов ТТР является оптоизолятор, или оптопара в виде светодиода и фоточувствительного устройства, изолирующего вход от выхода.

При прохождении электричества через светодиод, подключенный к входной секции твердотельного реле, он загорается. Фокусируясь через зазор, свет передается на фоточувствительный транзистор или семистор.

Принцип его действия заключается в замыкании и размыкании контактов, передающих напряжение.

Схема всех твердотельных устройств примерно одинаковая. Незначительные отличия в различных моделях совершенно не влияют на его функции.

Работа механизма заключается в замыкании и размыкании контактных клемм, передающих напряжение.

Технические характеристики

При выборе ТТР руководствоваются характеристиками:

• габаритные размеры;
• величина напряжения на входе и выходе;
• перегрузочная способность;
• потребляемая мощность;
• материал изготовления;
• тип монтажа;
• прочность изоляции и пр.

Характеристики ТТР могут отличаться, в зависимости от вида устройства.

Таблица 1. Усредненные характеристики ТТР.

Наименование

Показатель

не больше 7.5 мА

Метод управления в реле для постоянного тока

мгновенно через оптрон

Метод коммутации в реле для переменного тока

при переходе через «ноль»

до 10 номинальных токов в течение 10 мс

2,5 кВ АС в течение 1 минуты

Отличие твердотельных реле от электромагнитных

Электромагнитные модели имеет катушку управления и подвижную контактную группу.

На катушку подается напряжение от кнопочного поста или системы управления.

Протекание тока через катушку, создает электромагнитное поле, притягивающее якорь с контактной группой. Контакты замыкаются.

Основное отличие твердотельных реле — отсутствие катушки управления и подвижной силовой контактной группы.

В зависимости от сферы применения, функции силовой контактной группы выполняют транзисторы, тиристоры, симисторы и другие полупроводниковые ключи.

Стоит отметить, что в связи с отсутствием движущихся деталей, твердотельные реле не подвержены механическому износу.

Рисунок 7. Прибор в разобранном виде.

Достоинства и недостатки

К преимуществам твердотельных моделей относятся:

• отсутствие шума и вибрации;
• компактные размеры;
• широкая сфера применения;
• мгновенная скорость коммутации (тысячные доли миллисекунд);
• отсутствие электромагнитных помех при включении;
• продолжительный ресурс, благодаря отсутствию движущихся деталей;
• постоянность выходного сопротивления в течение всего срока эксплуатации;
• минимальное потребление электрической энергии;
• возможность регулирования нагрузки;
• низкая чувствительность к вибрациям, повышенной влажности, запыленности, воздействию магнитных полей.

Ресурс переключений твердотельных реле в тысячу и более раз выше, чем у электромагнитных аналогов.

При работе таких приборов исключена возможность появления искр при переключении, что позволяет использовать устройства на взрыво- и пожароопасных объектах.

Основные недостатки твердотельных реле:

• нагревание прибора, связанное с высоким сопротивлением в цепи p-n перехода;
• частое ложное срабатывание при скачках напряжения;
• здесь возможны выходы из строя силового ключа, при перегрузках и коротких замыканиях;
• высокая стоимость.

У ТТР имеется ток утечки, из-за которого фазный провод может находиться под напряжением даже при отключенном реле.

Приборы, рассчитаны на работу в условиях постоянного тока, требуют строгого соблюдения полярности при подключении выходных цепей.

Твердотельные реле периодически проверяют на предмет целостности корпуса и изоляции.

Выбор твердотельного реле

Перегрузочные свойства ТТР, коммутирующих ток переменный, значительно выше, чем у приборов, коммутирующих ток постоянный.

Что такое твердотельное реле, назначение, принцип работы

В сфере электротехники набирают популярности устройства, построенные на базе полупроводников и обеспечивающие бесконтактную коммутацию силовых цепей. Одним из таких изделий является твердотельное реле, которое применяется в промышленной сфере и быту.

Что это такое? В каких случаях рекомендуется его использование? О каких конструктивных особенностях важно знать? Как осуществляется подключение и управление устройством? Эти и другие нюансы рассмотрим в статье.

Определение

Твердотельное реле — устройство электронного типа, один из видов реле, в котором нет движущихся элементов. Изделие применяется для подачи тока или разрыва цепи путем внешнего управления (действием небольшого напряжения).

Твердотельное реле (сокращено — ТТР) имеет внутри датчик, реагирующий на подачу управляющего сигнала. Кроме того, в составе изделия имеется твердотельная электроника, в том числе включающая цепочка, способная коммутировать большие I.

Устройство может устанавливаться в цепях переменного и постоянного тока, часто применяется как обычное реле. Главная разница в том, что в ТТР нет механических контактов.

Показания к применению

Твердотельные реле рекомендуются к применению в случаях, когда стандартные устройства не справляются с обязательствами. К примеру, когда в процессе коммутации они плавятся или сгорают.

С помощью ТТР гарантируется надежность цепи и своевременная подача напряжения к нагрузке. В отличие от простых устройств, для ТТР не проблема справиться с нагрузкой индукционного характера.

Кроме того, твердотельное устройство стоит использовать при дефиците места в процессе монтажа и при высоких требованиях надежности цепи.

Где используются?

Твердотельные реле — уникальные устройства, которые после монтажа не требуют особого обслуживания. Здесь работает принцип «установил и забыл». К примеру, в простых моделях очистка контактной группы осуществляется с определенной периодичностью — как правило, через определенное число циклов. Если изделие работает редко, это не вызывает проблем.

Но как быть с аппаратурой, для работы которой требуется частое срабатывание — один раз в секунду или даже чаще? Пример такой техники — станок с клапанами соленоидного типа.

Подача напряжения происходит через реле, которому приходится разрывать до десяти ампер индуктивного I. Если поставить контактное устройство, его замену придется осуществлять раз в 1-2 месяца. Если поставить твердотельный аналог, об этом можно забыть на долгие годы.

Несмотря на надежность работы, ТТР требуют периодического осмотра. Базовые рекомендации в этом вопросе дает производитель изделия. Как правило, речь идет о проверке факта замыкания контактов, целостности корпуса и изоляции.

Виды твердотельных реле

ТТР условно разделяются по двум критериям — принципу действия и конструктивным особенностям. Чтобы упростить классификацию, выделим следующие варианты:

• По виду сигнала управления — переменный или постоянный I.
• По типу основного (коммутируемого) напряжения — постоянное или переменное.
• По числу фаз (для переменного напряжения) — одна, три.
• По наличию реверса — предусмотрен, не предусмотрен.
• По тонкостям конструкции — на ДИН-рейке или на поверхности.

Внутривидовые отличия

Кроме основной классификации, стоит выделить отличия внутри существующих видов ТТР.

Выделяются такие типы:

• ТРЕХФАЗНЫЕ — способны проводить токи величиной 10-120 Ампер одновременно в трех фазах.
• РЕВЕРСИВНЫЕ — устройства, построенные на полупроводниковом принципе, способные работать в схемах с постоянным и переменным током. По назначению и принципу действия они идентичны однофазным. Обязательное условие — наличие управляющей цепи, защищающей устройство от ложного срабатывания. К преимуществам твердотельных трехфазных реле стоит отнести способность работать одновременно по 3-м фазам, а также продолжительный ресурс. Повышенный срок службы объясняется наличием надежной изоляции и продуманной управляющей цепи. В процессе применения твердотельных моделей нет шума, искр, дребезжания при переключениях и других негативных факторов.
• ОДНОФАЗНЫЕ — изделия, обеспечивающие разделение цепи при переходе синусоиды через ноль. ТТР работает в следующем диапазоне — 10-500 А. Управление осуществляется несколькими способами.

В чем особенности?

При создании твердотельного реле удалось исключить появление дуги или искр в процессе замыкания/размыкания контактной группы. В результате срок службы прибора увеличился в несколько раз. Для сравнения лучшие варианты стандартных (контактных) изделий выдерживают до 500 000 коммутаций. В рассматриваемых ТТР такие ограничения отсутствуют.

Стоимость твердотельных реле выше, но простейший расчет показывает выгоду их применения. Это обусловлено следующими факторами — экономией электроэнергии, продолжительным ресурсом работы (надежностью) и наличием управления с помощью микросхем.

Выбор достаточно широк, чтобы подобрать устройство с учетом поставленных задач и текущей стоимости. В продаже имеются как небольшие приборы для установки в бытовых цепях, так и мощные устройства, используемые для управления двигателями.

Как отмечалось ранее, ТТР отличаются по типу коммутируемого напряжения — они могут быть рассчитаны на постоянный или переменный I. Этот нюанс требуется учесть при выборе.

К особенностям твердотельных моделей стоит отнести чувствительность прибора к нагрузочным токам. Чтобы избежать такой проблемы в процессе эксплуатации, важно внимательно подойти к процессу монтажа и установить в цепи ключа защитные устройства.

Кроме того, важно отдавать предпочтение ключам, имеющим рабочий ток в два или три раза превышающий коммутируемую нагрузку. Но и это не все.

Для дополнительной защиты рекомендуется предусмотреть в схеме предохранители или автоматические выключатели (подойдет класс «В»).

Конструктивные особенности

В основе твердотельного реле лежит электронная плата, в состав которой входит три главных элемента — узлы управления и развязки, а также силовой ключ. В роли силовых элементов применяются такие детали:

• Для постоянного I — транзисторы полевого типа, простые транзисторы, модульные элементы класса IGBT, а также MOSFET-транзисторы.
• Для переменного I — сборки на базе тиристоров, а также симисторы.

Развязка цепи обеспечивается оптронами — изделиями, состоящими из излучающего и принимающего свет устройства. Между ними установлен диэлектрик, имеющий прозрачную структуру.

Управляющий узел выполнен в виде стабилизирующей схемы, обеспечивающей оптимальные уровни тока и напряжения для излучающего свет элемента. Напряжение на входе схемы должно быть от 70 до 280 Вольт.

Что касается напряжения нагрузки, его величина — до 480 Вольт. Расположение электроприбора (до или после ТТР) не имеет значения.

Как правило, устройство монтируется после нагрузки с последующим подключением к «земле». При таком варианте схемы удается защитить внутренние элементы от протекания тока КЗ (он потечет через заземляющий провод).

Принцип действия

Зная конструктивные особенности твердотельного реле, легче понять принцип его действия. В приборе взаимодействуют два сигнала — управляющий и управляемый, что обеспечивается благодаря гальванической развязке.

В некоторых моделях ТТР эту функцию берет на себя оптрон. Напряжение, обеспечивающее управление устройством, подается и на светодиод.

Свечение последнего поступает на фотодиод, что приводит к появлению тока, включению МОП или тиристора для управления подключенным аппаратом.

Кроме того, в процессе создания схемы допускается применение специальных оптоэлектронных устройств — опто- и фототиристоров.

Отличия и плюсы твердотельных реле (в сравнении с электромеханическими)

При выборе ТТР у покупателя возникает ряд вопросов — зачем переплачивать за твердотельное реле, в чем его преимущества перед стандартными электромеханическими устройствами. Выделим главные плюсы:

• Небольшие габариты, что исключает проблемы с поиском места для монтажа.
• Отсутствие шума и вибрации. Это важно, если устройство устанавливается в помещениях, где находятся люди.
• Высокая скорость коммутации.
• Продолжительный ресурс, обусловленный отсутствием износа механической и электрической части.
• Постоянное выходное сопротивление, которое не меняется в течение срока эксплуатации. Кроме того, контактные группы не подвержены окислительным процессам.
• Нет резких изменений напряжения в процессе переключения.
• Нет искр, что расширяет сферу применения. Его установка допускается на объектах, где имеются повышенные риски взрывов и появления пожара.
• Низкая чувствительность к внешним факторам, к примеру, появлению магнитных полей, вибрациям, повышенному уровню пыли или магнитным полям.
• Высокий уровень сопротивления между выходом и входом.
• Низкое потребление энергии.
• Большое число коммутаций, которое не ограничивается производителем. В реальности оно достигает 10 9 .

Недостатки

Кроме положительных качеств твердотельных реле, стоит выделить и ряд недостатков:

• В открытом виде происходит нагрев изделия из-за высокого сопротивления в цепи p-n перехода. Чтобы избежать негативных последствий в приборах, пропускающих через себя повышенные токи, требуется предусмотреть охлаждение.
• В закрытом виде сопротивление увеличивается, и появляется обратный ток утечки (измеряется в мА).
• При съеме вольтамперной характеристики заметен ее нелинейный характер.
• Некоторые виды твердотельных реле требуют строго соблюдения полярности при подключении выходных цепей. Это касается тех приборов, которые рассчитаны на работу в условиях постоянного тока.
• В случае поломки высок риск перекрытия контактов на входе. Причиной может стать пробой силового ключа. Для сравнения контакты классических реле (при выходе из строя) остаются в разомкнутом виде.
• Требуется защита от ошибочных срабатываний, вызванных бросками напряжения. Это обусловлено высокой скоростью срабатывания.
• Твердотельные реле пропускают ток по обратному пути с небольшой задержкой, что обусловлено применением полупроводниковых элементов в схеме.

Выбор твердотельного реле

При покупке ТТР стоит учесть ряд особенностей устройства, что поможет сделать правильный выбор. Для сравнения классические устройства способны выдерживать перегрузки, возникающие на небольшое время и не превышающие полутора или двукратного номинального тока.

Если правильно подойти к вопросу эксплуатации, хватит обычной чистки контактов.

В случае с твердотельными реле ситуация обстоит хуже. Если номинальный параметр тока превышен в 1,5 и более раз, прибор можно выбросить. Вот почему при выборе ТТР для питания активной нагрузки стоит брать запас по току в два-четыре крата.

Если изделие планируется применять в цепи пуска АД, этот показатель стоит увеличить в шесть-десять раз. При таком подходе придется переплатить, но зато повышается срок службы подключенного прибора и надежность его работы.

Параметры выбора

Покупая твердотельное реле, стоит обращать внимание на следующие параметры:

• Стоимость — от 100 до 12 тысяч рублей.
• Число фаз — одна или три.
• Предельный ток нагрузки — от 10 до 500 А.
• Коммутируемый уровень напряжения. Здесь возможно четыре диапазона — от 5 до 220 В (постоянный ток), от 24 до 380 В, от 48 до 480 В, от 24 до 480 В. Последние три диапазоны характерны для устройств, работающих на переменном токе.
• Сигнал управления — переменный ток (от 80 до 280 В, от 100 до 280 В), постоянный док (от 3 до 32 В), сопротивление от 0 до 560 кОм (2 Вт), аналоговые сигналы — ток от 4 до 20 мА или напряжение от 0 до 10 В (постоянное напряжение).

Рекомендации по выбору

Чтобы правильно выбрать твердотельное реле, а также быть уверенным в его качественной и надежной работе в течение продолжительного срока службы, важно ориентироваться на следующие аспекты.

СПОСОБЫ КОММУТАЦИИ

Спросом пользуются приборы, в которых управление происходит при переходе через ноль. Плюс метода заключается в том, чтобы исключить помехи, которые создаются в процессе включения.

Минус варианта заключается в прерывании сигнала на выходе и недоступности применения ТТР в цепи с высокоиндуктивной нагрузкой. Главное применение этого тип коммутации подходит для нагрузки резистивного типа.

Кроме того, ТТР используются применительно к слабоиндуктивным и емкостным нагрузкам.

ФАЗОВОЕ УПРАВЛЕНИЕ

Плюс фазовой методики в том, что процесс регулирования проходит плавно и без разрывов. Благодаря этому удается менять напряжение на выходе (корректировать параметр мощности). Минус способа — в появлении помех в момент переключения.

Метод подходит для резистивных схем управления, подразумевающих нагрев, для переменных резистивных и индуктивных нагрузок (ИФ излучателей и трансформаторов соответственно). Сюда же стоит отнести управление освещением (подключение ламп накаливания).

ПАРАМЕТРЫ НАГРУЗКИ (ХАРАКТЕР И ТИП)

При выборе стоит обращать внимание на нагрузочный ток. От него зависит надежность и продолжительность эксплуатации установленного ТТР. Важно, чтобы устройство имело запас по I.

При покупке стоит учесть не только рабочий ток, но и токи, возникающие в процессе пуска и превышающие номинальный параметр в несколько раз. По заявлению производителей ТТР выдерживает десятикратную токовую перегрузку кратковременно — до 10 мс.

Если твердотельное реле устанавливается для подачи напряжения на нагреватель (активный тип нагрузки), I должен превышать номинальный нагрузочный ток на 35-40%.

Если планируется подключение нагрузки, имеющей индуктивный характер (электрический двигатель), стоит учесть пусковые токи, которые в этом случае превышают номинальный на 600-1000 процентов.

Подведем краткие итоги по рекомендуемому току:

• Для ТЭНов — на 30-40% больше I номинального.
• Для АД — 6-10 крат.
• Для лампочек накаливания — 8-12 крат.
• ЭМ реле — 4-10 крат.

НАЛИЧИЕ ОХЛАЖДЕНИЯ

В процессе выбора стоит учесть фактор снижения температуры. Выше отмечалось, что твердотельное реле имеет свойство перегреваться при прохождении больших токов. Лишнее тепло, которое выделяется в процессе работы, отводится на специальные радиаторы охлаждения.

ТТР способно проводить указанный производителем ток в случае, если температура не превышает 40 градусов Цельсия. В случае роста параметра уменьшается способность пропускать I — на 20-25 процентов при нагреве на каждые десять градусов. Следовательно, при нагреве ТТР до 80 градусов Цельсия оно не способно пропускать ток — изделие ломается.

На температуру прибора влияет множество факторов, среди которых место монтажа, сезон, нагрузка, наличие обдува воздухом и другие. Если устройство применяется для подключения мощного оборудования, например, для пуска АД, рекомендуется предусмотреть дополнительное охлаждение.

Для решения этой задачи ставится радиатор с большими габаритами. Для повышения эффективности обдува устанавливается вентилятор.

ЗАЩИТА

Еще один нюанс, который должен быть учтен в процессе покупки твердотельной модели — наличие необходимой защиты. Здесь возможны следующие варианты:

• Встроенная RC-цепочка, обеспечивающая защиту от ошибочного срабатывания в случае применения в цепи с индуктивной нагрузкой.
• Защита от кратковременного скачка напряжения со стороны нагрузки. Для этих целей производители устанавливают варисторы. Последние подбираются с учетом размера коммутируемого U (от 1,6 до 2). Стоит отметить, что современные реле способны выдержать значительное перенапряжение и без использования варисторов. Для таких устройств большие риски несет перегруз по I.
• Защита от токовой перегрузки. Для решения этой задачи применяются предохранители, сделанные на полупроводниковом принципе. Они подбираются с учетом величины тока. Так, I пр. составляет до 30% от номинального тока реле. При этом сам коммутирующий прибор должен иметь достаточный запас. При наличии пусковых токов этот нюанс необходимо брать во внимание. Рассмотренный способ обеспечивает надежную защиту от перегруза. Монтаж в цепи автоматов не имеет смысла, ведь твердотельные реле выдерживают перегруз в течение 10 мс, после чего сгорают. Время срабатывания автоматического выключателя выше.
• Обеспечение надежности работы устройства при небольших нагрузочных токах (равных токам утечки). Для решения этой задачи требуется монтаж шунтирующих резисторов, которые монтируются в параллель к нагрузке.

Надстройки для корректной работы

Если в процессе работы имеет место взаимодействие с индуктивной нагрузкой, возможны проблемы. Вот почему при использовании твердотельных реле в комплексе с трансформаторами, звонками, электрическими катушками и иными подобными приборами требуется параллельное включение R-C цепочки для снижения воздействия противо-ЭДС.

Кроме того, наличие такой цепи снижет суммарную индуктивность подключенного прибора и облегчает работу ТТР.

Защита от коротких замыканий

В случае повреждения изоляции в цели и по другим причинам может возникнуть КЗ. Чтобы избежать повреждения ТТР используются специальные предохранители. Они разработаны для применения в комплексе с твердотельными изделиями.

Их легко распознать по следующим спецификациям:

• gR — вставки плавки, работающие в широком диапазоне I. Они используются для защиты полупроводников. На сегодня это одни из наиболее быстродействующих приборов.
• gS — как и прошлые предохранители, могут работать во всех диапазонах I. Применяются в случае высокой нагрузки, а также для защиты полупроводников.
• aR — вставки плавки, не имеющие ограничений по I работы. Они устанавливаются для защиты полупроводников от КЗ. Недостатком таких изделий является высокая цена. Вот почему многие отдают предпочтение более доступным автоматам B-класса.

Подключение твердотельного реле

Принцип подключения прост. В приборе предусмотрены управляющие входы (на них подается напряжение с четким соблюдением полярности) и выход для подключения нагрузки. Важный момент — качество соединения. Здесь применяется винтовой способ (пайка исключена).

Чтобы избежать повреждения ТТР, важно исключить попадание на контакты пыли, а также посторонних механических элементов. Стоит предусмотреть меры, препятствующие негативному воздействию на кожух прибора (во включенном или отключенном состоянии).

После включения запрещено прикасаться к корпусу, который может быть горячим. Обратите внимание, чтобы ТТР не располагалось вблизи легковозгораемых материалов. Кроме того, в процессе подключения убедитесь, что коммутация выполнена без ошибок.

Если после включения изделие набирает температуру выше 60 градусов Цельсия, установите на него радиатор для охлаждения (причины и особенности этой защитной меры рассмотрены выше).

Если ничего не предпринять, при достижении 80 градусов Цельсия прибор перестанет работать. Управление осуществляется при помощи цепочки с различными вариантами исполнения.

Твердотельные реле серий SSR и TSR

Сегодня в продаже встречаются модели TSR и SSR. Рассмотрим их подробнее.

Особенности

Изделия имеют сопротивление изоляции от 50 Мом и более при проверке мегаомметром на напряжение 500 Вольт. Изоляция на входе и выходе отличается прочностью, равной 2 500 Вольт. Мощность управления небольшая — 12 Вольт*7,5А.

Стоит выделить минимальное излучение ЭМ помех, что гарантируется коммутацией при переходе через ноль, а также высокий параметр перегрузки по I. Допускается превышение номинального I в десять крат на время до одного периода.

Расшифровка

Название изделия имеет следующий вид — SSR (1) — 40 (2) D (3) A (4) — Н (5). Цифры в скобках соответствуют номеру расшифровки:

1. SSR или TSR — твердотельное реле (однофазное или трехфазное соответственно).
2. Нагрузочный I. Цифра соответствует параметру тока. В нашем случае — 40 А.
3. Сигнал на входе. Здесь возможны следующие варианты:
   • L — от 4 до 20 мА (линейное ТТР).
   • D — от 3 до 32 В постоянного I (включения и отключения).
   • V — переменное сопротивление.
   • A — от 80 до 250 Вольт переменного I (включения и отключения).
4. Напряжение на выходе:
   • D — постоянное.
   • A — переменное.
5. Диапазон напряжения на выходе:
   • H — от 90 до 480 Вольт (переменное).
   • Нет — от 24 до 380 Вольт (переменное).

Популярные модели

Выделим популярные модели твердотельных реле для каждой из серий:

• Трехфазные (серии TSR) — TSR-25DA, TSR-40DA, TSR-75DA, TSR-25A, TSR-40AA, TSR-75AA.
• Однофазные (серии SSR) — SSR-10DA, SSR-25DA, SSR-40DA, SSR-50DA, SSR-75DA.
• Однофазные с регулировкой выходного напряжения (SSR серия) — SSR-10VA, SSR-25VA, SSR-40VA
• Линейные однофазные с регулировкой выходного напряжения (SSR-LA серия) — SSR-25LA, SSR-40LA, SSR-50LA, SSR-75LA.
• Однофазные AC-AC и DC-DC типа (SSR серия) — SSR-10AA, SSR-25AA, SSR-40AA, SSR-05DD, SSR-10DD.

Варианты управления мощностью в нагрузке

Сегодня выделяется два основных варианта управления мощностью. Рассмотрим каждый и них подробнее:

1. ФАЗОВОЕ УПРАВЛЕНИЕ . Здесь выходной сигнал по I в нагрузке имеет вид синусоиды. Выходное напряжение устанавливается на уровне 10, 50 и 90 процентов. Преимущества такой схемы очевидны — плавность сигнала на выходе, возможность подключения разных типов нагрузки. Минус — наличие помех в процессе переключения.
2. УПРАВЛЕНИЕ С КОММУТАЦИЕЙ (В ПРОЦЕССЕ ПЕРЕХОДА ЧЕРЕЗ НОЛЬ) . Плюс метода управления в том, что в процессе работы твердотельного реле не создаются помехи, мешающие третьей гармонике в процессе включения. Из недостатков — ограниченность применения. Такая схема управления подходит для емкостной и резистивной нагрузки. Использование ее с высокоиндуктивной нагрузкой не рекомендуется.

Несмотря на более высокую цену, твердотельные реле постепенно вытеснят стандартные устройства с контактами. Это объясняется их надежностью, отсутствием шума, легкостью обслуживания и продолжительным сроком службы.

Имеющие недостатки не оказывают негативного влияния, если правильно подойти к выбору и установке прибора.

Твердотельное реле

Твердотельное реле (ТТР) или в буржуйском варианте Solid State Relay (SSR) — это особый вид реле, которые выполняют те же самые функции, что и электромагнитное реле, н о имеет другую начинку, состоящую из полупроводниковых радиоэлементов, которые имеют своем составе силовые ключи на тиристорах, симисторах или мощных транзисторах.

Виды твердотельных реле

Выглядеть ТТР могут по-разному. Ниже на фото слаботочные реле

Такие релe используются в печатных платах и предназначены для коммутации (переключения) малого тока и напряжения.

На ТТР строят также сразу готовые модули входов-выходов, которые используются в промышленной автоматике

А вот так выглядят реле, используемые в силовой электронике, то есть в электронике, которая коммутирует большую силу тока. Такие реле используется в промышленности в блоках управления станков ЧПУ и других промышленных установках

Слева однофазное реле, справа трехфазное.

Если через коммутируемые контакты силовых реле будет проходить приличный ток, то корпус реле будет очень сильно греться. Поэтому, чтобы реле не перегревались и не выходили из строя, их ставят на радиаторы, которые рассеивают тепло в окружающее пространство.

Твердотельные реле по типу управления

ТТР могут управляться с помощью:

1) Постоянного тока. Его диапазон составляет от 3 и до 32 Вольт.

2) Переменного тока. Диапазон переменного тока составляет от 90 и до 250 Вольт. То есть такими реле можно спокойно управлять с помощью сетевого напряжения 220 В.

3) С помощью переменного резистора. Значение переменного резистора может быть в диапазоне от 400 и до 600 Килоом.

Твердотельные реле по типу переключения

С коммутацией перехода через ноль

Посмотрите внимательно на диаграмму

Такие ТТР на выходе коммутируют переменный ток. Как вы здесь можете заметить, когда мы подаем на вход такого реле постоянное напряжение, у нас коммутация на выходе происходит не сразу, а только тогда, когда переменный ток достигнет нуля. Выключение происходит подобным образом.

Для чего это делается? Для того, чтобы уменьшить влияние помех на нагрузках и уменьшить импульсный бросок тока, который может привести к выходу нагрузки из строя, если тем более нагрузкой будет являться схема на полупроводниковых радиоэлементах.

Схема подключения и внутреннее строение такого ТТР выглядит примерно вот так:

Мгновенного включения

Здесь все намного проще. Такое реле сразу начинает коммутировать нагрузку при появлении на нем управляющего напряжения. На диаграмме видно, что выходное напряжение появилось сразу, как только мы подали управляющее напряжение на вход. Когда мы уже снимаем управляющее напряжение, реле выключается также, как и ТТР с контролем перехода через ноль.

В чем минус данного ТТР? При подаче на вход управляющего напряжения, у нас на выходе могут возникнуть броски тока, а в следствии и электромагнитные помехи. Поэтому, данный тип реле не рекомендуется использовать в радиоэлектронных устройствах, где есть шины передачи данных, так как в этом случае помехи могут существенно помешать передаче информационных сигналов.

Внутреннее строение ТТР и схема подключения нагрузки выглядят примерно вот так:

С фазовым управлением

Здесь все намного проще. Меняя значение сопротивления, мы тем самым меняем мощность на нагрузке.

Примерная схема подключения выглядит вот так:

Работа твердотельного реле

В гостях у нас ТТР фирмы FOTEK:

Давайте разберемся с его обозначениями. Вот небольшая табличка-подсказка для этих типов реле

Давайте еще раз взглянем на наше ТТР

SSR — это значит однофазное твердотельное реле.

40 — это на какую максимальную силу тока она рассчитана. Измеряется в Амперах и в данном случае составляет 40 Ампер.

D — тип управляющего сигнала. От значения Direct Current — что с буржуйского — постоянный ток. Управление ведется постоянным током от 3 и до 32 Вольт. Этого диапазона хватит самому заядлому разработчику радиоэлектронной аппаратуры. Для особо непонятливых даже написано Input, показан диапазон и фазировка напряжения. Как вы видите, на контакт №3 мы подаем «плюс», а на №4 мы подаем «минус».

А — тип коммутируемого напряжения. Alternative current — переменный ток. Цепляемся в этом случае к выводам №1 и №2. Можем коммутировать диапазон от 24 и до 380 Вольт переменного напряжения.

Для опыта нам понадобится лампа накаливания на 220 Вольт и простая вилка со шнуром. Соединяем лампу со шнуром только в одном месте:

В разрыв вставляем наше твердотельное реле

Втыкаем вилку в розетку и…

Нет… не хочет… Чего-то не хватает…

Не хватает управляющего напряжения! Выводим напряжение от Блока питания от 3 и до 32 Вольт постоянного напряжения. В данном случае я взял 5 Вольт. Подаю на управляющие контакты и…

О чудо! Лампочка загорелась! Это значит, что контакт №1 замкнулся с контактом №2. О срабатывании реле нам также говорит и светодиод на корпусе самого реле.

Интересно, какую силу тока потребляют управляющие контакты реле? Итак, имеем на блоке 5 Вольт.

А сила тока получилась 11,7 миллиампер! Можно управлять хоть микроконтроллером!

Твердотельное реле: устройство, принцип работы, схемы подключения

При организации логических схем управления оборудованием в качестве коммутаторов используются различные виды реле. В связи с развитием и совершенствованием полупроводниковых приборов на смену классическим логическим элементам пришло твердотельное реле (ТТР). Для чего используется, как устроен и как функционирует данный вид устройств, мы рассмотрим в данной статье.

Назначение

Сфера применения твердотельного реле достаточно обширна и охватывает самые разнообразные отрасли промышленности и народного хозяйства. Их используют в таких системах, где по условиям эксплуатации можно исключить периодический контроль состояния коммутатора. Твердотельные приборы устанавливаются в оборудовании с частыми коммутациями, где классические подвижные контакты не справляются с работой и перегорают. Или в таких электроустановках, где недопустимо искрообразование при разрывании или замыкании цепи контактной группой.

Помимо этого твердотельные реле характеризуются малыми габаритами, что делает их весьма привлекательной альтернативой для слаботочного оборудования. Они применяются в электронике и бытовых устройствах, а также труднодоступных местах, где после ввода прибора в работу отсутствует возможность технического обслуживания.

Основными направлениями, в которых вы часто встретите твердотельное реле, являются:

• нагревательные электроприборы с ТЭНами, спиралями для контроля температуры нагревания;
• контроль температурных режимов в технологических процессов;
• отслеживание рабочих режимов силовых трансформаторов;
• регулировка степени освещенности или включение освещения в зависимости от времени суток;
• применение в качестве датчика движения;
• включение и отключения электродвигателей, переключение различных режимов их работы;
• в качестве электронных ключей силовых и слаботочных электроустановок;
• как коммутаторы станочного оборудования, в котором нужна высокая частота срабатывания;
• для переключения позиций в источниках бесперебойного питания.

Стоит отметить, что повсеместная автоматизация технологических процессов все чаще задействует твердотельное реле в качестве коммутационного устройства.

Устройство

Конструктивно твердотельное реле представляет собой расширенный вариант полупроводникового ключа. В состав устройства входят резисторы, транзисторы, симисторы или тиристоры, которые и лежат в основе их работы. За счет того, что вся конструкция имеет монолитную структуру – единый блок, реле и получило название твердотельного.

Рис. 1. Устройство твердотельного реле

Условно все устройство можно разделить на несколько блоков:

• Входной узел – используется для подачи управляющего сигнала. В состав узла входит токоограничивающий резистор и устройство для передачи сигнала на коммутирующий элемент.
• Триггерный узел – применяется для обработки получаемых сигналов. Как правило, является частью линии оптической развязки, но может устанавливаться и отдельно от нее.
• Узел оптической развязки – осуществляет гальваническое разделение основного участка и контролирующего. Является неотъемлемой составляющей реле переменного тока. От конструктивных особенностей этого узла напрямую зависит принцип действия коммутатора.
• Цепь коммутации – производит включение и отключение линии питания нагрузки. Функционирует по принципу запирания и отпирания p-n перехода, поэтому классического переключения в твердотельных реле не происходит.
• Цепи защиты – осуществляют устранение помех, защищают твердотельное реле от перегрузок и токов коротких замыканий. По месту расположения бывают внутренней и внешней установки.
• Выходной узел – используется для подключения нагрузки, как правило, представлен парой контактов или клемм.

Следует отметить, что в зависимости от типа твердотельного реле, состав основных блоков может существенно отличаться. Поэтому определенные модели могут обходиться без некоторых из вышеперечисленных узлов.

Принцип работы

В зависимости от вида твердотельного реле, может отличаться и принцип его действия. В основе работы лежит два сигнала – управляющий и управляемый, которые могут генерироваться и передаваться различным способом. Поэтому в качестве примера мы рассмотрим одну из разновидностей данного устройства, функционирующего посредством оптрона.

Рис. 2. Принцип действия твердотельного реле

Оптрон, в соответствии с п.1.1 ГОСТ 29283-92 осуществляет генерацию электромагнитных или световых импульсов с определенными параметрами. В соответствии с которым и происходит взаимодействие его компонентов. Конструктивно оптрон представляет собой оптическую пару – светодиод и фотодиод, установленные в разных блоках твердотельного реле.

При подаче питания на входной узел твердотельного реле начнется протекание тока через цепь светодиода. В результате чего световое излучение попадет на фотодиод. При достижении световым потоком заданной интенсивности, фотодиод установит рабочие параметры для цепи нагрузки и произведет коммутацию нагрузки.

Отличия от электромеханических реле

Рис. 3. Отличия между электромеханическим и твердотельным реле

Если рассматривать основные отличия, то они заключаются в принципе реализации логических операций. Так, в соответствии с п. 3.1.1 ГОСТ IEC 61810-7-2013 под электромеханическим реле следует понимать такое устройство, в котором операции производятся за счет движения механических элементов. В частности, на катушку индуктивности подается управляющий импульс, который создает достаточный электромагнитный поток для перемещения сердечника. Механически сердечник соединяется с контактной группой, которая замыкается и размыкается в зависимости от управляющего сигнала.

Твердотельное реле, в свою очередь, не имеет подвижных частей, а изменение логического состояния производится путем перевода полупроводникового элемента из открытого состояния в закрытое, и, наоборот. Поэтому основным отличием от электромеханических моделей является отсутствие подвижных контактов.

Технические характеристики

При выборе конкретной модели для замены вышедшего со строя твердотельного реле или для установки в новом оборудовании необходимо руководствоваться основными характеристиками прибора.

К основным параметрам относятся:

• Класс и величина напряжения на входе и выходе устройства;
• Сопротивление твердотельного элемента или потребляемая мощность;
• Ток срабатывания – определяет рабочие параметры перехода из одного логического состояния в другое;
• Перегрузочная способность – кратная величина номинальному току;
• Электрическая прочность изоляции;
• Тип монтажа – наличие крепежных деталей или пайка на выводы;
• Материал, из которого изготовлено реле;
• Габаритные размеры;
• Наличие дополнительных функций.

Все характеристики твердотельных реле будут отличаться в зависимости от вида конкретного устройства.

Разделение по видам обуславливается как рабочими параметрами некоторых устройств, так и сферой их применения. Поэтому, классификация твердотельных реле осуществляется по нескольким факторам, определяющим тот или иной параметр.

Так, все логические элементы, в зависимости от рода тока, подразделяются на две группы – реле постоянного и переменного тока. Первые отличаются высокой надежностью и отлично справляются с поставленными задачами, как при низких, так и при высоких температурах. Второй вид обладает высокой скоростью срабатывания.

В зависимости от количества подключаемых фаз все твердотельные реле подразделяются на однофазные и трехфазные. Первый вид обеспечивает питание однофазной нагрузки или устройств постоянного тока. Трехфазные, в большинстве случаев, используются для питания электродвигателей, но встречаются коммутаторы и для других типов оборудования.

Рис. 4. Трехфазные и однофазные твердотельные реле

По типу управления различают следующие виды:

• Фазовое – плавно изменяет напряжение на выходе в процентном соотношении;
• Мгновенное – производит переключение мгновенно;
• При переходе через 0 – переключение осуществляется только при достижении синусоидой нулевого значения.

В зависимости от пропускаемой нагрузки, все устройства могут подразделяться на слаботочные и силовые. Первые устанавливаются в цепи управления, вторые используются для питания мощного бытового и промышленного оборудования.

Схемы подключения

На практике существует несколько вариантов подключения твердотельного реле к цепи питания и управления. Так, в зависимости от величины и рода питающего напряжения выделяют схему постоянного и переменного тока:

Рис. 5. Схема подключения твердотельного реле на 230 В

Как видите, здесь от фазного и нейтрального проводника напряжение подается и на цепь управления (выводы 3 и 4), и к нагрузке. Через выводы 1 и 2 фазный проводник устанавливается в коммутацию твердотельного реле для питания потребителя. Включение и отключение производится путем замыкания контактной группы К1 в цепи управления.

Еще один вариант схемы – управление нагрузкой посредством низковольтного сигнала:

Рис. 6. Питание твердотельного реле низким напряжением

В таком случае напряжение сети изначально подается на блок питание, где оно преобразуется и понижается. А затем через контакты К1 поступает в цепь управления твердотельного реле на выводы 3 и 4. Питание нагрузки происходит по тому же принципу, что и в предыдущем случае.

Помимо этого схемы подключения твердотельных реле подразделяются на две категории – нормально открытые и нормально закрытые. Первый вариант подразумевает такой принцип действия, когда подача напряжения на цепь управления подает напряжение к нагрузке.

Рис. 7. Нормально открытая схема твердотельного реле

Второй вариант схемы при подаче напряжения в цепь управления отключает питание нагрузки.

Рис. 8. Нормально закрытая схема твердотельного реле

Помимо этого существует трехфазная схема питания для соответствующего типа нагрузки:

Рис. 9. Трехфазная схема подключения твердотельного реле

Как видите на схеме, здесь используется трехфазное твердотельное реле. Для цепи управления используется пониженное напряжение, подаваемое от преобразователя. Линия трехфазного питания подключается к выводам A1, B1, C1, а трехфазный электродвигатель к выводам A2, B2, C2.

Достоинства и недостатки

Данный вид логических элементов характеризуется рядом плюсов и минусов в эксплуатации. К основным преимуществам твердотельных реле относятся:

• Длительный срок эксплуатации в сравнении с электромеханическими моделями;
• Может выполнять значительно больше коммутаций до наработки на отказ;
• Бесшумность в работе;
• Небольшой размер и вес;
• Отсутствует механический износ контактной группы из-за их отсутствия;
• Возможность установки в пожароопасных и взрывоопасных зонах за счет отсутствия искр в процессе коммутации;
• Может работать без скачков напряжения и тока, чем в значительной мере нивелирует переходные процессы;
• Внутреннее сопротивление практически не меняется в процессе эксплуатации;
• Практически невосприимчивы к воздействию вибрации, оседанию пыли, электромагнитным полям.

Но, вместе с тем, твердотельные реле обладают и некоторыми недостатками. Существенной проблемой является нелинейная вольтамперная характеристика. В отключенном состоянии сопротивление p-n хоть и большое, но не бесконечное, чем обуславливаются токи утечки. Во включенном состоянии сопротивление полупроводника обуславливает нагрев твердотельного элемента и необходимость его принудительного охлаждения в силовых реле.

Также к недостаткам относят необходимость принятия мер против ошибочного срабатывания. При пробое твердотельные реле часто остаются во включенном состоянии, что создает опасность для оборудования и эксплуатационного персонала. За счет наличия p-n перехода пропускание тока в обратном направлении происходит не мгновенно. Одной из наибольших проблем является перегрузка, из-за которой реле мгновенно выходит со строя.

Твердотельное реле: устройство, принцип работы, схемы подключения

При организации логических схем управления оборудованием в качестве коммутаторов используются различные виды реле. В связи с развитием и совершенствованием полупроводниковых приборов на смену классическим логическим элементам пришло твердотельное реле (ТТР). Для чего используется, как устроен и как функционирует данный вид устройств, мы рассмотрим в данной статье.

Назначение

Сфера применения твердотельного реле достаточно обширна и охватывает самые разнообразные отрасли промышленности и народного хозяйства. Их используют в таких системах, где по условиям эксплуатации можно исключить периодический контроль состояния коммутатора. Твердотельные приборы устанавливаются в оборудовании с частыми коммутациями, где классические подвижные контакты не справляются с работой и перегорают. Или в таких электроустановках, где недопустимо искрообразование при разрывании или замыкании цепи контактной группой.

Помимо этого твердотельные реле характеризуются малыми габаритами, что делает их весьма привлекательной альтернативой для слаботочного оборудования. Они применяются в электронике и бытовых устройствах, а также труднодоступных местах, где после ввода прибора в работу отсутствует возможность технического обслуживания.

Основными направлениями, в которых вы часто встретите твердотельное реле, являются:

• нагревательные электроприборы с ТЭНами, спиралями для контроля температуры нагревания;
• контроль температурных режимов в технологических процессов;
• отслеживание рабочих режимов силовых трансформаторов;
• регулировка степени освещенности или включение освещения в зависимости от времени суток;
• применение в качестве датчика движения;
• включение и отключения электродвигателей, переключение различных режимов их работы;
• в качестве электронных ключей силовых и слаботочных электроустановок;
• как коммутаторы станочного оборудования, в котором нужна высокая частота срабатывания;
• для переключения позиций в источниках бесперебойного питания.

Стоит отметить, что повсеместная автоматизация технологических процессов все чаще задействует твердотельное реле в качестве коммутационного устройства.

Устройство

Конструктивно твердотельное реле представляет собой расширенный вариант полупроводникового ключа. В состав устройства входят резисторы, транзисторы, симисторы или тиристоры, которые и лежат в основе их работы. За счет того, что вся конструкция имеет монолитную структуру – единый блок, реле и получило название твердотельного.

Рис. 1. Устройство твердотельного реле

Условно все устройство можно разделить на несколько блоков:

• Входной узел – используется для подачи управляющего сигнала. В состав узла входит токоограничивающий резистор и устройство для передачи сигнала на коммутирующий элемент.
• Триггерный узел – применяется для обработки получаемых сигналов. Как правило, является частью линии оптической развязки, но может устанавливаться и отдельно от нее.
• Узел оптической развязки – осуществляет гальваническое разделение основного участка и контролирующего. Является неотъемлемой составляющей реле переменного тока. От конструктивных особенностей этого узла напрямую зависит принцип действия коммутатора.
• Цепь коммутации – производит включение и отключение линии питания нагрузки. Функционирует по принципу запирания и отпирания p-n перехода, поэтому классического переключения в твердотельных реле не происходит.
• Цепи защиты – осуществляют устранение помех, защищают твердотельное реле от перегрузок и токов коротких замыканий. По месту расположения бывают внутренней и внешней установки.
• Выходной узел – используется для подключения нагрузки, как правило, представлен парой контактов или клемм.

Следует отметить, что в зависимости от типа твердотельного реле, состав основных блоков может существенно отличаться. Поэтому определенные модели могут обходиться без некоторых из вышеперечисленных узлов.

Принцип работы

В зависимости от вида твердотельного реле, может отличаться и принцип его действия. В основе работы лежит два сигнала – управляющий и управляемый, которые могут генерироваться и передаваться различным способом. Поэтому в качестве примера мы рассмотрим одну из разновидностей данного устройства, функционирующего посредством оптрона.

Рис. 2. Принцип действия твердотельного реле

Оптрон, в соответствии с п.1.1 ГОСТ 29283-92 осуществляет генерацию электромагнитных или световых импульсов с определенными параметрами. В соответствии с которым и происходит взаимодействие его компонентов. Конструктивно оптрон представляет собой оптическую пару – светодиод и фотодиод, установленные в разных блоках твердотельного реле.

При подаче питания на входной узел твердотельного реле начнется протекание тока через цепь светодиода. В результате чего световое излучение попадет на фотодиод. При достижении световым потоком заданной интенсивности, фотодиод установит рабочие параметры для цепи нагрузки и произведет коммутацию нагрузки.

Отличия от электромеханических реле

Рис. 3. Отличия между электромеханическим и твердотельным реле

Если рассматривать основные отличия, то они заключаются в принципе реализации логических операций. Так, в соответствии с п. 3.1.1 ГОСТ IEC 61810-7-2013 под электромеханическим реле следует понимать такое устройство, в котором операции производятся за счет движения механических элементов. В частности, на катушку индуктивности подается управляющий импульс, который создает достаточный электромагнитный поток для перемещения сердечника. Механически сердечник соединяется с контактной группой, которая замыкается и размыкается в зависимости от управляющего сигнала.

Твердотельное реле, в свою очередь, не имеет подвижных частей, а изменение логического состояния производится путем перевода полупроводникового элемента из открытого состояния в закрытое, и, наоборот. Поэтому основным отличием от электромеханических моделей является отсутствие подвижных контактов.

Технические характеристики

При выборе конкретной модели для замены вышедшего со строя твердотельного реле или для установки в новом оборудовании необходимо руководствоваться основными характеристиками прибора.

К основным параметрам относятся:

• Класс и величина напряжения на входе и выходе устройства;
• Сопротивление твердотельного элемента или потребляемая мощность;
• Ток срабатывания – определяет рабочие параметры перехода из одного логического состояния в другое;
• Перегрузочная способность – кратная величина номинальному току;
• Электрическая прочность изоляции;
• Тип монтажа – наличие крепежных деталей или пайка на выводы;
• Материал, из которого изготовлено реле;
• Габаритные размеры;
• Наличие дополнительных функций.

Все характеристики твердотельных реле будут отличаться в зависимости от вида конкретного устройства.

Разделение по видам обуславливается как рабочими параметрами некоторых устройств, так и сферой их применения. Поэтому, классификация твердотельных реле осуществляется по нескольким факторам, определяющим тот или иной параметр.

Так, все логические элементы, в зависимости от рода тока, подразделяются на две группы – реле постоянного и переменного тока. Первые отличаются высокой надежностью и отлично справляются с поставленными задачами, как при низких, так и при высоких температурах. Второй вид обладает высокой скоростью срабатывания.

В зависимости от количества подключаемых фаз все твердотельные реле подразделяются на однофазные и трехфазные. Первый вид обеспечивает питание однофазной нагрузки или устройств постоянного тока. Трехфазные, в большинстве случаев, используются для питания электродвигателей, но встречаются коммутаторы и для других типов оборудования.

Рис. 4. Трехфазные и однофазные твердотельные реле

По типу управления различают следующие виды:

• Фазовое – плавно изменяет напряжение на выходе в процентном соотношении;
• Мгновенное – производит переключение мгновенно;
• При переходе через 0 – переключение осуществляется только при достижении синусоидой нулевого значения.

В зависимости от пропускаемой нагрузки, все устройства могут подразделяться на слаботочные и силовые. Первые устанавливаются в цепи управления, вторые используются для питания мощного бытового и промышленного оборудования.

Схемы подключения

На практике существует несколько вариантов подключения твердотельного реле к цепи питания и управления. Так, в зависимости от величины и рода питающего напряжения выделяют схему постоянного и переменного тока:

Рис. 5. Схема подключения твердотельного реле на 230 В

Как видите, здесь от фазного и нейтрального проводника напряжение подается и на цепь управления (выводы 3 и 4), и к нагрузке. Через выводы 1 и 2 фазный проводник устанавливается в коммутацию твердотельного реле для питания потребителя. Включение и отключение производится путем замыкания контактной группы К1 в цепи управления.

Еще один вариант схемы – управление нагрузкой посредством низковольтного сигнала:

Рис. 6. Питание твердотельного реле низким напряжением

В таком случае напряжение сети изначально подается на блок питание, где оно преобразуется и понижается. А затем через контакты К1 поступает в цепь управления твердотельного реле на выводы 3 и 4. Питание нагрузки происходит по тому же принципу, что и в предыдущем случае.

Помимо этого схемы подключения твердотельных реле подразделяются на две категории – нормально открытые и нормально закрытые. Первый вариант подразумевает такой принцип действия, когда подача напряжения на цепь управления подает напряжение к нагрузке.

Рис. 7. Нормально открытая схема твердотельного реле

Второй вариант схемы при подаче напряжения в цепь управления отключает питание нагрузки.

Рис. 8. Нормально закрытая схема твердотельного реле

Помимо этого существует трехфазная схема питания для соответствующего типа нагрузки:

Рис. 9. Трехфазная схема подключения твердотельного реле

Как видите на схеме, здесь используется трехфазное твердотельное реле. Для цепи управления используется пониженное напряжение, подаваемое от преобразователя. Линия трехфазного питания подключается к выводам A1, B1, C1, а трехфазный электродвигатель к выводам A2, B2, C2.

Достоинства и недостатки

Данный вид логических элементов характеризуется рядом плюсов и минусов в эксплуатации. К основным преимуществам твердотельных реле относятся:

• Длительный срок эксплуатации в сравнении с электромеханическими моделями;
• Может выполнять значительно больше коммутаций до наработки на отказ;
• Бесшумность в работе;
• Небольшой размер и вес;
• Отсутствует механический износ контактной группы из-за их отсутствия;
• Возможность установки в пожароопасных и взрывоопасных зонах за счет отсутствия искр в процессе коммутации;
• Может работать без скачков напряжения и тока, чем в значительной мере нивелирует переходные процессы;
• Внутреннее сопротивление практически не меняется в процессе эксплуатации;
• Практически невосприимчивы к воздействию вибрации, оседанию пыли, электромагнитным полям.

Но, вместе с тем, твердотельные реле обладают и некоторыми недостатками. Существенной проблемой является нелинейная вольтамперная характеристика. В отключенном состоянии сопротивление p-n хоть и большое, но не бесконечное, чем обуславливаются токи утечки. Во включенном состоянии сопротивление полупроводника обуславливает нагрев твердотельного элемента и необходимость его принудительного охлаждения в силовых реле.

Также к недостаткам относят необходимость принятия мер против ошибочного срабатывания. При пробое твердотельные реле часто остаются во включенном состоянии, что создает опасность для оборудования и эксплуатационного персонала. За счет наличия p-n перехода пропускание тока в обратном направлении происходит не мгновенно. Одной из наибольших проблем является перегрузка, из-за которой реле мгновенно выходит со строя.

Твердотельное реле

В качестве коммутационных устройств, соединяющих или разъединяющих электрические цепи при изменении входной силы тока, используются различные виды реле.

На смену стандартным электромеханическим устройствам пришли твердотельные реле, обеспечивающие бесконтактную коммутацию силовых цепей управления, малого тока и напряжения.

Полупроводниковые приборы предназначены для установки в системах переменных или постоянных токов.

Что такое твердотельное реле?

Твердотельное реле (ТТР) — это реле, не имеющее подвижного контакта. С точки зрения работы твердотельные реле мало чем отличаются от механических реле с подвижными контактами. Однако твердотельные реле используют полупроводниковые переключающие элементы, такие как тиристоры, симисторы, диоды и транзисторы.

Что представляет собой устройство твердотельного реле

Полупроводниковый блок состоит из следующих элементов:

• входного узла, принимающего управляющий сигнал и передающего команды на переключатели;
• триггерной схемы подключения, отвечающей за передачу входящего сигнала, включенной в комплекс оптической развязки, или располагаемой автономно;
• оптических или гальванических развязок, применяемых для разделения контролирующих и основных цепей переменных токов;
• узла переключения, контролирующего нагрузки приборов и устройств;
• защиты, предохраняющей от перегрузок и коротких замыканий (КЗ);
• предохранителей, предназначенных для отключения защитной цепи;
• выходного узла, представленного парой клемм или контактов, используемого для подключения нагрузок.

Вся конструкция выполнена в виде единого блока, в котором состав элементов может меняться, в зависимости от типа установки.

Силовыми элементами для постоянных токов являются транзисторы различных типов.

Для переменных — применяются сборки на безе тиристоров и симисторов.

Основные элементы устройства твердотельного реле

Твердотельные модели являются более компактными и бесшумными, не имеют движущихся деталей.

Габариты зависят от максимально допустимых нагрузок и способности отводить тепло.

Применение

Твердотельные реле используют для контроля за электронными приборами, оборудованием и автоматическими системами, подключенными к электрической сети мощностью от 20 до 480 Ватт.

Применяются в различных сферах:

• автоматике промышленных процессов;
• различных бытовых установках;
• системах регуляции тепла в ТЭНах;
• в системах регулировки освещения и датчиках движения;
• электронике автомобилей.

Твердотельное реле имеется в холодильниках, чайниках, стиральных машинах, нагревательных ТЭНах, бесперебойных источниках питания.

Области использования твердотельных приборов зависят от их конструктивных особенностей, схем подключения и прочих условий функционирования.

ТТР не нуждаются в постоянном обслуживании, и могут устанавливаться в любые труднодоступные места.

Стоит отметить, что популярность твердотельных устройств возрастает с каждым днем, благодаря повсеместной автоматизации.

Виды реле и классификация

1. По способу монтажа

Выпускаются различные модели ТТР с креплением на опорные поверхности, печатные платы или на DIN-рейки.

Рисунок 3. Прибор для установки на печатную плату.

Для охлаждения твердотельного реле используются специальные радиаторы, устанавливаемые между опорой и блоком.

Для дополнительной защиты от перегрева на поверхность прибора наносится термопаста, для повышения теплоотдачи, за счет увеличения площади соприкосновения.

Существуют модели, предназначенные для крепления шурупами непосредственно к стене.

Для установки в электрощит выпускаются ТТР с креплениями на ДИН-рейку.

Для отвода лишнего тепла твердотельное реле крепится к рейке через кронштейны.

2. По типу переключения коммутируемой сети

• С регулятором «через ноль». Срабатывают при нулевом управляющем напряжении. Предназначены для устройств со слабыми индуктивными, резистивными или емкостными нагрузками.
• Мгновенное. Реле используют при необходимости резкого срабатывания.
• Фазовое. В таких устройствах при смене значения сопротивления меняется мощность на нагрузке. Применяется для регулировки уровня освещения в лампах накаливания, или температуры — в нагревательных полупроводниковых элементах.

3. По типу управления

ТТР могут управляться с помощью:

• Постоянного тока. Его диапазон составляет от 3 и до 32 Вольт.
• Переменного тока. Диапазон переменного тока составляет от 90 и до 250 Вольт. То есть такими реле можно спокойно управлять с помощью сетевого напряжения 220 В.
• С помощью переменного резистора. Значение переме/нного резистора может быть в диапазоне от 400 и до 600 Килоом.

4. По виду рабочего тока

Твердотельные реле могут управляться электрическими цепями с двумя видами тока:

• постоянным;
• переменным.

Коммутации постоянного тока применяют при постоянном напряжении от 3 до 32 вольт.

Большинство работают на переменных токах. Такие приборы отличаются мгновенным срабатыванием, экономичностью и низкой степенью электромагнитных помех. Рабочие напряжения — 90-250 вольт.

5. По количеству подключенных фаз

• Однофазные, работающие в диапазоне 10-100 и 100-500А, устанавливаются в бытовых приборах.
• Трехфазные, 10-120 А, коммутирующее напряжение сразу на трех фазах.

Управление однофазными приборами выполняются посредством аналогового сигнала и переменного резистора.

Устройство трехфазных твердотельных реле предполагает реверсивную работу, обеспечивающую регулирование нескольких электрических цепей управления одновременно.

Трехфазное реле

Чтобы выполнить его правильное присоединение при монтаже оборудования к трехфазному твердотельному реле подключают провода различных цветов.

Конструктивные особенности

Основной элемент твердотельных реле — электронная плата, состоящая из трех главных элементов:

1. Блока управления, обеспечивающего стабильные уровни напряжения, которое на входе составляет от 70 до 220 Вольт.
2. Узла развязки, состоящего из элементов, подающих и принимающих световой сигнал. Между передающими и принимающими элементами расположен прозрачный диэлектрик.
3. Силовых ключей:

• для постоянного тока — на базе транзисторов.
• для переменного — на базе

симисторов или тиристоров.

Внутренние элементы реле.

Устройство должно монтироваться после нагрузки, с последующим заземлением, для предотвращения КЗ.

Схемы подключения твердотельного реле

Электрические схемы строятся в зависимости от особенностей подключения нагрузки. К этим наиболее распространенным схемам относятся:

К наиболее распространенным схемам относятся:

1. Разомкнутая или открытая. При наличии управляющего сигнала реле находится под напряжением. При обесточенных входах приборы находятся в отключенном состоянии.
2. Замкнутая. При отсутствии управляющего сигнала нагрузка реле находится под напряжением. При обесточенных входах подключенные приборы находятся в рабочем состоянии.
3. Трехфазная — контакты соединяются по схеме «Звезда», «Звезда с нейтралью» или «Треугольник».
4. Реверсивная— включают два уровня управления. Изготавливается в трехфазном варианте.

Электрические цепи с твердотельными реле собирают точно по этим схемам, с соблюдением полярности.

Стоит отметить, что неправильное подключение приборов может привести к удару электричеством, выходу из строя из-за КЗ.

Принцип работы

Чтобы понять принцип работы твердотельного реле, нужно знать их конструктивные особенности.

Взаимодействие управляемого и управляющего сигнала обеспечивает гальваническая или оптическая развязка.

Одним из основных элементов ТТР является оптоизолятор, или оптопара в виде светодиода и фоточувствительного устройства, изолирующего вход от выхода.

При прохождении электричества через светодиод, подключенный к входной секции твердотельного реле, он загорается. Фокусируясь через зазор, свет передается на фоточувствительный транзистор или семистор.

Принцип его действия заключается в замыкании и размыкании контактов, передающих напряжение.

Схема всех твердотельных устройств примерно одинаковая. Незначительные отличия в различных моделях совершенно не влияют на его функции.

Работа механизма заключается в замыкании и размыкании контактных клемм, передающих напряжение.

Технические характеристики

При выборе ТТР руководствоваются характеристиками:

• габаритные размеры;
• величина напряжения на входе и выходе;
• перегрузочная способность;
• потребляемая мощность;
• материал изготовления;
• тип монтажа;
• прочность изоляции и пр.

Характеристики ТТР могут отличаться, в зависимости от вида устройства.

Таблица 1. Усредненные характеристики ТТР.

Наименование

Показатель

не больше 7.5 мА

Метод управления в реле для постоянного тока

мгновенно через оптрон

Метод коммутации в реле для переменного тока

при переходе через «ноль»

до 10 номинальных токов в течение 10 мс

2,5 кВ АС в течение 1 минуты

Отличие твердотельных реле от электромагнитных

Электромагнитные модели имеет катушку управления и подвижную контактную группу.

На катушку подается напряжение от кнопочного поста или системы управления.

Протекание тока через катушку, создает электромагнитное поле, притягивающее якорь с контактной группой. Контакты замыкаются.

Основное отличие твердотельных реле — отсутствие катушки управления и подвижной силовой контактной группы.

В зависимости от сферы применения, функции силовой контактной группы выполняют транзисторы, тиристоры, симисторы и другие полупроводниковые ключи.

Стоит отметить, что в связи с отсутствием движущихся деталей, твердотельные реле не подвержены механическому износу.

Рисунок 7. Прибор в разобранном виде.

Достоинства и недостатки

К преимуществам твердотельных моделей относятся:

• отсутствие шума и вибрации;
• компактные размеры;
• широкая сфера применения;
• мгновенная скорость коммутации (тысячные доли миллисекунд);
• отсутствие электромагнитных помех при включении;
• продолжительный ресурс, благодаря отсутствию движущихся деталей;
• постоянность выходного сопротивления в течение всего срока эксплуатации;
• минимальное потребление электрической энергии;
• возможность регулирования нагрузки;
• низкая чувствительность к вибрациям, повышенной влажности, запыленности, воздействию магнитных полей.

Ресурс переключений твердотельных реле в тысячу и более раз выше, чем у электромагнитных аналогов.

При работе таких приборов исключена возможность появления искр при переключении, что позволяет использовать устройства на взрыво- и пожароопасных объектах.

Основные недостатки твердотельных реле:

• нагревание прибора, связанное с высоким сопротивлением в цепи p-n перехода;
• частое ложное срабатывание при скачках напряжения;
• здесь возможны выходы из строя силового ключа, при перегрузках и коротких замыканиях;
• высокая стоимость.

У ТТР имеется ток утечки, из-за которого фазный провод может находиться под напряжением даже при отключенном реле.

Приборы, рассчитаны на работу в условиях постоянного тока, требуют строгого соблюдения полярности при подключении выходных цепей.

Твердотельные реле периодически проверяют на предмет целостности корпуса и изоляции.

Выбор твердотельного реле

Перегрузочные свойства ТТР, коммутирующих ток переменный, значительно выше, чем у приборов, коммутирующих ток постоянный.

Что такое твердотельное реле, назначение, принцип работы

В сфере электротехники набирают популярности устройства, построенные на базе полупроводников и обеспечивающие бесконтактную коммутацию силовых цепей. Одним из таких изделий является твердотельное реле, которое применяется в промышленной сфере и быту.

Что это такое? В каких случаях рекомендуется его использование? О каких конструктивных особенностях важно знать? Как осуществляется подключение и управление устройством? Эти и другие нюансы рассмотрим в статье.

Определение

Твердотельное реле — устройство электронного типа, один из видов реле, в котором нет движущихся элементов. Изделие применяется для подачи тока или разрыва цепи путем внешнего управления (действием небольшого напряжения).

Твердотельное реле (сокращено — ТТР) имеет внутри датчик, реагирующий на подачу управляющего сигнала. Кроме того, в составе изделия имеется твердотельная электроника, в том числе включающая цепочка, способная коммутировать большие I.

Устройство может устанавливаться в цепях переменного и постоянного тока, часто применяется как обычное реле. Главная разница в том, что в ТТР нет механических контактов.

Показания к применению

Твердотельные реле рекомендуются к применению в случаях, когда стандартные устройства не справляются с обязательствами. К примеру, когда в процессе коммутации они плавятся или сгорают.

С помощью ТТР гарантируется надежность цепи и своевременная подача напряжения к нагрузке. В отличие от простых устройств, для ТТР не проблема справиться с нагрузкой индукционного характера.

Кроме того, твердотельное устройство стоит использовать при дефиците места в процессе монтажа и при высоких требованиях надежности цепи.

Где используются?

Твердотельные реле — уникальные устройства, которые после монтажа не требуют особого обслуживания. Здесь работает принцип «установил и забыл». К примеру, в простых моделях очистка контактной группы осуществляется с определенной периодичностью — как правило, через определенное число циклов. Если изделие работает редко, это не вызывает проблем.

Но как быть с аппаратурой, для работы которой требуется частое срабатывание — один раз в секунду или даже чаще? Пример такой техники — станок с клапанами соленоидного типа.

Подача напряжения происходит через реле, которому приходится разрывать до десяти ампер индуктивного I. Если поставить контактное устройство, его замену придется осуществлять раз в 1-2 месяца. Если поставить твердотельный аналог, об этом можно забыть на долгие годы.

Несмотря на надежность работы, ТТР требуют периодического осмотра. Базовые рекомендации в этом вопросе дает производитель изделия. Как правило, речь идет о проверке факта замыкания контактов, целостности корпуса и изоляции.

Виды твердотельных реле

ТТР условно разделяются по двум критериям — принципу действия и конструктивным особенностям. Чтобы упростить классификацию, выделим следующие варианты:

• По виду сигнала управления — переменный или постоянный I.
• По типу основного (коммутируемого) напряжения — постоянное или переменное.
• По числу фаз (для переменного напряжения) — одна, три.
• По наличию реверса — предусмотрен, не предусмотрен.
• По тонкостям конструкции — на ДИН-рейке или на поверхности.

Внутривидовые отличия

Кроме основной классификации, стоит выделить отличия внутри существующих видов ТТР.

Выделяются такие типы:

• ТРЕХФАЗНЫЕ — способны проводить токи величиной 10-120 Ампер одновременно в трех фазах.
• РЕВЕРСИВНЫЕ — устройства, построенные на полупроводниковом принципе, способные работать в схемах с постоянным и переменным током. По назначению и принципу действия они идентичны однофазным. Обязательное условие — наличие управляющей цепи, защищающей устройство от ложного срабатывания. К преимуществам твердотельных трехфазных реле стоит отнести способность работать одновременно по 3-м фазам, а также продолжительный ресурс. Повышенный срок службы объясняется наличием надежной изоляции и продуманной управляющей цепи. В процессе применения твердотельных моделей нет шума, искр, дребезжания при переключениях и других негативных факторов.
• ОДНОФАЗНЫЕ — изделия, обеспечивающие разделение цепи при переходе синусоиды через ноль. ТТР работает в следующем диапазоне — 10-500 А. Управление осуществляется несколькими способами.

В чем особенности?

При создании твердотельного реле удалось исключить появление дуги или искр в процессе замыкания/размыкания контактной группы. В результате срок службы прибора увеличился в несколько раз. Для сравнения лучшие варианты стандартных (контактных) изделий выдерживают до 500 000 коммутаций. В рассматриваемых ТТР такие ограничения отсутствуют.

Стоимость твердотельных реле выше, но простейший расчет показывает выгоду их применения. Это обусловлено следующими факторами — экономией электроэнергии, продолжительным ресурсом работы (надежностью) и наличием управления с помощью микросхем.

Выбор достаточно широк, чтобы подобрать устройство с учетом поставленных задач и текущей стоимости. В продаже имеются как небольшие приборы для установки в бытовых цепях, так и мощные устройства, используемые для управления двигателями.

Как отмечалось ранее, ТТР отличаются по типу коммутируемого напряжения — они могут быть рассчитаны на постоянный или переменный I. Этот нюанс требуется учесть при выборе.

К особенностям твердотельных моделей стоит отнести чувствительность прибора к нагрузочным токам. Чтобы избежать такой проблемы в процессе эксплуатации, важно внимательно подойти к процессу монтажа и установить в цепи ключа защитные устройства.

Кроме того, важно отдавать предпочтение ключам, имеющим рабочий ток в два или три раза превышающий коммутируемую нагрузку. Но и это не все.

Для дополнительной защиты рекомендуется предусмотреть в схеме предохранители или автоматические выключатели (подойдет класс «В»).

Конструктивные особенности

В основе твердотельного реле лежит электронная плата, в состав которой входит три главных элемента — узлы управления и развязки, а также силовой ключ. В роли силовых элементов применяются такие детали:

• Для постоянного I — транзисторы полевого типа, простые транзисторы, модульные элементы класса IGBT, а также MOSFET-транзисторы.
• Для переменного I — сборки на базе тиристоров, а также симисторы.

Развязка цепи обеспечивается оптронами — изделиями, состоящими из излучающего и принимающего свет устройства. Между ними установлен диэлектрик, имеющий прозрачную структуру.

Управляющий узел выполнен в виде стабилизирующей схемы, обеспечивающей оптимальные уровни тока и напряжения для излучающего свет элемента. Напряжение на входе схемы должно быть от 70 до 280 Вольт.

Что касается напряжения нагрузки, его величина — до 480 Вольт. Расположение электроприбора (до или после ТТР) не имеет значения.

Как правило, устройство монтируется после нагрузки с последующим подключением к «земле». При таком варианте схемы удается защитить внутренние элементы от протекания тока КЗ (он потечет через заземляющий провод).

Принцип действия

Зная конструктивные особенности твердотельного реле, легче понять принцип его действия. В приборе взаимодействуют два сигнала — управляющий и управляемый, что обеспечивается благодаря гальванической развязке.

В некоторых моделях ТТР эту функцию берет на себя оптрон. Напряжение, обеспечивающее управление устройством, подается и на светодиод.

Свечение последнего поступает на фотодиод, что приводит к появлению тока, включению МОП или тиристора для управления подключенным аппаратом.

Кроме того, в процессе создания схемы допускается применение специальных оптоэлектронных устройств — опто- и фототиристоров.

Отличия и плюсы твердотельных реле (в сравнении с электромеханическими)

При выборе ТТР у покупателя возникает ряд вопросов — зачем переплачивать за твердотельное реле, в чем его преимущества перед стандартными электромеханическими устройствами. Выделим главные плюсы:

• Небольшие габариты, что исключает проблемы с поиском места для монтажа.
• Отсутствие шума и вибрации. Это важно, если устройство устанавливается в помещениях, где находятся люди.
• Высокая скорость коммутации.
• Продолжительный ресурс, обусловленный отсутствием износа механической и электрической части.
• Постоянное выходное сопротивление, которое не меняется в течение срока эксплуатации. Кроме того, контактные группы не подвержены окислительным процессам.
• Нет резких изменений напряжения в процессе переключения.
• Нет искр, что расширяет сферу применения. Его установка допускается на объектах, где имеются повышенные риски взрывов и появления пожара.
• Низкая чувствительность к внешним факторам, к примеру, появлению магнитных полей, вибрациям, повышенному уровню пыли или магнитным полям.
• Высокий уровень сопротивления между выходом и входом.
• Низкое потребление энергии.
• Большое число коммутаций, которое не ограничивается производителем. В реальности оно достигает 10 9 .

Недостатки

Кроме положительных качеств твердотельных реле, стоит выделить и ряд недостатков:

• В открытом виде происходит нагрев изделия из-за высокого сопротивления в цепи p-n перехода. Чтобы избежать негативных последствий в приборах, пропускающих через себя повышенные токи, требуется предусмотреть охлаждение.
• В закрытом виде сопротивление увеличивается, и появляется обратный ток утечки (измеряется в мА).
• При съеме вольтамперной характеристики заметен ее нелинейный характер.
• Некоторые виды твердотельных реле требуют строго соблюдения полярности при подключении выходных цепей. Это касается тех приборов, которые рассчитаны на работу в условиях постоянного тока.
• В случае поломки высок риск перекрытия контактов на входе. Причиной может стать пробой силового ключа. Для сравнения контакты классических реле (при выходе из строя) остаются в разомкнутом виде.
• Требуется защита от ошибочных срабатываний, вызванных бросками напряжения. Это обусловлено высокой скоростью срабатывания.
• Твердотельные реле пропускают ток по обратному пути с небольшой задержкой, что обусловлено применением полупроводниковых элементов в схеме.

Выбор твердотельного реле

При покупке ТТР стоит учесть ряд особенностей устройства, что поможет сделать правильный выбор. Для сравнения классические устройства способны выдерживать перегрузки, возникающие на небольшое время и не превышающие полутора или двукратного номинального тока.

Если правильно подойти к вопросу эксплуатации, хватит обычной чистки контактов.

В случае с твердотельными реле ситуация обстоит хуже. Если номинальный параметр тока превышен в 1,5 и более раз, прибор можно выбросить. Вот почему при выборе ТТР для питания активной нагрузки стоит брать запас по току в два-четыре крата.

Если изделие планируется применять в цепи пуска АД, этот показатель стоит увеличить в шесть-десять раз. При таком подходе придется переплатить, но зато повышается срок службы подключенного прибора и надежность его работы.

Параметры выбора

Покупая твердотельное реле, стоит обращать внимание на следующие параметры:

• Стоимость — от 100 до 12 тысяч рублей.
• Число фаз — одна или три.
• Предельный ток нагрузки — от 10 до 500 А.
• Коммутируемый уровень напряжения. Здесь возможно четыре диапазона — от 5 до 220 В (постоянный ток), от 24 до 380 В, от 48 до 480 В, от 24 до 480 В. Последние три диапазоны характерны для устройств, работающих на переменном токе.
• Сигнал управления — переменный ток (от 80 до 280 В, от 100 до 280 В), постоянный док (от 3 до 32 В), сопротивление от 0 до 560 кОм (2 Вт), аналоговые сигналы — ток от 4 до 20 мА или напряжение от 0 до 10 В (постоянное напряжение).

Рекомендации по выбору

Чтобы правильно выбрать твердотельное реле, а также быть уверенным в его качественной и надежной работе в течение продолжительного срока службы, важно ориентироваться на следующие аспекты.

СПОСОБЫ КОММУТАЦИИ

Спросом пользуются приборы, в которых управление происходит при переходе через ноль. Плюс метода заключается в том, чтобы исключить помехи, которые создаются в процессе включения.

Минус варианта заключается в прерывании сигнала на выходе и недоступности применения ТТР в цепи с высокоиндуктивной нагрузкой. Главное применение этого тип коммутации подходит для нагрузки резистивного типа.

Кроме того, ТТР используются применительно к слабоиндуктивным и емкостным нагрузкам.

ФАЗОВОЕ УПРАВЛЕНИЕ

Плюс фазовой методики в том, что процесс регулирования проходит плавно и без разрывов. Благодаря этому удается менять напряжение на выходе (корректировать параметр мощности). Минус способа — в появлении помех в момент переключения.

Метод подходит для резистивных схем управления, подразумевающих нагрев, для переменных резистивных и индуктивных нагрузок (ИФ излучателей и трансформаторов соответственно). Сюда же стоит отнести управление освещением (подключение ламп накаливания).

ПАРАМЕТРЫ НАГРУЗКИ (ХАРАКТЕР И ТИП)

При выборе стоит обращать внимание на нагрузочный ток. От него зависит надежность и продолжительность эксплуатации установленного ТТР. Важно, чтобы устройство имело запас по I.

При покупке стоит учесть не только рабочий ток, но и токи, возникающие в процессе пуска и превышающие номинальный параметр в несколько раз. По заявлению производителей ТТР выдерживает десятикратную токовую перегрузку кратковременно — до 10 мс.

Если твердотельное реле устанавливается для подачи напряжения на нагреватель (активный тип нагрузки), I должен превышать номинальный нагрузочный ток на 35-40%.

Если планируется подключение нагрузки, имеющей индуктивный характер (электрический двигатель), стоит учесть пусковые токи, которые в этом случае превышают номинальный на 600-1000 процентов.

Подведем краткие итоги по рекомендуемому току:

• Для ТЭНов — на 30-40% больше I номинального.
• Для АД — 6-10 крат.
• Для лампочек накаливания — 8-12 крат.
• ЭМ реле — 4-10 крат.

НАЛИЧИЕ ОХЛАЖДЕНИЯ

В процессе выбора стоит учесть фактор снижения температуры. Выше отмечалось, что твердотельное реле имеет свойство перегреваться при прохождении больших токов. Лишнее тепло, которое выделяется в процессе работы, отводится на специальные радиаторы охлаждения.

ТТР способно проводить указанный производителем ток в случае, если температура не превышает 40 градусов Цельсия. В случае роста параметра уменьшается способность пропускать I — на 20-25 процентов при нагреве на каждые десять градусов. Следовательно, при нагреве ТТР до 80 градусов Цельсия оно не способно пропускать ток — изделие ломается.

На температуру прибора влияет множество факторов, среди которых место монтажа, сезон, нагрузка, наличие обдува воздухом и другие. Если устройство применяется для подключения мощного оборудования, например, для пуска АД, рекомендуется предусмотреть дополнительное охлаждение.

Для решения этой задачи ставится радиатор с большими габаритами. Для повышения эффективности обдува устанавливается вентилятор.

ЗАЩИТА

Еще один нюанс, который должен быть учтен в процессе покупки твердотельной модели — наличие необходимой защиты. Здесь возможны следующие варианты:

• Встроенная RC-цепочка, обеспечивающая защиту от ошибочного срабатывания в случае применения в цепи с индуктивной нагрузкой.
• Защита от кратковременного скачка напряжения со стороны нагрузки. Для этих целей производители устанавливают варисторы. Последние подбираются с учетом размера коммутируемого U (от 1,6 до 2). Стоит отметить, что современные реле способны выдержать значительное перенапряжение и без использования варисторов. Для таких устройств большие риски несет перегруз по I.
• Защита от токовой перегрузки. Для решения этой задачи применяются предохранители, сделанные на полупроводниковом принципе. Они подбираются с учетом величины тока. Так, I пр. составляет до 30% от номинального тока реле. При этом сам коммутирующий прибор должен иметь достаточный запас. При наличии пусковых токов этот нюанс необходимо брать во внимание. Рассмотренный способ обеспечивает надежную защиту от перегруза. Монтаж в цепи автоматов не имеет смысла, ведь твердотельные реле выдерживают перегруз в течение 10 мс, после чего сгорают. Время срабатывания автоматического выключателя выше.
• Обеспечение надежности работы устройства при небольших нагрузочных токах (равных токам утечки). Для решения этой задачи требуется монтаж шунтирующих резисторов, которые монтируются в параллель к нагрузке.

Надстройки для корректной работы

Если в процессе работы имеет место взаимодействие с индуктивной нагрузкой, возможны проблемы. Вот почему при использовании твердотельных реле в комплексе с трансформаторами, звонками, электрическими катушками и иными подобными приборами требуется параллельное включение R-C цепочки для снижения воздействия противо-ЭДС.

Кроме того, наличие такой цепи снижет суммарную индуктивность подключенного прибора и облегчает работу ТТР.

Защита от коротких замыканий

В случае повреждения изоляции в цели и по другим причинам может возникнуть КЗ. Чтобы избежать повреждения ТТР используются специальные предохранители. Они разработаны для применения в комплексе с твердотельными изделиями.

Их легко распознать по следующим спецификациям:

• gR — вставки плавки, работающие в широком диапазоне I. Они используются для защиты полупроводников. На сегодня это одни из наиболее быстродействующих приборов.
• gS — как и прошлые предохранители, могут работать во всех диапазонах I. Применяются в случае высокой нагрузки, а также для защиты полупроводников.
• aR — вставки плавки, не имеющие ограничений по I работы. Они устанавливаются для защиты полупроводников от КЗ. Недостатком таких изделий является высокая цена. Вот почему многие отдают предпочтение более доступным автоматам B-класса.

Подключение твердотельного реле

Принцип подключения прост. В приборе предусмотрены управляющие входы (на них подается напряжение с четким соблюдением полярности) и выход для подключения нагрузки. Важный момент — качество соединения. Здесь применяется винтовой способ (пайка исключена).

Чтобы избежать повреждения ТТР, важно исключить попадание на контакты пыли, а также посторонних механических элементов. Стоит предусмотреть меры, препятствующие негативному воздействию на кожух прибора (во включенном или отключенном состоянии).

После включения запрещено прикасаться к корпусу, который может быть горячим. Обратите внимание, чтобы ТТР не располагалось вблизи легковозгораемых материалов. Кроме того, в процессе подключения убедитесь, что коммутация выполнена без ошибок.

Если после включения изделие набирает температуру выше 60 градусов Цельсия, установите на него радиатор для охлаждения (причины и особенности этой защитной меры рассмотрены выше).

Если ничего не предпринять, при достижении 80 градусов Цельсия прибор перестанет работать. Управление осуществляется при помощи цепочки с различными вариантами исполнения.

Твердотельные реле серий SSR и TSR

Сегодня в продаже встречаются модели TSR и SSR. Рассмотрим их подробнее.

Особенности

Изделия имеют сопротивление изоляции от 50 Мом и более при проверке мегаомметром на напряжение 500 Вольт. Изоляция на входе и выходе отличается прочностью, равной 2 500 Вольт. Мощность управления небольшая — 12 Вольт*7,5А.

Стоит выделить минимальное излучение ЭМ помех, что гарантируется коммутацией при переходе через ноль, а также высокий параметр перегрузки по I. Допускается превышение номинального I в десять крат на время до одного периода.

Расшифровка

Название изделия имеет следующий вид — SSR (1) — 40 (2) D (3) A (4) — Н (5). Цифры в скобках соответствуют номеру расшифровки:

1. SSR или TSR — твердотельное реле (однофазное или трехфазное соответственно).
2. Нагрузочный I. Цифра соответствует параметру тока. В нашем случае — 40 А.
3. Сигнал на входе. Здесь возможны следующие варианты:
   • L — от 4 до 20 мА (линейное ТТР).
   • D — от 3 до 32 В постоянного I (включения и отключения).
   • V — переменное сопротивление.
   • A — от 80 до 250 Вольт переменного I (включения и отключения).
4. Напряжение на выходе:
   • D — постоянное.
   • A — переменное.
5. Диапазон напряжения на выходе:
   • H — от 90 до 480 Вольт (переменное).
   • Нет — от 24 до 380 Вольт (переменное).

Популярные модели

Выделим популярные модели твердотельных реле для каждой из серий:

• Трехфазные (серии TSR) — TSR-25DA, TSR-40DA, TSR-75DA, TSR-25A, TSR-40AA, TSR-75AA.
• Однофазные (серии SSR) — SSR-10DA, SSR-25DA, SSR-40DA, SSR-50DA, SSR-75DA.
• Однофазные с регулировкой выходного напряжения (SSR серия) — SSR-10VA, SSR-25VA, SSR-40VA
• Линейные однофазные с регулировкой выходного напряжения (SSR-LA серия) — SSR-25LA, SSR-40LA, SSR-50LA, SSR-75LA.
• Однофазные AC-AC и DC-DC типа (SSR серия) — SSR-10AA, SSR-25AA, SSR-40AA, SSR-05DD, SSR-10DD.

Варианты управления мощностью в нагрузке

Сегодня выделяется два основных варианта управления мощностью. Рассмотрим каждый и них подробнее:

1. ФАЗОВОЕ УПРАВЛЕНИЕ . Здесь выходной сигнал по I в нагрузке имеет вид синусоиды. Выходное напряжение устанавливается на уровне 10, 50 и 90 процентов. Преимущества такой схемы очевидны — плавность сигнала на выходе, возможность подключения разных типов нагрузки. Минус — наличие помех в процессе переключения.
2. УПРАВЛЕНИЕ С КОММУТАЦИЕЙ (В ПРОЦЕССЕ ПЕРЕХОДА ЧЕРЕЗ НОЛЬ) . Плюс метода управления в том, что в процессе работы твердотельного реле не создаются помехи, мешающие третьей гармонике в процессе включения. Из недостатков — ограниченность применения. Такая схема управления подходит для емкостной и резистивной нагрузки. Использование ее с высокоиндуктивной нагрузкой не рекомендуется.

Несмотря на более высокую цену, твердотельные реле постепенно вытеснят стандартные устройства с контактами. Это объясняется их надежностью, отсутствием шума, легкостью обслуживания и продолжительным сроком службы.

Имеющие недостатки не оказывают негативного влияния, если правильно подойти к выбору и установке прибора.

Твердотельное реле

Твердотельное реле (ТТР) или в буржуйском варианте Solid State Relay (SSR) — это особый вид реле, которые выполняют те же самые функции, что и электромагнитное реле, н о имеет другую начинку, состоящую из полупроводниковых радиоэлементов, которые имеют своем составе силовые ключи на тиристорах, симисторах или мощных транзисторах.

Виды твердотельных реле

Выглядеть ТТР могут по-разному. Ниже на фото слаботочные реле

Такие релe используются в печатных платах и предназначены для коммутации (переключения) малого тока и напряжения.

На ТТР строят также сразу готовые модули входов-выходов, которые используются в промышленной автоматике

А вот так выглядят реле, используемые в силовой электронике, то есть в электронике, которая коммутирует большую силу тока. Такие реле используется в промышленности в блоках управления станков ЧПУ и других промышленных установках

Слева однофазное реле, справа трехфазное.

Если через коммутируемые контакты силовых реле будет проходить приличный ток, то корпус реле будет очень сильно греться. Поэтому, чтобы реле не перегревались и не выходили из строя, их ставят на радиаторы, которые рассеивают тепло в окружающее пространство.

Твердотельные реле по типу управления

ТТР могут управляться с помощью:

1) Постоянного тока. Его диапазон составляет от 3 и до 32 Вольт.

2) Переменного тока. Диапазон переменного тока составляет от 90 и до 250 Вольт. То есть такими реле можно спокойно управлять с помощью сетевого напряжения 220 В.

3) С помощью переменного резистора. Значение переменного резистора может быть в диапазоне от 400 и до 600 Килоом.

Твердотельные реле по типу переключения

С коммутацией перехода через ноль

Посмотрите внимательно на диаграмму

Такие ТТР на выходе коммутируют переменный ток. Как вы здесь можете заметить, когда мы подаем на вход такого реле постоянное напряжение, у нас коммутация на выходе происходит не сразу, а только тогда, когда переменный ток достигнет нуля. Выключение происходит подобным образом.

Для чего это делается? Для того, чтобы уменьшить влияние помех на нагрузках и уменьшить импульсный бросок тока, который может привести к выходу нагрузки из строя, если тем более нагрузкой будет являться схема на полупроводниковых радиоэлементах.

Схема подключения и внутреннее строение такого ТТР выглядит примерно вот так:

Мгновенного включения

Здесь все намного проще. Такое реле сразу начинает коммутировать нагрузку при появлении на нем управляющего напряжения. На диаграмме видно, что выходное напряжение появилось сразу, как только мы подали управляющее напряжение на вход. Когда мы уже снимаем управляющее напряжение, реле выключается также, как и ТТР с контролем перехода через ноль.

В чем минус данного ТТР? При подаче на вход управляющего напряжения, у нас на выходе могут возникнуть броски тока, а в следствии и электромагнитные помехи. Поэтому, данный тип реле не рекомендуется использовать в радиоэлектронных устройствах, где есть шины передачи данных, так как в этом случае помехи могут существенно помешать передаче информационных сигналов.

Внутреннее строение ТТР и схема подключения нагрузки выглядят примерно вот так:

С фазовым управлением

Здесь все намного проще. Меняя значение сопротивления, мы тем самым меняем мощность на нагрузке.

Примерная схема подключения выглядит вот так:

Работа твердотельного реле

В гостях у нас ТТР фирмы FOTEK:

Давайте разберемся с его обозначениями. Вот небольшая табличка-подсказка для этих типов реле

Давайте еще раз взглянем на наше ТТР

SSR — это значит однофазное твердотельное реле.

40 — это на какую максимальную силу тока она рассчитана. Измеряется в Амперах и в данном случае составляет 40 Ампер.

D — тип управляющего сигнала. От значения Direct Current — что с буржуйского — постоянный ток. Управление ведется постоянным током от 3 и до 32 Вольт. Этого диапазона хватит самому заядлому разработчику радиоэлектронной аппаратуры. Для особо непонятливых даже написано Input, показан диапазон и фазировка напряжения. Как вы видите, на контакт №3 мы подаем «плюс», а на №4 мы подаем «минус».

А — тип коммутируемого напряжения. Alternative current — переменный ток. Цепляемся в этом случае к выводам №1 и №2. Можем коммутировать диапазон от 24 и до 380 Вольт переменного напряжения.

Для опыта нам понадобится лампа накаливания на 220 Вольт и простая вилка со шнуром. Соединяем лампу со шнуром только в одном месте:

В разрыв вставляем наше твердотельное реле

Втыкаем вилку в розетку и…

Нет… не хочет… Чего-то не хватает…

Не хватает управляющего напряжения! Выводим напряжение от Блока питания от 3 и до 32 Вольт постоянного напряжения. В данном случае я взял 5 Вольт. Подаю на управляющие контакты и…

О чудо! Лампочка загорелась! Это значит, что контакт №1 замкнулся с контактом №2. О срабатывании реле нам также говорит и светодиод на корпусе самого реле.

Интересно, какую силу тока потребляют управляющие контакты реле? Итак, имеем на блоке 5 Вольт.

А сила тока получилась 11,7 миллиампер! Можно управлять хоть микроконтроллером!