Твердотельное реле: устройство, принцип работы, виды, схемы подключения

Содержание

Классификация твердотельных реле

Сферы применения реле разнообразны, поэтому и их конструктивные особенности могут сильно отличаться, в зависимости от потребностей конкретной автоматической схемы. Классифицируют ТТР по количеству подключенных фаз, виду рабочего тока, конструктивным особенностям и типу схемы управления.

По количеству подключенных фаз

Твердотельные реле используются как в составе домашних приборов, так и в промышленной автоматике с рабочим напряжением 380 В.

Поэтому эти полупроводниковые устройства, в зависимости от количества фаз, разделяются на:

однофазные;
трехфазные.

Однофазные ТТР позволяют работать с токами 10-100 или 100-500 А. Их управление производится с помощью аналогового сигнала.

К трехфазному реле рекомендуется подключать провода различных цветов, чтобы при монтаже оборудования можно было правильно их присоединить

Трехфазные твердотельные реле способны пропускать ток в диапазоне 10-120 А. Их устройство предполагает реверсивный принцип функционирования, который обеспечивает надежность регуляции одновременно нескольких электрических цепей.

Часто трехфазные ТТР используются для обеспечения работы асинхронного двигателя. В его электросхему управления обязательно включаются быстрые предохранители из-за высоких пусковых токов.

По виду рабочего тока

Твердотельные реле нельзя настроить или перепрограммировать, поэтому они могут нормально работать только при определенном диапазоне электропараметров сети.

В зависимости от потребностей ТТР могут управляться электроцепями с двумя видами тока:

постоянным;
переменным.

Аналогично можно классифицировать ТТР и по виду напряжения активной нагрузки. Большинство реле в бытовых приборах работают с переменными параметрами.

Постоянный ток не используется в качестве основного источника электроэнергии ни в одной стране мира, поэтому реле такого типа имеют узкую сферу применения

Устройства с постоянным управляющим током характеризуются высокой надежностью и используют для регуляции напряжение 3-32 В. Они выдерживают широкий диапазон температур (-30..+70°С) без значительного изменения характеристик.

Реле, регулирующиеся переменным током, имеют управляющее напряжение 3-32 В или 70-280 В. Они отличаются низкими электромагнитными помехами и высокой скоростью срабатывания.

По конструктивным особенностям

Твердотельные реле часто устанавливают в общий электрощит квартиры, поэтому многие модели имеют монтажную колодку для крепления на DIN-рейку.

Кроме того, существуют специальные радиаторы, располагающиеся между ТТР и опорной поверхностью. Они позволяют охлаждать прибор при высоких нагрузках, сохраняя его рабочие характеристики.

Реле крепиться на DIN-рейку преимущественно через специальный кронштейн, который имеет и дополнительную функцию – отводит излишки тепла при работе прибора

Между реле и радиатором рекомендуется наносить слой термопасты, который увеличивает площадь соприкосновения и увеличивает теплоотдачу. Существуют и ТТР, предназначенные для крепления к стене обычными шурупами.

По типу схемы управления

Не всегда принцип работы регулируемой реле техники требует его мгновенного срабатывания.

Поэтому производители разработали несколько схем управления ТТР, которые используются в различных сферах:

Контроль «через ноль». Такой вариант управления твердотельным реле предполагает срабатывание только при значении напряжения, равном 0. Используется в устройствах с емкостной, резистивной (нагреватели) и слабой индуктивной (трансформаторы) нагрузкой.
Мгновенное. Используется при необходимости резкого срабатывания реле при подаче управляющего сигнала.
Фазовое. Предполагает регулирование выходного напряжения методом изменения параметров управляющего тока. Применяется для плавного изменения степени нагрева или освещения.

Твердотельные реле различаются и по многим другим, менее значимым, параметрам

Поэтому при покупке ТТР важно разобраться в схеме работы подключаемой техники, чтобы приобрести максимально соответствующее ей регулировочное устройство

Обязательно должен быть предусмотрен запас мощности, потому что реле имеет эксплуатационный ресурс, который быстро расходуется при частых перегрузках.

Устройство твердотельного реле

Современные твердотельные реле (ТТР) представляют собой модульные полупроводниковые приборы, являющиеся силовыми электропереключателями.

Ключевые рабочие узлы этих устройств представлены симисторами, тиристорами или транзисторами. ТТР не имеют подвижных частей, чем отличаются от электромеханических реле.

Размер твердотельного реле во многом зависит от максимально допустимой нагрузки и возможности отводить тепло путем теплопередачи и конвекции (+)

Внутреннее устройство этих приборов может сильно различаться в зависимости типа регулируемой нагрузки и электрической схемы.

Простейшие твердотельные реле включают такие узлы:

входной узел с предохранителями;
триггерная цепь;
оптическая (гальваническая) развязка;
переключающий узел;
защитные цепи;
узел выхода на нагрузку.

Входной узел ТТР представляет собой первичную цепь с последовательно подключенным резистором. Предохранитель в эту цепь встраивается опционально. Задача узла входа – принятие управляющего сигнала и передача команды на коммутирующие нагрузку переключатели.

При переменном токе для разделения контролирующей и основной цепи применяют гальваническую развязку. От её устройства во многом зависит принцип работы реле. Ответственная за обработку входного сигнала триггерная цепь может включаться в узел оптической развязки или располагаться отдельно.

Защитный узел препятствует возникновению перегрузок и ошибок, ведь в случае поломки прибора может выйти из строя и подключенная техника.

Основное предназначение твердотельных реле – замыкание/размыкание электрической сети с помощью слабого управляющего сигнала. В отличие от электромеханических аналогов, они имеют более компактную форму и не производят в процессе работы характерных щелчков.

Принцип работы твердотельного реле

Рис. №3. Схема работы с использованием твердотельного реле. В положении выключено, когда на входе наблюдается 0 В, твердотельное реле не дает пройти току через нагрузку. В положение включено, на входе есть напряжение, ток идет через нагрузку.

Основные элементы регулируемой входной цепи переменного напряжения.

Регулятор тока служит для поддержки неизменного значения тока.
Двухполупериодный мост и конденсаторы на входе в устройство служат для преобразования сигнала переменного тока в постоянный.
Встроенный оптрон оптической развязки, на него подается питающее напряжение и через него протекает входной ток.
Тригерная цепь служит для управления эмиссией света встроенного оптрона, в случае прекращения подачи входного сигнала ток прекратит свое протекание через выход.
Резисторы, расположенные в схеме последовательно.

В твердотельных реле используется два распространенных типа оптических развязок – семистор и транзистор.

Симистор обладает следующими преимуществами: включение в состав развязки тригерной цепи и ее защищенность от помех. К недостаткам следует отнести дороговизну и необходимость больших величин тока на входе в устройство, необходимого для переключения выхода.

Рис. №4. Схема реле с семистором.

Тиристор — не нуждается в наличии большого значения тока для переключения выхода. Недостаток – нахождение триггерной цепи вне развязки, а значит большее число элементов и слабая защита от помех.

Рис. №5. Схема реле с тиристором.

Рис. №6. Внешний вид и расположение элементов в конструкции твердотельного реле с транзисторным управлением.

Принцип работы твердотельного реле типа SCR полупериодного управления

При прохождении тока через реле исключительно в одном направлении величина мощности снижается почти на 50%. Для предотвращения этого явления используют два параллельно подключенных SCR, расположенные на выходе (катод соединяется анодом другого).

Рис. №7. Схема принципа работы полупериодного управления SCR

Типы коммутирования твердотельных реле

Управление коммутационными действиями при переходе тока через ноль.

Рис. №8. Коммутация реле при переходе тока через ноль.

Используется для резистивной нагрузки в системах управления и контролирования нагревательных устройств. Использование в слабоиндуктивных и емкостных нагрузках.

Фазовое управление твердотельным реле

Рис.№9. Схема фазного управления.

Основные показатели для выбора твердотельных реле

Ток: нагрузки, пусковой, номинальный.
Тип нагрузки: индуктивность, емкость или резистивная нагрузка.
Тип напряжения цепи: переменное или постоянное.
Тип сигнала управления.

Ориентировочные примеры выбора реле при превышении тока

Нагрузка активной мощности, например, ТЭН – запас 30-40%.
Электродвигатель асинхронного типа, 10 кратный запас по току.
Освещение с лампами накаливания – 12 кратный запас.
Электромагнитные реле, катушки – от 4 до 10 кратного запаса.

Рис. №10. Примеры выбора реле при активной нагрузке по току.

Такой электронный компонент электрических цепей как твердотельное реле становиться обязательным интерфейсом в современных схемах и обеспечивает надежную электрическую изоляцию между всеми задействованными электроцепями.

Пишите комментарии,дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

Описание

В отличие от электромеханических реле (EMR), которые используют катушки, магнитные поля, пружины и механические контакты для управления и переключения питания, твердотельное реле или SSR не имеет движущихся частей, но вместо этого использует электрические и оптические свойства полупроводниковых полупроводников, выполняет его вход в функции изоляции и переключения выхода.

Как и обычные электромеханические реле, твердотельные реле обеспечивают полную электрическую изоляцию между их входными и выходными контактами, а его выход действует как обычный электрический переключатель в том смысле, что он имеет очень высокое, почти бесконечное сопротивление в непроводящем (разомкнутом) и очень низком сопротивлении при проведении. Твердотельные реле могут быть предназначены для переключения как переменного, так и постоянного тока с помощью SCR, триак или переключающего транзисторного выхода вместо обычных механических нормально разомкнутых контактов. Купить твердотельное реле на Алиэкспресс:

В то время как твердотельное реле и электромеханическое реле в основном схожи в том, что их низковольтный вход электрически изолирован от выхода, который переключает и контролирует нагрузку, электромеханические реле имеют ограниченный жизненный цикл контакта, могут занимать много места и имеют более низкие скорости переключения, особенно большие силовые реле и контакторы. Твердотельные реле не имеют таких ограничений.

Таким образом, основные преимущества твердотельных реле по сравнению с обычными электромеханическими реле состоят в том, что у них нет движущихся частей, изнашиваемых, и, следовательно, нет проблем с отскоком контактов, они могут переключать «ВКЛ» и «ВЫКЛ» гораздо быстрее, чем механические реле может двигаться, а также включаться при нулевом напряжении и отключаться при нулевом токе, что устраняет электрические помехи и переходные процессы.

Полупроводниковые реле можно купить в стандартных готовых комплектах, от нескольких вольт или ампер до многих сотен вольт и ампер выходной коммутационной способности. Однако твердотельные реле с очень высоким номинальным током (плюс 150 А) все еще слишком дороги для покупки из-за их требований к силовым полупроводникам и теплоотдаче, и, как таковые, все еще используются более дешевые электромеханические контакторы.

Подобно электромеханическому реле, небольшое входное напряжение, обычно от 3 до 32 вольт постоянного тока, может использоваться для управления очень большим выходным напряжением или током, например 240В, 10А. Это делает их идеальными для взаимодействия микроконтроллеров, PIC и Arduino, так как слаботочный 5-вольтный сигнал, скажем, от микроконтроллера или логического вентиля, может использоваться для управления конкретной нагрузкой цепи, и это достигается с помощью опто-изолятора.

Поэтапный процесс подключения ТТР (твердотельных реле)

Рассмотрим один из простейших вариантов подключения полупроводникового реле в систему освещения:

В распределительной коробке, РЩ или на другом участке цепи делается разрыв фазного провода;
В этот разрыв подключается реле, контактами для коммутации цепи;

Подключение твердотельного реле в разрыв линии питания осветительных приборов

На контакты управления с соблюдением полярности подключаются провода от источника питания постоянного тока, это может быть аккумулятор, трансформаторный или полупроводниковый инвертор.

Подключение цепи управления делается через кнопку пуска, так как достаточно кратковременно подать напряжение для открытия тиристора и замыкания цепи. При подаче управляющего напряжения и замыкании цепи коммутации светится светодиодный индикатор, при размыкании он гаснет.

Обычно реле и блок питания для цепи управления крепятся к плоской поверхности саморезами или в распределительных шкафах на дин-рейку.

Блоки питания для цепей управления на дин-рейке

Как проверить твердотельное реле мультиметром?

Мультиметр – прибор, которым фактически определяется импеданс в момент подачи небольшого уровня напряжения через щупы непосредственно в тестируемую цепь. Затем мультиметром измеряется ток, протекающий через щупы, с последующим вычислением сопротивления.

Теоретически всё достаточно просто. Через классическую формулу тоже:

R = U / I

Однако, как отмечалось выше по тексту, выход твердотельного электронного реле включается путём «отбора» небольшой части напряжения из сети переменного тока для подачи управляющего тока на затвор тиристоров.

Проще говоря, если сеть переменного тока не подключена к твердотельному реле, на выходе какой-либо потенциал отсутствует. Поскольку тех уровней напряжения и тока, что создаются мультиметром, недостаточно для включения тиристоров, выход твердотельного электронного реле останется в состоянии «отключено».

Как результат твердотельные электронные реле невозможно проверить, если рассчитывать на значительное изменение выходного импеданса в моменты включения твердотельного реле.

Поэтому эффективный способ стендовых испытаний твердотельного реле — это построение простой испытательной схемы, куда входит источник питания постоянного тока (батарея на 9 вольт). Также понадобится лампа накаливания мощностью 60 или 100 Вт.

Простая электрическая схема для проверки твердотельного реле на работоспособность или на дефект: L1, L2 – сетевой терминал; Л1 – лампа накаливания; ТЭР – твердотельное электронное реле; К1 – кнопочный коммутатор; ИП – источник питания постоянного напряжения

Картинка выше демонстрирует базовую схему подключения, пригодную для проверки твердотельного реле постоянного тока. Когда на выход прибора подключается сеть переменного напряжения, лампа накаливания гореть не должна. Когда же кнопка К1 приводится в действие, источник постоянного напряжения активирует вход прибора, соответственно, выход включается, лампа накаливания загорается.

Аналогичная испытательная схема проверки пригодна для тестирования работоспособности твердотельного электронного реле на входе переменного тока. Достаточно лишь заменить источник постоянного тока подключением к сети переменного тока через К1, как показано на схеме ниже.

Второй вариант схемы без внешнего источника питания: L1, L2 – сетевой терминал; Л1 – лампа накаливания; ТЭР – тестируемый электронный прибор; К1 – кнопочный коммутатор

Как и в случае с выходом, вход не чувствителен к полярности. Однако эту схему допустимо использовать только в том случае, если напряжение сети меньше максимального номинального входного напряжения проверяемого устройства. Подача напряжения на вход, превышающего максимальное значение прибора, приведёт к повреждению.

Как проверить твердотельное реле на функциональность?

Первую схему проверки мультиметром твердотельного реле также допустимо применять для оценки функциональности выхода твердотельного прибора постоянного тока. Это можно сделать, применив второй источник питания для переключения выхода вместо сетевого импеданса.

Однако источник питания здесь должен иметь достаточное напряжение для включения лампы накаливания мощностью 40 Вт или 60 Вт. В большинстве случаев достаточно источника питания на 60 вольт постоянного тока, способного обеспечить нагрузку до 1А.

Кроме того, в отличие от выхода ТЭР переменного тока, выход ТЭР постоянного тока чувствителен к полярности. Клеммы «+» и «-» источника питания необходимо подключать к соответствующим клеммам «+» и «-» выхода.

Нагрузка лампой обеспечивает лёгкое визуальное подтверждение работы прибора, но также необходимо учитывать, что в некоторых случаях предпочтительно использовать другой тип нагрузки для стендовой проверки. В большинстве случаев это не проблема, пока не превышаются номинальные значения напряжения и тока ТЭР.

Однако с твердотельными приборами постоянного тока следует быть несколько осторожнее. Если решено использовать:

электрический двигатель,
вентиляционную установку,
катушку электромагнита,

или любой другой тип индуктивной нагрузки, в таком случае подавляющий диод (1N4937RLG или аналогичный) необходимо установить обратно параллельно нагрузке. Этим предотвращается повреждение прибора потенциалом обратной ЭДС при обесточенной нагрузке.

При помощи информации: Crydom

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

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 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.

Преимущества и недостатки ТТР

Твердотельные реле не зря вытесняют с рынка обычные пускатели и контакторы. Эти полупроводниковые приборы обладают множеством преимуществ перед электромеханическими аналогами, которые заставляют потребителей останавливать выбор именно на них.

Реле для микросхем имеет компактные размеры и сильно ограничены по максимально пропускаемому току. Крепятся они преимущественно путем припаивания специальных ножек

К таким достоинствам относят:

Низкое потребление электроэнергии (на 90% меньше).
Компактные габариты, позволяющие монтировать устройства в ограниченном пространстве.
Высокая скорость запуска и отключения
Пониженная шумность работы, отсутствуют характерные для электромеханического реле щелчки.
Не предполагается техническое обслуживание.
Длительный срок службы благодаря ресурсу в сотни миллионов срабатываний.
Благодаря широким возможностям по модификации электронных узлов, ТТР имеют расширенные сферы применения.
Отсутствие электромагнитных помех при срабатывании.
Исключается порча контактов вследствие их механического удара.
Отсутствие прямого физического контакта между цепями управления и коммутации.
Возможность регулирования нагрузки.
Наличие в импульсных ТТР автоматических цепей, защищающих от перегрузок.
Возможность использования во взрывоопасных средах.

Указанных преимуществ твердотельных реле не всегда достаточно для нормальной работы оборудования. Именно поэтому они ещё не полностью вытеснили электромеханические контакторы.

Для стабильной работы мощных твердотельных реле важен эффективный отвод тепла, потому что при повышенных температурах резко искажается напряжение нагрузки (+)

ТТР имеют и недостатки, которые не позволяют им использоваться во многих случаях.

К минусам относят:

Невозможность работы большинства устройств с напряжениями свыше 0,5 кВ.
Высокая стоимость.
Чувствительность к высоким токам, особенно в пусковых цепях электродвигателей.
Ограничения по использованию в условиях повышенной влажности.
Критическое снижение рабочих характеристик при температурах ниже 30°С мороза и выше 70°С тепла.
Компактный корпус приводит к избыточному нагреву устройства при стабильно высоких нагрузках, что требует применения специальных устройств пассивного или активного охлаждения.
Возможность расплавления устройства от нагрева при коротком замыкании.
Микротоки в закрытом состоянии реле могут быть критическими для работы оборудования. Например, подключенные в сеть люминесцентные лампы могут периодически вспыхивать.

Таким образом, твердотельные реле имеют определенные сферы применения. В цепях высоковольтного промышленного оборудования их использование резко ограничено из-за несовершенных физических свойств полупроводниковых материалов.

Однако в бытовой технике и автомобильной промышленности ТТР занимают прочные позиции за счет своих положительных свойств.

Это интересно: Перегорают галогеновые лампочки в люстре: в чем причина?

Твердотельное реле – устройство и особенности конструкции

На температурный режим могут влиять многие факторы: место установки, температура окружающей среды, циркуляция воздуха, нагрузка на твердотельном реле и др. При использовании на «тяжелые» нагрузки (пуск асинхронного двигателя) необходимо применять дополнительные меры по усилению отвода тепла: устанавливать на радиатор большего размера, сделать принудительное охлаждение (установить вентилятор).

Защита

Твердотельные реле имеют встроенную RC-цепь для защиты от ложного включения при использовании на индуктивной нагрузке.
Для защиты от кратковременного перенапряжения со стороны нагрузки необходимо использовать варисторы.Они подбираются исходя из величины коммутируемого напряжения Uвар=1,6-2Uком. Следует отметить, что современные ТР выдерживают значительные перенапряжения и без применения варисторов. Гораздо опаснее для ТР перегрузка по току.

Для защиты от перегрузки по току необходимо использовать специальные быстродействующие полупроводниковые предохранители. Они подбираются с учетом величины номинального тока реле Iпр=1 — 1,3Iном., причем само ТР должно быть с гораздо большим запасом по току, в т.ч.учитывая пусковые токи нагрузки. Это самый эффективный способ защитить ТР от перегрузки по току. Поскольку реле способно выдерживать только кратковременную (10мс) перегрузку, то использование автоматов защиты не спасет их от выхода из строя.
Для корректной работы твердотельного реле при маленьких токах нагрузки (соизмеримых с током утечки) необходимо устанавливать шунтирующее сопротивление параллельно нагрузке.

Примеры применения

Основное применение ТР находят в системах управления нагревом.

Твердотельные реле ZD3, VD, LA чаще всего применяют в технологических процессах, где требуется поддержание температуры с большой точностью (ПИД, Fuzzy режим).

При этом реле VD, LA будут обеспечивать плавную регулировку за счет фазового метода управления.

Твердотельные реле ZA2 чаще применяют в системах, где не требуется высокая точность поддержания температуры (двухпозиционный режим).

Твердотельные реле VA (управление переменным резистором) применяют для ручной регулировки мощности на нагрузке.

Таким устройством можно отрегулировать мощность ТЭНа или ИК-излучателя, изменять яркость свечения лампы накаливания.

Соблюдая определенный ряд условий, твердотельные реле можно использовать для пуска асинхронных двигателей. Необходимо учитывать пусковые токи двигателя и ТР подбирать с многократным запасом по току.

Применять меры по дополнительному отводу тепла. Для защиты ТР от кратковременных перенапряжений использовать варисторы, а для защиты от перегрузки по току быстродействующие предохранители.

Можно организовать управление группой реле от одного источника питания.

В данном случае необходимо подобрать источник с мощностью достаточной для включения всей группы реле. При этом можно оставить возможность включения – выключения отдельного реле для управления требуемой зоной.