Что такое твердотельное реле и для чего оно нужно

Данные аппараты применяются в промышленной автоматике, телеметрии, горных и металлургических механизмах, химической промышленности, медицинском оборудовании, военной электронике и прочих сферах.

Из названия «твердотельный» подразумевается отсутствие каких либо подвижных частей. Вместо контактной группы их заменяет электронный силовой ключ. Благодаря чему этот тип аппарата не создает дугу во время коммутации. Данное свойство очень полезно при использовании в химической промышленности, в местах сильной загазованности, а также в тех местах где содержание абразивной пыли велико. Также время реакции на поступивший сигнал должно быть моментальным, тысячные доли миллисекунды, отсутствие гистерезиса, широкий температурный диапазон, бесшумность коммутации.

Принцип действия

Схема всех SSR практически одинаковая, даже если есть разница, она никак не влияет на принцип действия.

Схема SSR постоянного тока

Принцип действия механизма заключается в замыкании и размыкания контактов, которые передают напряжение. Выполняется это с помощью активатора, то есть твердотельного прибора.В зависимости от характера тока (переменного или постоянного) используется тип силового элемента (полупроводниковый прибор). Для постоянного тока используются транзисторы, для переменного – симисторы и тиристоры. Транзистор пропускает постоянный ток. Симистор проводит ток в двух направлениях, а тиристор может проводить напряжение и в 1ом и в 2х направлениях.

Схема твердотельного реле переменного тока

На вход поступает электрический сигнал, дальше он подаётся на оптический светодиод. Оптическая развязка обеспечивает изоляцию между входной, промежуточной и выходной цепью. В работу включается триггерная цепь. Она управляет переключением выхода ТТР. Переключающая цепь передает напряжение на нагрузку, которая представлена транзистором, тиристором или симистором. Защитная цепь нужна для надежной работы ТТР при различных нагрузках.

Для предотвращения сгорания контактов устройства, рекомендуется установка предохранителя.

Твердотельные реле. Устройство и работа. Виды и особенности

Для обеспечения подключения различных электрических устройств бесконтактным способом применяют твердотельные реле, которые стали популярными в промышленности. Они используются для создания надежного оборудования с малыми габаритами. Основным недостатком таких устройств называют их высокую стоимость.

Твердотельное реле обеспечивает связь между электрическими цепями высокого и низкого напряжения с помощью полупроводниковых элементов.

Принцип действия и особенности конструкции

Имеется множество исполнений моделей таких устройств, но по своей структуре они мало чем отличаются. Эти незначительные отличия не оказывают влияния на их принцип действия, так как он по сути дела один и тот же.

Разберемся в особенностях управления электроприборами с помощью твердотельного реле. От обычных реле они отличаются отсутствием механических замыкаемых и размыкаемых контактов. Вместо них в твердотельном реле используются полупроводниковые элементы, такие как транзистор, либо симистор.

Принцип работы реле состоит в размыкании и замыкании цепи, передающей напряжение. Это осуществляется активатором, то есть, твердотельным устройством. Вид силового элемента зависит от свойства тока, который может быть, как переменным, так и постоянным. Для постоянного тока применяются транзисторы, для переменного тока – тиристоры и симисторы.

Через транзистор проходит ток. Симистор может пропускать ток в обоих направлениях, так же, как и тиристор.

На вход подается электрический сигнал, далее он идет на оптическую развязку на основе светодиода. Оптическая развязка позволяет изолировать входную цепь от промежуточной и выходной цепи. Далее в действие вступает цепь триггера, которая обеспечивает управление переключением выхода твердотельного реле.

Цепь переключения подает напряжение на нагрузку, представленную транзистором, либо симистором. Цепь защиты необходима для надежности работы реле при разных нагрузках.

Виды твердотельных реле

Имеется множество разных видов таких реле, отличающихся своими особенностями напряжения коммутации и контроля:
  • Реле постоянного тока применяются в сети постоянного напряжения в интервале 3-32 ватта, характерны повышенными удельными свойствами, индикаторами на светодиодах, повышенной надежностью. Многие модели способны работать в широком интервале рабочих температур: -30 +70 градусов.
  • Реле переменного тока, имеют особенность в пониженном уровне электромагнитных помех, не создают шума при эксплуатации, малый расход электроэнергии, и высокое быстродействие. Диапазон мощности составляет от 90 до 250 ватт.
  • Реле с управлением вручную, дают возможность самостоятельной настройки типа действия.
По виду нагрузки реле разделяют на:
  • Однофазные.
  • 3-фазные.

Однофазное исполнение дает возможность подключать электрический ток в интервале от 10 до 120 ампер, либо от 100 до 500 ампер. Управление производится аналоговым сигналом и сопротивлением переменного типа.

3-фазные исполнения используют для подключения тока одновременно на трех фазах. Они могут работать в диапазоне 10-120 ампер. Среди них есть устройства реверсивного вида, отличающиеся обозначением и бесконтактной коммутацией. Их задача заключается в осуществлении надежного подключения всех цепей по-отдельности.

Чтобы защитить реле от ложных срабатываний, применяют специальные устройства.

Они применяются при запуске и эксплуатации асинхронного электромотора. При выборе такого устройства нужно сделать необходимый запас мощности. Для защиты реле от перенапряжений также применяется предохранитель быстрого действия, либо варистор.

Реле трехфазного исполнения имеют срок службы больше, чем 1-фазные реле. Коммутация осуществляется после перехода тока через нулевую границу.

По методам коммутации реле делятся:
  • Реле для емкостных и индуктивных нагрузок.
  • Реле для мгновенных срабатываний, применяются при необходимости быстрого подключения.
  • С фазным управлением, дающим возможность регулировки освещения, нагревательных элементов.
По конструктивным особенностям реле делятся:
  • С возможностью монтажа на рейку DIN.
  • Для переходных планок, универсальные.
Достоинства и недостатки

Благодаря такому принципу действия мы получаем ряд преимуществ и недостатков.

Преимущества
  • Отсутствие каких-либо щелчков при переключении. Хотя отсутствие звуковой индикации для кого-то может быть и минусом.
  • Полупроводниковые твердотельные реле не искрят, не дребезжат и механически не изнашиваются, благодаря чему получается срок службы как минимум десятки лет без какого-либо обслуживания.
  • Благодаря свойствам полупроводниковых элементов, возможна коммутация с минимумом помех.
  • Высокое быстродействие позволяет производить включение при переходе напряжения через ноль. А при выключении симистор закрывается не сразу, а ровно тогда, когда через ноль переходит ток, что тоже снижает уровень помех.
  • Малый расход электрической энергии благодаря тому, что нет электромагнитной связи. Использование полупроводников позволяет снизить потребление электрической энергии на 90%.
  • Твердотельные реле имеют небольшие габариты, что позволяет упростить его установку и транспортировку.
  • Длительный срок работы, не требующий технического обслуживания устройства.
  • Широкая сфера применения для различных типов устройств и приборов.
  • Возможность осуществления большого количества срабатываний (более одного миллиарда).
  • Обеспечивает надежную изоляцию цепей входа и силовых цепей между собой.
  • Повышает производительность устройства.
  • Механическая прочность выражается в герметичной конструкции, вибрационной и ударной стойкости.
Недостатки

Казалось бы, пора везде и всюду менять механические реле на твердотельные. Но не стоит торопиться. Есть здесь один подвох. На открытом полупроводниковом элементе падает на порядки большее напряжение, чем на замкнутых контактах обычного реле, а именно, около двух вольт. Казалось бы, ерунда, всего один процент от напряжения в розетке. Но, предположим, что мы управляем двухкиловаттным обогревателем, который потребляет ток около 10 ампер.

Какая же мощность тогда будет выделяться на хваленом твердотельном реле? Умножаем 10 на 2, и получаем целых 20 ватт. Без хорошего радиатора здесь, к сожалению, не обойтись. А какая мощность будет выделяться при коротком замыкании – вообще страшно представить. Полупроводники расплавятся моментально, намного быстрее, чем сработает обычный автоматический выключатель в распределительном щитке.

Читайте также  Выгоден ли двухтарифный счетчик

Спасти твердотельные реле от губительного влияния короткого замыкания смогут только быстродействующие предохранители. Кроме большого выделения тепла есть у твердотельного реле еще один недостаток. Помех оно излучает меньше, но при этом само боится помех. И для защиты от них параллельно полупроводниковому элементу подключается цепочка из резистора и конденсатора.

И даже когда полупроводниковый элемент закрыт, реле все равно пропускает ток в несколько миллиампер. Для электрообогревателя это конечно не страшно, а вот, например, компактная люминесцентная лампа может начать вспыхивать. Практически можно увидеть, как нагрев мешает применяемости твердотельного реле.

Сфера применения
Твердотельные реле применяются очень широко. Они работают там, где необходимо подключать индуктивную нагрузку. Основные области использования рассматриваемых реле:
  • Системы с регулированием температуры нагревательными элементами.
  • Поддержание одной температуры в процессах и технологиях промышленного производства.
  • Подключение цепей управления.
  • Заменяют магнитные пускатели реверсивного действия.
  • Управление электродвигателями.
  • Контроль температуры трансформаторов и других устройств.
  • Регулировка уровня света.
Как выбрать твердотельные реле

Чтобы приобрести такой вид реле, рекомендуется посетить специализированный магазин электронных товаров. Там квалифицированные специалисты окажут помощь в подборе подходящего реле по всем параметрам.

При выборе рекомендуется учитывать такие свойства реле:
  • Тип реле.
  • Наличие креплений.
  • Материал корпуса.
  • Скорость работы.
  • Наличие вспомогательных функций.
  • Фирма изготовитель.
  • Мощность.
  • Расход электричества.
  • Габаритные размеры.

Есть важный совет при покупке реле. Твердотельные реле рекомендуется устанавливать с запасом по мощности в несколько раз. В противном случае, даже небольшое превышение мощности выведет из строя реле.

Для защиты реле от неисправностей рекомендуется применять специальные предохранители. Имеется несколько видов предохранителей для защиты твердотельных реле:
  • g R – применяются в широком интервале мощностей, имеют повышенное быстродействие.
  • g S – применяются для любого тока, осуществляют защиту полупроводников от высоких нагрузок сети.
  • a R – осуществляют защиту полупроводников от короткого замыкания.

Такие предохранители стоят недешево, их стоимость примерно равна цене самого реле. Однако это стоит того, так как они создают эффективную защиту реле от выхода из строя. Бывают и другие виды предохранителей, относящиеся к классам В, С, D. Они имеют отличия в том, что осуществляют защиту низкого качества, и меньшей ценой.

Во время работы твердотельные реле быстро нагреваются. При чрезмерном нагреве коммутация происходит с отклонением от нормального режима, ток снижается. При достижении 65 градусов, реле сгорает. Поэтому, для нормальной работы реле необходим радиатор охлаждения, а также запас по току в 3-4 раза больше номинала. При применении реле для регулирования скорости электродвигателей, запас по току следует повысить до 8-10 раз.

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.

  1. Регулятор тока служит для поддержки неизменного значения тока.
  2. Двухполупериодный мост и конденсаторы на входе в устройство служат для преобразования сигнала переменного тока в постоянный.
  3. Встроенный оптрон оптической развязки, на него подается питающее напряжение и через него протекает входной ток.
  4. Тригерная цепь служит для управления эмиссией света встроенного оптрона, в случае прекращения подачи входного сигнала ток прекратит свое протекание через выход.
  5. 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

  1. Управление коммутационными действиями при переходе тока через ноль.

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

Преимущество способа – отсутствие помех при включении.

Недостатки – прерывание выходного сигнала, отсутствие возможности применения с нагрузками, обладающими высокой индуктивностью.

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

  1. Фазовое управление твердотельным реле


Рис.№9. Схема фазного управления.

Преимущество: непрерывность и плавная регулировка, возможность изменять значение выходного напряжения.

Недостатки: присутствуют помехи при производстве переключений.Область использования: управление систем нагрева, индуктивные нагрузки (трансформаторы), инфракрасные выключатели (резистивная нагрузка).

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.

Рекомендации по подбору реле и эксплуатационные нюансы

Токовая нагрузка и ее характер служат главным фактором, определяющим выбор. Реле выбирается с запасом по току, в который входит учет пускового тока (он должен выдержать 10-кратное превышение тока и перегруз на 10 мс). При работе с обогревателем номинальный ток превышает номинальный ток нагрузки не менее чем на 40%. При работе с электродвигателем запас по току рекомендован быть больше номинала не менее чем в 10 раз.

Ориентировочные примеры выбора реле при превышении тока

  1. Нагрузка активной мощности, например, ТЭН – запас 30-40%.
  2. Электродвигатель асинхронного типа, 10 кратный запас по току.
  3. Освещение с лампами накаливания – 12 кратный запас.
  4. 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.

Плюсы и минусы твердотельного реле

  • включение и выключение цепей без электромагнитных помех
  • высокое быстродействие
  • отсутствие шума и дребезга контактов
  • продолжительный период работы (свыше МИЛЛИАРДА срабатываний)
  • возможность работы во взрывоопасной среде, так как нет дугового разряда
  • низкое энергопотребление (на 95% (!) меньше, чем у обычных реле)
  • надёжная изоляция между входными и коммутируемыми цепями
  • компактная герметичная конструкция, стойкая к вибрации и ударным нагрузкам
  • небольшие размеры и хорошая теплоотдача (если конечно использовать термопасту и хороший радиатор)

Твердотельное реле – преимущества использования

Одним из основных преимуществ твердотельного реле можно назвать его компактные размеры. Благодаря этому такие реле могут использоваться в самых разных условиях, даже в самых стесненных. При этом компактность размеров отнюдь не означает уменьшенную функциональность – компактное твердотельное реле полностью заменить собой громоздкое электромагнитное реле. В некоторых ситуациях использование реле данного типа позволяет повысить эффективность труда. К примеру, если твердотельное реле смонтировано в цепь, управляющую температурным режимом, то можно получить более точное и стабильное регулирование температуры. К другим преимуществам твердотельных реле относятся:

  • высокая скорость срабатывания;
  • бесшумность;
  • твердотельное реле не имеет дребезжащих контактов и потенциальных источников искр;
  • сниженное энергопотребление;
  • высокая степень изоляции соединений;
  • твердотельные реле характеризуются высоким уровнем надежности и долговечностью.
Читайте также  Биореактор своими руками

Разновидности твердотельных реле

Эти полупроводниковые устройства разделяются по типу нагрузки на одно- и трехфазные. Однофазные твердотельные реле работают с токами 10-120 А, 100-500 А, фазовое управление осуществляется аналоговыми сигналами. С помощью трехфазных твердотельных реле управляют током сразу на трех фазах. Рабочий интервал тока – 10-120 А. Разновидностью трехфазных моделей являются коммутаторы реверсивного типа. Их отличия: бесконтактная коммутация и особая маркировка. Эти устройства эффективно соединяют и разъединяют каждую цепь по отдельности. Защитные компоненты предотвращают ложные срабатывания. Трехфазные устройства имеют более длительный эксплуатационный период, по сравнению с однофазными.

По характеру контролируемого и коммутируемого напряжения различают твердотельные реле:

  • Постоянного тока. Надежны, изготавливаются со световой индикацией, имеют широкий диапазон рабочих температур: от -30°C до +70°C.
  • Переменного тока. Для таких полупроводниковых устройств характерны: бесшумность работы, малый уровень электромагнитных помех, высокое быстродействие, энергосберегающие характеристики.
  • С ручным руководством. В этих моделях режим работы можно настраивать самостоятельно.

Классификация твердотельных реле по способу коммутации:

  • устройства для обеспечения мгновенного срабатывания;
  • модели для коммутации слабоиндуктивных, редуктивных, емкостных нагрузок;
  • с наличием управления по фазам – используются для осветительных приборов и нагревательных элементов.

Разновидности по конструкции:

  • разработанные для монтажа на DIN-рейки;
  • универсальные, монтируются на переходные линейки.

Устройство твердотельного реле

Название «твердотельное реле» на русском языке может быть сокращено до аббревиатуры ТТР. По-английски же это звучит Solid State Relay или SSR.

Это – полностью полупроводниковое устройство, из механики имеющее только контактную систему для подключения внешних проводников. Пайку ТТР не переносят, так как при работе нагреваются, поэтому все присоединения проводов выполняются на винтовых клеммах.

Все элементы ТТР расположены внутри герметически закрытого и не разборного корпуса. Поэтому оно и носит такое название, поскольку представляет собой единое «твердое тело», и не предполагает выполнения ремонта или обслуживания.

Функционально само реле можно разделить на несколько подряд расположенных блоков или цепей.


Первая цепь: входная. Она преобразует входное управляющее напряжение к величине, приемлемой для выполнения переключений. Попутно она дополнительно может выполнять функцию защиты от импульсных помех, защиты от изменения полярности (при выпрямленном управляющем сигнале).

Минимально входная цепь содержит резистор для подавления лишнего напряжения постоянного тока, плюс – выпрямительный мост для выпрямления переменного тока.

Вторая цепь: оптическая развязка. У электромеханического реле входная и выходная цепь разделены конструктивно, так как катушка управления никак не связана с контактной системой. Для гальванического развязывания цепей управления с коммутируемыми цепями, которые могут питаться от разных источников, используется электронный прибор – оптрон. В нем этот процесс происходит за счет использования света для передачи команды управления.

Третья цепь, принимая сигнал от оптрона, запоминает его. Она представляет собой электронный ключ – триггер.

И, наконец, последняя – переключающая цепь. Она подает напряжение на выход реле, для чего рассчитывается на номинальное напряжение нагрузки.

Для разного характера нагрузки используются принципиально разные электронные компоненты для передачи напряжения управления. Для цепей постоянного тока достаточно транзисторного ключа. Но на переменном токе он работать не будет, для этих цепей применяют симисторы.

Поскольку выходной элемент переключающей цепи при работе реле пропускает ток нагрузки и от этого греется, он установлен на теплоотводе, являющемся частью корпуса реле.

Предназначены для коммутации цепей переменного тока. В качестве электронного ключа используется симистор или тиристор. Бывают однофазные и трёхфазные версии таких реле.

Реле твердотельное однофазное

Предназначено для коммутации однофазной нагрузки. Схема подключения похожа на схему в случае реле постоянного тока.

Реле твердотельное трёхфазное

Используются для коммутации трёхфазной нагрузки (например электродвигателей).

На входные контакты реле «приходят» три фазы питания, а при подаче управляющего сигнала эти фазы «появляются» на соответствующих выходных клеммах, к которым подключена нагрузка. На следующей схеме через трёхфазное реле запитаны три ТЭНа, соединённых звездой:

Для управления электродвигателями применяют специальные трёхфазные реле с реверсом.

Такое реле имеет три управляющих контакта. Один из них — общий, а два других в паре с ним образуют два управляющих входа. При подаче напряжения на первый, фазы коммутируются для прямого вращения электродвигателя, а при подаче «управляющей фазы» на другой вход — для обратного вращения.