Твердотельное реле вместо контактора

Классические пускатели и контакторы постепенно уходят в прошлое. Их место в автомобильной электронике, бытовой технике и промышленной автоматике занимает твердотельное реле – полупроводниковое устройство, в котором отсутствуют какие-либо подвижные части.

Приборы имеют различные конструкции и схемы подключения, от которых зависят их сферы применения. Прежде чем использовать устройство, необходимо разобраться в его принципе действия, узнать об особенностях функционирования и подключения разных видов реле. Ответы на обозначенные вопросы подробно изложены в представленной статье.

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.

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 ТТР

Работа твердотельного реле довольно проста. Большинство ТТР предназначено для управления автоматикой в сетях 20-480 В.

При классическом исполнении в корпус прибора входит два контакта коммутируемой цепи и два управляющих провода. Их количество может изменяться при увеличении количества подключенных фаз. В зависимости от наличия напряжения в управляющей цепи, происходит включение или выключение основной нагрузки полупроводниковыми элементами.

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

Поэтому при повышенных напряжениях возможно появление небольших токов утечки, которые могут негативно сказаться на работе подключенной техники.

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

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:

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

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.

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:

  1. 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.
  2. Мгновенное. Используется при необходимости резкого срабатывания реле при подаче управляющего сигнала.
  3. 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.

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.

К таким достоинствам относят:

  1. Низкое потребление электроэнергии (на 90% меньше).
  2. Компактные габариты, позволяющие монтировать устройства в ограниченном пространстве.
  3. Высокая скорость запуска и отключения
  4. Пониженная шумность работы, отсутствуют характерные для электромеханического реле щелчки.
  5. Не предполагается техническое обслуживание.
  6. Длительный срок службы благодаря ресурсу в сотни миллионов срабатываний.
  7. Благодаря широким возможностям по модификации электронных узлов, ТТР имеют расширенные сферы применения.
  8. Отсутствие электромагнитных помех при срабатывании.
  9. Исключается порча контактов вследствие их механического удара.
  10. Отсутствие прямого физического контакта между цепями управления и коммутации.
  11. Возможность регулирования нагрузки.
  12. Наличие в импульсных ТТР автоматических цепей, защищающих от перегрузок.
  13. 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.

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

К минусам относят:

  1. Невозможность работы большинства устройств с напряжениями свыше 0,5 кВ.
  2. Высокая стоимость.
  3. Чувствительность к высоким токам, особенно в пусковых цепях электродвигателей.
  4. Ограничения по использованию в условиях повышенной влажности.
  5. Критическое снижение рабочих характеристик при температурах ниже 30°С мороза и выше 70°С тепла.
  6. Компактный корпус приводит к избыточному нагреву устройства при стабильно высоких нагрузках, что требует применения специальных устройств пассивного или активного охлаждения.
  7. Возможность расплавления устройства от нагрева при коротком замыкании.
  8. 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.

Возможные схемы подключений

Схемы подключения твердотельных реле могут быть самые разнообразные. Каждая электрическая цепь строится, исходя из особенностей подключаемой нагрузки. В схему могут добавляться дополнительные предохранители, контроллеры и регулирующие устройства.

Далее будут представлены наиболее простые и распространенные схемы подключения ТТР:

  • нормально-открытая;
  • со связанным контуром;
  • нормально-закрытая;
  • трехфазная;
  • реверсивная.

Нормально-открытая (разомкнутая) схема – реле, нагрузка в котором находится под напряжением при наличии управляющего сигнала. То есть подключенная техника оказывается в отключенном состоянии при обесточенных входах 3 и 4.

Нормально-замкнутая схема – подразумевается реле, нагрузка в котором находится под напряжением при отсутствии управляющего сигнала. То есть подключенная техника оказывается в рабочем состоянии при обесточенных входах 3 и 4.

Существует схема подключения твердотельного реле, в которой управляющее и нагрузочное напряжение одинаково. Такой способ можно использовать одновременно для работы в сетях постоянного и переменного тока.

Трехфазные реле подключаются несколько по иным принципам. Контакты могут соединяться в вариантах «Звезда», «Треугольник» или «Звезда с нейтралью».

Реверсные твердотельные реле применяются в электродвигателях в соответствующем режиме. Они изготавливаются в трехфазном варианте и включают два контура управления.

Собирать электрические цепи с ТТР необходимо только после их предварительной прорисовки на бумаге, потому что неверно подключенные устройства могут выйти из строя из-за короткого замыкания.

Практическое применение устройств

Сфера использования твердотельных реле довольно обширна. Из-за высокой надежности и отсутствия потребности в регулярном обслуживании их часто устанавливают в труднодоступных местах оборудования.

Основными же сферами применения ТТР являются:

  • система терморегуляции с применением ТЭНов;
  • поддержание стабильной температуры в технологических процессах;
  • контроль работы трансформаторов;
  • регулировка освещения;
  • схемы датчиков движения, освещения, фотодатчиков для уличного освещения и т.п.;
  • управление электродвигателями;
  • источники бесперебойного питания.

С увеличением автоматизации бытовой техники твердотельные реле приобретают все большее распространение, а развивающиеся полупроводниковые технологии постоянно открывают новые сферы их применения.

При желании, собрать твердотельное реле можно собственноручно. Подробная инструкция представлена в этой статье.

Выводы и полезное видео по теме

Представленные видеоролики помогут лучше понять работу твердотельных реле и ознакомиться со способами их подключения.

Практическая демонстрация работы простейшего твердотельного реле:

Разбор разновидностей и особенностей работы твердотельных реле:

Читайте также:  Строительство каркасных домов на сваях

Тестирование работы и степени нагрева ТТР:

Смонтировать электрическую цепь из твердотельного реле и датчика может практически каждый человек.

Однако планирование рабочей схемы требует базовых знаний в электротехнике, потому что неправильное подключение может привести к удару током или короткому замыканию. Зато в результате правильных действий можно получить массу полезных в быту приборов.

Есть, что дополнить, или возникли вопросы по теме подключения и применения твердотельных реле? Можете оставлять комментарии к публикации, участвовать в обсуждениях и делиться собственным опытом использования таких устройств. Форма для связи находится в нижнем блоке.

Твердотельное реле или электромагнитный контактор. Что выбрать?

С появлением полупроводниковых (твердотельных) реле, нередко стало озвучиваться мнение, что дни обычных электромеханических реле сочтены, что их удельный вес в общем объеме выпускаемых радиоэлектронных компонентов сойдет на нет и вскорости они совершенно исчезнут. Чтобы понять так это или нет и почему казалось бы устаревшие электромеханиче реле по прежнему широко используются необходимо разобраться, в чем функциональное сходство, а в чем различие тех и других.

Особенности электромагнитных реле

Электромагнитное нейтральное реле – это самый старый по происхождению, самый простой и самый распространенный тип реле. Магнитная система обычных низковольтных ЭМ реле включает в себя, прежде всего, обмотку управления, выполненную в виде катушки с изолированным проводом, магнитопровод, ярмо и подвижный якорь. Она служит для преобразования электрического тока входного сигнала в механическое перемещение якоря, необходимое для переключения контактов.

С энергией механического перемещения якоря связана крайне важная техническая характеристика любого ЭМ реле. Речь идет о коэффициенте возврата, который равен отношению напряжения (тока) притяжения якоря к напряжению (току) его отпускания. Совершенно естественно, что величины напряжения (тока) притяжения якоря и напряжения (тока) отпускания якоря реле не могут быть равными, так как энергия, затрачиваемая на механическое перемещение якоря, всегда больше энергии его удержания, и зависит она напрямую от конструкции и массы магнитопровода, якоря, зазора между ними в обесточенном состоянии и еще некоторых второстепенных факторов.

Контактная система, как указывалось выше, преобразовывает сообщенную ей механическую энергию в коммутацию цепей электрических сигналов.

Контактная пара реле обладает уникальными электрическими характеристиками, не воспроизводимыми в полном объеме ни одним элементом твердотельной электроники. Основные из них – возможность коммутации цепей, работающих как на переменном, так и на постоянном токе, крайне малое переходное сопротивление замкнутых контактов (десятые и сотые доли Ом), высокое электрическое сопротивление изоляции между управляющими и исполнительными цепями. Необходимо уточнить, что переходное сопротивление замкнутых контактов – величина отчасти нестабильная и зависит от многих факторов, которые будут рассмотрены ниже.

ЭМ реле практически не искажает сетевую синусоиду, ему не требуются радиаторы, так как, с одной стороны, магнитопровод в некотором смысле сам является радиатором для обмотки, а с другой стороны, при правильной эксплуатации и правильно рассчитанной схеме температурный режим обмоток и контактов реле не нарушается. Визуально можно проконтролировать размыкание (или неразмыкание) контактов, а иногда это очень важно.

Единственным отрицательным моментом в работе ЭМ реле является электрическая эрозия, которая разрушает соприкасающиеся поверхности контактов, но проявляется она лишь только при размыкании цепей со значительной индуктивной нагрузкой или при коротком замыкании в цепи контактов.

Эрозия основана на явлении разрушения контактов при электрическом разряде между ними и сопровождается переносом материала с одного контакта на другой. В этом явлении наименее исследован механизм выброса металла.

Направление переноса зависит от полярности напряжения на контактах. Если контакты коммутируют переменное напряжение, то изнашиваются, как правило, оба контакта одинаково. В результате многочисленных разрядов на них появляются углубления, при этом площадь соприкосновения уменьшается, а скорость износа увеличивается. При возникновении электрической дуги образуется озон – газ, который является активным окислителем. При этом на контактах появляется оксидная пленка, возрастает переходное сопротивление – и процесс становится лавинообразным.

Учитывая, что величина эрозионного разрушения уменьшается с ростом температуры плавления металла, то при использовании в качестве материала для изготовления контактов тугоплавких металлов, например вольфрама и его сплавов, их эрозия, при прочих равных условиях, понижается, и контакты оказываются более долговечными.

Выше указывалось, что причиной эрозии является дуга, возникающая при разрыве контактов, которая является проводящим каналом, возникающим в воздухе. Для того чтобы предотвратить эрозию и погасить дугу, используют схемы дугогашения. При невозможности их применения контакты помещают в среду инертных газов, вакуум, масло или воздействуют на дугу, которая является проводником, постоянным магнитным полем (магнитное дутье).

Еще одно неприятное явление, влияющее на надежность и безотказность устройств, содержащих ЭМ реле, является сваривание контактов, в ответственных цепях, связанных с безопасностью, такое явление недопустимо. Совершенно недопустимо и мостовое сваривание, когда свариваются общий, фронтовой и тыловой контакты. Чтобы этого избежать, общие и тыловые контакты для реле ответственных цепей (реле 1-го класса надежности) изготавливают из серебряного сплава, а фронтовые контакты – из графито-серебряного композита, увеличивают зазор между контактами, находящимися в крайних положениях, устанавливают на якоре антимагнитный штифт и т.д.

Но все же, несмотря на малую надежность механических контактов, электромагнитные реле остаются основным элементом коммутации в аппаратуре связи, устройствах автоматики и полностью оправдывают себя при редком переключении.

Особенности твердотельных реле

В последнее время все более широкое распространение получает новый тип коммутатора – твердотельное реле включающее в себя оптоэлектронное реле состоящее из светодиода, свет которого падает на линейку последовательно соединенных фотодиодов, и элементов коммутации, образующих выходную ступень прибора.

Поскольку транзистор МОП конструктивно содержит в себе встроенный диод, для обеспечения «разомкнутого состояния контактов» выключенного реле при любой полярности коммутируемого напряжения, то необходима пара транзисторов, соединенных встречно. Для надежной гальванической развязки между светодиодом и линейкой фотодиодов помещают изолирующую прокладку из оптически прозрачного компаунда. Фотодиодную матрицу и устройство ускорения разрядки выполняют, как правило, на одном кристалле. Фотодиоды один от другого изолируют слоем диэлектрика, например двуокиси кремния. Это предотвращает паразитные утечки между отдельными фотодиодами, которые могут привести к снижению суммарной фотоЭДС.

Классифицируют твердотельные реле по следующим признакам:

  • по типу нагрузки: одно- и трёхфазные, с диапазоном регулируемого напряжения от 40 до 440 В;
  • по способу управления: постоянным напряжением (от 3 до 32 В), переменным напряжением (от 90 до 250 В) и ручному управлению переменным резистором;
  • по методу коммутации:

а) с контролем перехода через ноль. Используются для коммутации емкостных (сглаживающие помехоподавляющие фильтры, содержащие конденсаторы), резистивных (лампы накаливания, электрические нагреватели) и слабоиндуктивных (катушки клапанов, соленоидов) нагрузок.

б) случайного (мгновенного) включения. Употребляются для коммутации индуктивных (трансформаторы, маломощные двигатели) и резистивных (лампы накаливания, электрические нагреватели) нагрузок при возникновении потребности в мгновенном включении нагрузки.

в) с фазовым управлением. Они меняют выходное напряжение на нагрузке и регулируют нагревательные элементы (управление мощностью), лампы накаливания (управление уровнем освещенности).

Преимуществами твердотельных реле перед электромагнитными аналогами состоят в следующем:

  • включение цепи без электромагнитных помех и дребезга контактов (как известно, замыкание любых контактов сопровождается явлением дребезга; ТТ реле свободны от этого недостатка);
  • высокое быстродействие (быстродействие ЭМ реле ограничено и напрямую связано с конструкцией магнитопровода, массой якоря и контактной системы, т.е. реле для коммутации больших токов не может быть быстродействующим);
  • отсутствие шума (ЭМ реле при срабатывании издает акустический шум, который зависит от конструкции, точности изготовления деталей и их сборки, массы подвижных частей магнитопровода и наличия защитного колпака);
  • продолжительный период работы (для ТТ реле производители гарантируют свыше 10 9 переключений, для ЭМ реле их количество значительно меньше);
  • возможность работы во взрывоопасной среде, так как нет дугового разряда;
  • низкое энергопотребление, на 95% меньше, чем у обычных реле (однако реальная картина такова, что энергопотребление ЭМ реле зависит от многих факторов, в том числе от массы якоря и подвижных контактов, но известно множество малогабаритных реле, которые в энергопотреблении могут посоревноваться со своими твердотельными собратьями, но при этом они заметно уступают им в мощности коммутируемой нагрузки);
  • компактная герметичная конструкция, стойкая к вибрации и ударным нагрузкам, что снижает внутрисхемный уровень помех в аппаратуре и обеспечивает стабильность ее работы (это одно из очевидных достоинств ТТ реле, так как, например, повышенные уровни вибрации могут привести к ложным срабатываниям ЭМ реле);
  • возможность низкоуровневых сигналов управления, что существенно упрощает схему включения ТТ реле в отличие от электромагнитного, для управления работой которого, как правило, необходим электронный ключ с защитой от выбросов напряжения, совместимость по входу с логическими микросхемами, обеспечивающая простоту интеграции ТТ реле в цифровые устройства ;
  • отсутствие индуктивности – причины возникновения нежелательных выбросов напряжения при переключении электромагнитных реле;
  • неизменное контактное сопротивление в течение всего срока службы (однако это утверждение не учитывает, что сопротивление способно изменяться при увеличении температуры кристалла, о чем говорится ниже);
  • высокую устойчивость к воздействию внешних электромагнитных полей;
  • возможность создания более компактных и легких устройств по сравнению с аналогичными на ЭМ реле, при прочих равных условиях;
  • коэффициент возврата ТТ реле практически равен 1, в то время как для ЭМ реле получить такой коэффициент конструктивными методами невозможно.
  • со свертыванием производства ЭМ реле значительно экономится медь, запасы которой в природе довольно ограничены. Основным же материалом для производства полупроводниковой продукции является кремний, который по распространённости в земной коре занимает второе место после кислорода.

Отметим, что явным недостатком ТТ реле является их большая подверженность повреждениям от всякого рода перенапряжений и сверхтоков, к тому же они боятся коротких замыканий в нагрузке.

При выборе твердотельного реле следует знать, что оно нагревается при коммутации из-за потерь электроэнергии на силовых управляющих элементах. При этом рост температуры корпуса реле ограничивает величину регулируемого тока (чем больше нагрелся корпус, тем меньший ток можно коммутировать). При температуре в 40°С параметры реле остаются в норме, а при повышении температуры более 60°С величина коммутируемого тока заметно снижается. При этом ТТ реле может отключать нагрузку не полностью, перейти в неуправляемый режим и «сгореть».

Читайте также:  Самый надежный утюг какой фирмы

Поэтому при расчетах схем, содержащих ТТ реле, в условиях коммутации токов, превышающих 5 А, необходимо предусматривать запас по номинальному току в 2–4 раза и охлаждающие радиаторы. При регулировке асинхронных двигателей запас по току нужно увеличить до 6–10 раз, так как способность твердотельного реле выдерживать перегрузки определяется уровнем «ударного тока».

Основными сферами применения твердотельных реле являются системы температурного контроля, промышленного нагрева, управления трансформаторами и электродвигателями, стабилизированного и бесперебойного электропитания, освещения промышленных и общественных объектов.

При выборе твердотельные реле следует учесть три фактора, из-за которых реле могут выйти из строя:

  1. перенапряжение;
  2. перегрузки по току (в том числе короткое замыкание);
  3. перегрев из-за недостаточного отвода тепла.

В качестве защиты от перенапряжения реле следует ставить варисторы, особенно при применении ТТ реле для пуска электродвигателей.

Для большинства твердотельных реле действует требование, что температура основания не должна превышать 50 о С. Для этого могут потребоваться дополнительные теплоотводящие устройства.

Так, например, при токе нагрузки более 5 А, твердотельные реле должны устанавливаться на радиатор с использованием теплопроводящей пасты, заполняющей воздушные пустоты между поверхностью радиатора и основанием твердотельного реле. При токе нагрузки более 20÷25А может потребоваться использование вентилятора. Применяется также защита от превышения температуры, которая отключает твердотельное реле при температуре свыше рекомендуемой. Броски тока являются наиболее частой причиной отказа ТТР. Кроме того, из-за броска тока может быть потеряно управление реле.

Единственным надежным средством защиты твердотельных реле от перегрузок по току являются быстродействующие полупроводниковые предохранители.

Сравнение ТТ и ЭМ реле

Теперь необходимо сказать несколько слов об аналогиях и противоречиях главных героев нашего исследования. Выше говорилось о конструкции управляющей цепи ЭМ реле. Для ТТ реле управляющей цепью являются фотодиоды, которые освещают кристаллы силовых элементов при подаче на них постоянного напряжения определенной полярности. Поэтому аналогия в конструкции управляющих цепей не является тождеством, так как для электромеханических реле возможно любое напряжение управления – от напряжения срабатывания до напряжения, при котором происходит повреждение обмотки (перегрузки могут быть 3–5-кратными), все зависит от массы контактной системы и толщины провода, полярность напряжения для нейтральных реле также роли не играет. Для твердотельных реле диапазон напряжений управления гораздо уже и ограничен сверху током пробоя кристаллов светодиодов, который на 10. 30% выше их номинальной величины. К тому же, приходится, безусловно, соблюдать полярность напряжения, подаваемого на светодиод.

Следующим пунктом в поисках аналогий являются исполнительные цепи. Контакты ЭМ реле представляют собой изделия из металла, графита или металлокерамики. Они способны без искажения формы пропускать электрические токи напряжением от долей вольта до тысяч вольт (хотя это уже не является реле в обычном понимании) и с частотой от нуля до сотен килогерц. ТТ реле подобный универсализм, увы, недоступен.

Полупроводниковых реле, которые могут коммутировать напряжения в тысячи вольт, не существует. Также довольно проблематично создание структур, способных коммутировать напряжения от долей вольта до сотен вольт. Виной этому является пресловутый пороговый эффект на границах p-n-переходов и электрическая прочность кристаллов.

Если для обычного ЭМ реле напряжение пробоя определяется электрической прочностью среды между физически разорванными контактами, то для ТТ реле физического разрыва не существует, а существует отсутствие тока между запертыми структурами. Электрическая прочность их не может быть слишком высокой. К тому же, площадь соприкосновения контактов электромеханических реле гораздо меньше площади p-n-перехода твердотельных реле при одинаковых номинальных токах коммутации.

Если коммутирующим элементом ТТ реле являются тиристоры (симисторы), то коммутировать постоянный ток они не могут, а при коммутации переменного тока сильно искажают синусоиду. Частотные свойства их также ограничены. К тому же для полупроводниковых приборов характерен «симметричный отказ», когда выход из строя сопровождается переходом в неуправляемое состояние с коротким замыканием внутри кристалла или с полным обрывом. В ответственных схемах оба вида отказа, особенно первый, могут быть просто опасными.

Практические схемы на ЭМ и ТТ реле

Немаловажный фактор, определяющий универсальность ЭМ реле — это наличие нормально замкнутых (НЗ) контактов. Когда на обмотку реле не подано напряжение, т.е. реле обесточено, при этом замкнуты контакты НЗ. Через эти замкнутые контакты может собираться какая-либо цепочка, например, с помощью НЗ контактов в ответственных случаях возможно контролировать размыкание (или не размыкание) НР контактов.

Выше уже говорилось о «симметричных отказах», которые в ответственных схемах могут привести к опасным ситуациям. Если для ЭМ реле контроль размыкания фронтового контакта сделать довольно просто, путем контроля замыкания контактов НЗ, то для ТТ реле приходится применять специальные методы проверки их состояния основанные на анализе микропроцессором тока и напряжения на силовых выходах устройства.

Проще говоря если на твердотельном реле произойдет пробой (например при тепловом пробое или коротком замыкании в нагрузке), то оно становится постоянно включеным — т.е. проводником. У электромагнитных контакторов все наоборот — при коротком замыкании в нагрузке контакты реле подгорают и становится изолятором, размыкая при этом аварийную цепь, а приваривание контактов легко контролировать при помощи механически жестко связанных с ними НЗ контактов. Это значит контактор с точки зрения электробезопасность гораздо надежнее.

Твердотельное реле или электромагнитный контактор. Что выбрать?

С появлением полупроводниковых (твердотельных) реле, нередко стало озвучиваться мнение, что дни обычных электромеханических реле сочтены, что их удельный вес в общем объеме выпускаемых радиоэлектронных компонентов сойдет на нет и вскорости они совершенно исчезнут. Чтобы понять так это или нет и почему казалось бы устаревшие электромеханиче реле по прежнему широко используются необходимо разобраться, в чем функциональное сходство, а в чем различие тех и других.

Особенности электромагнитных реле

Электромагнитное нейтральное реле – это самый старый по происхождению, самый простой и самый распространенный тип реле. Магнитная система обычных низковольтных ЭМ реле включает в себя, прежде всего, обмотку управления, выполненную в виде катушки с изолированным проводом, магнитопровод, ярмо и подвижный якорь. Она служит для преобразования электрического тока входного сигнала в механическое перемещение якоря, необходимое для переключения контактов.

С энергией механического перемещения якоря связана крайне важная техническая характеристика любого ЭМ реле. Речь идет о коэффициенте возврата, который равен отношению напряжения (тока) притяжения якоря к напряжению (току) его отпускания. Совершенно естественно, что величины напряжения (тока) притяжения якоря и напряжения (тока) отпускания якоря реле не могут быть равными, так как энергия, затрачиваемая на механическое перемещение якоря, всегда больше энергии его удержания, и зависит она напрямую от конструкции и массы магнитопровода, якоря, зазора между ними в обесточенном состоянии и еще некоторых второстепенных факторов.

Контактная система, как указывалось выше, преобразовывает сообщенную ей механическую энергию в коммутацию цепей электрических сигналов.

Контактная пара реле обладает уникальными электрическими характеристиками, не воспроизводимыми в полном объеме ни одним элементом твердотельной электроники. Основные из них – возможность коммутации цепей, работающих как на переменном, так и на постоянном токе, крайне малое переходное сопротивление замкнутых контактов (десятые и сотые доли Ом), высокое электрическое сопротивление изоляции между управляющими и исполнительными цепями. Необходимо уточнить, что переходное сопротивление замкнутых контактов – величина отчасти нестабильная и зависит от многих факторов, которые будут рассмотрены ниже.

ЭМ реле практически не искажает сетевую синусоиду, ему не требуются радиаторы, так как, с одной стороны, магнитопровод в некотором смысле сам является радиатором для обмотки, а с другой стороны, при правильной эксплуатации и правильно рассчитанной схеме температурный режим обмоток и контактов реле не нарушается. Визуально можно проконтролировать размыкание (или неразмыкание) контактов, а иногда это очень важно.

Единственным отрицательным моментом в работе ЭМ реле является электрическая эрозия, которая разрушает соприкасающиеся поверхности контактов, но проявляется она лишь только при размыкании цепей со значительной индуктивной нагрузкой или при коротком замыкании в цепи контактов.

Эрозия основана на явлении разрушения контактов при электрическом разряде между ними и сопровождается переносом материала с одного контакта на другой. В этом явлении наименее исследован механизм выброса металла.

Направление переноса зависит от полярности напряжения на контактах. Если контакты коммутируют переменное напряжение, то изнашиваются, как правило, оба контакта одинаково. В результате многочисленных разрядов на них появляются углубления, при этом площадь соприкосновения уменьшается, а скорость износа увеличивается. При возникновении электрической дуги образуется озон – газ, который является активным окислителем. При этом на контактах появляется оксидная пленка, возрастает переходное сопротивление – и процесс становится лавинообразным.

Учитывая, что величина эрозионного разрушения уменьшается с ростом температуры плавления металла, то при использовании в качестве материала для изготовления контактов тугоплавких металлов, например вольфрама и его сплавов, их эрозия, при прочих равных условиях, понижается, и контакты оказываются более долговечными.

Выше указывалось, что причиной эрозии является дуга, возникающая при разрыве контактов, которая является проводящим каналом, возникающим в воздухе. Для того чтобы предотвратить эрозию и погасить дугу, используют схемы дугогашения. При невозможности их применения контакты помещают в среду инертных газов, вакуум, масло или воздействуют на дугу, которая является проводником, постоянным магнитным полем (магнитное дутье).

Еще одно неприятное явление, влияющее на надежность и безотказность устройств, содержащих ЭМ реле, является сваривание контактов, в ответственных цепях, связанных с безопасностью, такое явление недопустимо. Совершенно недопустимо и мостовое сваривание, когда свариваются общий, фронтовой и тыловой контакты. Чтобы этого избежать, общие и тыловые контакты для реле ответственных цепей (реле 1-го класса надежности) изготавливают из серебряного сплава, а фронтовые контакты – из графито-серебряного композита, увеличивают зазор между контактами, находящимися в крайних положениях, устанавливают на якоре антимагнитный штифт и т.д.

Но все же, несмотря на малую надежность механических контактов, электромагнитные реле остаются основным элементом коммутации в аппаратуре связи, устройствах автоматики и полностью оправдывают себя при редком переключении.

Читайте также:  Сколько времени живут коты

Особенности твердотельных реле

В последнее время все более широкое распространение получает новый тип коммутатора – твердотельное реле включающее в себя оптоэлектронное реле состоящее из светодиода, свет которого падает на линейку последовательно соединенных фотодиодов, и элементов коммутации, образующих выходную ступень прибора.

Поскольку транзистор МОП конструктивно содержит в себе встроенный диод, для обеспечения «разомкнутого состояния контактов» выключенного реле при любой полярности коммутируемого напряжения, то необходима пара транзисторов, соединенных встречно. Для надежной гальванической развязки между светодиодом и линейкой фотодиодов помещают изолирующую прокладку из оптически прозрачного компаунда. Фотодиодную матрицу и устройство ускорения разрядки выполняют, как правило, на одном кристалле. Фотодиоды один от другого изолируют слоем диэлектрика, например двуокиси кремния. Это предотвращает паразитные утечки между отдельными фотодиодами, которые могут привести к снижению суммарной фотоЭДС.

Классифицируют твердотельные реле по следующим признакам:

  • по типу нагрузки: одно- и трёхфазные, с диапазоном регулируемого напряжения от 40 до 440 В;
  • по способу управления: постоянным напряжением (от 3 до 32 В), переменным напряжением (от 90 до 250 В) и ручному управлению переменным резистором;
  • по методу коммутации:

а) с контролем перехода через ноль. Используются для коммутации емкостных (сглаживающие помехоподавляющие фильтры, содержащие конденсаторы), резистивных (лампы накаливания, электрические нагреватели) и слабоиндуктивных (катушки клапанов, соленоидов) нагрузок.

б) случайного (мгновенного) включения. Употребляются для коммутации индуктивных (трансформаторы, маломощные двигатели) и резистивных (лампы накаливания, электрические нагреватели) нагрузок при возникновении потребности в мгновенном включении нагрузки.

в) с фазовым управлением. Они меняют выходное напряжение на нагрузке и регулируют нагревательные элементы (управление мощностью), лампы накаливания (управление уровнем освещенности).

Преимуществами твердотельных реле перед электромагнитными аналогами состоят в следующем:

  • включение цепи без электромагнитных помех и дребезга контактов (как известно, замыкание любых контактов сопровождается явлением дребезга; ТТ реле свободны от этого недостатка);
  • высокое быстродействие (быстродействие ЭМ реле ограничено и напрямую связано с конструкцией магнитопровода, массой якоря и контактной системы, т.е. реле для коммутации больших токов не может быть быстродействующим);
  • отсутствие шума (ЭМ реле при срабатывании издает акустический шум, который зависит от конструкции, точности изготовления деталей и их сборки, массы подвижных частей магнитопровода и наличия защитного колпака);
  • продолжительный период работы (для ТТ реле производители гарантируют свыше 10 9 переключений, для ЭМ реле их количество значительно меньше);
  • возможность работы во взрывоопасной среде, так как нет дугового разряда;
  • низкое энергопотребление, на 95% меньше, чем у обычных реле (однако реальная картина такова, что энергопотребление ЭМ реле зависит от многих факторов, в том числе от массы якоря и подвижных контактов, но известно множество малогабаритных реле, которые в энергопотреблении могут посоревноваться со своими твердотельными собратьями, но при этом они заметно уступают им в мощности коммутируемой нагрузки);
  • компактная герметичная конструкция, стойкая к вибрации и ударным нагрузкам, что снижает внутрисхемный уровень помех в аппаратуре и обеспечивает стабильность ее работы (это одно из очевидных достоинств ТТ реле, так как, например, повышенные уровни вибрации могут привести к ложным срабатываниям ЭМ реле);
  • возможность низкоуровневых сигналов управления, что существенно упрощает схему включения ТТ реле в отличие от электромагнитного, для управления работой которого, как правило, необходим электронный ключ с защитой от выбросов напряжения, совместимость по входу с логическими микросхемами, обеспечивающая простоту интеграции ТТ реле в цифровые устройства ;
  • отсутствие индуктивности – причины возникновения нежелательных выбросов напряжения при переключении электромагнитных реле;
  • неизменное контактное сопротивление в течение всего срока службы (однако это утверждение не учитывает, что сопротивление способно изменяться при увеличении температуры кристалла, о чем говорится ниже);
  • высокую устойчивость к воздействию внешних электромагнитных полей;
  • возможность создания более компактных и легких устройств по сравнению с аналогичными на ЭМ реле, при прочих равных условиях;
  • коэффициент возврата ТТ реле практически равен 1, в то время как для ЭМ реле получить такой коэффициент конструктивными методами невозможно.
  • со свертыванием производства ЭМ реле значительно экономится медь, запасы которой в природе довольно ограничены. Основным же материалом для производства полупроводниковой продукции является кремний, который по распространённости в земной коре занимает второе место после кислорода.

Отметим, что явным недостатком ТТ реле является их большая подверженность повреждениям от всякого рода перенапряжений и сверхтоков, к тому же они боятся коротких замыканий в нагрузке.

При выборе твердотельного реле следует знать, что оно нагревается при коммутации из-за потерь электроэнергии на силовых управляющих элементах. При этом рост температуры корпуса реле ограничивает величину регулируемого тока (чем больше нагрелся корпус, тем меньший ток можно коммутировать). При температуре в 40°С параметры реле остаются в норме, а при повышении температуры более 60°С величина коммутируемого тока заметно снижается. При этом ТТ реле может отключать нагрузку не полностью, перейти в неуправляемый режим и «сгореть».

Поэтому при расчетах схем, содержащих ТТ реле, в условиях коммутации токов, превышающих 5 А, необходимо предусматривать запас по номинальному току в 2–4 раза и охлаждающие радиаторы. При регулировке асинхронных двигателей запас по току нужно увеличить до 6–10 раз, так как способность твердотельного реле выдерживать перегрузки определяется уровнем «ударного тока».

Основными сферами применения твердотельных реле являются системы температурного контроля, промышленного нагрева, управления трансформаторами и электродвигателями, стабилизированного и бесперебойного электропитания, освещения промышленных и общественных объектов.

При выборе твердотельные реле следует учесть три фактора, из-за которых реле могут выйти из строя:

  1. перенапряжение;
  2. перегрузки по току (в том числе короткое замыкание);
  3. перегрев из-за недостаточного отвода тепла.

В качестве защиты от перенапряжения реле следует ставить варисторы, особенно при применении ТТ реле для пуска электродвигателей.

Для большинства твердотельных реле действует требование, что температура основания не должна превышать 50 о С. Для этого могут потребоваться дополнительные теплоотводящие устройства.

Так, например, при токе нагрузки более 5 А, твердотельные реле должны устанавливаться на радиатор с использованием теплопроводящей пасты, заполняющей воздушные пустоты между поверхностью радиатора и основанием твердотельного реле. При токе нагрузки более 20÷25А может потребоваться использование вентилятора. Применяется также защита от превышения температуры, которая отключает твердотельное реле при температуре свыше рекомендуемой. Броски тока являются наиболее частой причиной отказа ТТР. Кроме того, из-за броска тока может быть потеряно управление реле.

Единственным надежным средством защиты твердотельных реле от перегрузок по току являются быстродействующие полупроводниковые предохранители.

Сравнение ТТ и ЭМ реле

Теперь необходимо сказать несколько слов об аналогиях и противоречиях главных героев нашего исследования. Выше говорилось о конструкции управляющей цепи ЭМ реле. Для ТТ реле управляющей цепью являются фотодиоды, которые освещают кристаллы силовых элементов при подаче на них постоянного напряжения определенной полярности. Поэтому аналогия в конструкции управляющих цепей не является тождеством, так как для электромеханических реле возможно любое напряжение управления – от напряжения срабатывания до напряжения, при котором происходит повреждение обмотки (перегрузки могут быть 3–5-кратными), все зависит от массы контактной системы и толщины провода, полярность напряжения для нейтральных реле также роли не играет. Для твердотельных реле диапазон напряжений управления гораздо уже и ограничен сверху током пробоя кристаллов светодиодов, который на 10. 30% выше их номинальной величины. К тому же, приходится, безусловно, соблюдать полярность напряжения, подаваемого на светодиод.

Следующим пунктом в поисках аналогий являются исполнительные цепи. Контакты ЭМ реле представляют собой изделия из металла, графита или металлокерамики. Они способны без искажения формы пропускать электрические токи напряжением от долей вольта до тысяч вольт (хотя это уже не является реле в обычном понимании) и с частотой от нуля до сотен килогерц. ТТ реле подобный универсализм, увы, недоступен.

Полупроводниковых реле, которые могут коммутировать напряжения в тысячи вольт, не существует. Также довольно проблематично создание структур, способных коммутировать напряжения от долей вольта до сотен вольт. Виной этому является пресловутый пороговый эффект на границах p-n-переходов и электрическая прочность кристаллов.

Если для обычного ЭМ реле напряжение пробоя определяется электрической прочностью среды между физически разорванными контактами, то для ТТ реле физического разрыва не существует, а существует отсутствие тока между запертыми структурами. Электрическая прочность их не может быть слишком высокой. К тому же, площадь соприкосновения контактов электромеханических реле гораздо меньше площади p-n-перехода твердотельных реле при одинаковых номинальных токах коммутации.

Если коммутирующим элементом ТТ реле являются тиристоры (симисторы), то коммутировать постоянный ток они не могут, а при коммутации переменного тока сильно искажают синусоиду. Частотные свойства их также ограничены. К тому же для полупроводниковых приборов характерен «симметричный отказ», когда выход из строя сопровождается переходом в неуправляемое состояние с коротким замыканием внутри кристалла или с полным обрывом. В ответственных схемах оба вида отказа, особенно первый, могут быть просто опасными.

Практические схемы на ЭМ и ТТ реле

Немаловажный фактор, определяющий универсальность ЭМ реле — это наличие нормально замкнутых (НЗ) контактов. Когда на обмотку реле не подано напряжение, т.е. реле обесточено, при этом замкнуты контакты НЗ. Через эти замкнутые контакты может собираться какая-либо цепочка, например, с помощью НЗ контактов в ответственных случаях возможно контролировать размыкание (или не размыкание) НР контактов.

Выше уже говорилось о «симметричных отказах», которые в ответственных схемах могут привести к опасным ситуациям. Если для ЭМ реле контроль размыкания фронтового контакта сделать довольно просто, путем контроля замыкания контактов НЗ, то для ТТ реле приходится применять специальные методы проверки их состояния основанные на анализе микропроцессором тока и напряжения на силовых выходах устройства.

Проще говоря если на твердотельном реле произойдет пробой (например при тепловом пробое или коротком замыкании в нагрузке), то оно становится постоянно включеным — т.е. проводником. У электромагнитных контакторов все наоборот — при коротком замыкании в нагрузке контакты реле подгорают и становится изолятором, размыкая при этом аварийную цепь, а приваривание контактов легко контролировать при помощи механически жестко связанных с ними НЗ контактов. Это значит контактор с точки зрения электробезопасность гораздо надежнее.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
ТурбоЗайм
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!:

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.

Adblock detector