Твердотельные реле схема подключения

Содержание

Элементы коммутации в электрических цепях оборудования различного назначения оказывают большое влияние на качество работы. Поэтому им уделяется повышенное внимание, реле постоянно совершенствуются их надежность и сроки службы увеличиваются. Одним из наиболее эффективных видов реле является твердотельные изделия. Читайте также статью ⇒ Реле напряжения.

Назначение и область применения твердотельных реле

Твердотельные изделия предназначены для обеспечения замыкания и размыкания участков в высоковольтных и низковольтных электрических цепях. Они выполняют ту же функцию что и обычные реле с механическими размыкателями контактов на основе электромагнитной катушки. Основное отличие в том, что оно не имеет механических контактов и электромагнита, коммутация осуществляется полупроводниковыми приборами.

Область применения таких реле та же что и обычных, используются при необходимости коммутации элементов индуктивной нагрузки:

  • В системах нагрева с электрическими тэнами;
  • В производственных технологиях, где необходимо поддерживать стабильную температуру;
  • Для коммутации цепей систем управления в комплексе различного оборудования;
  • В некоторых случаях твердотельными реле заменяют бесконтактные пускатели реверсного типа;
  • В схемах управления электродвигателями;
  • В системах контроля и диагностики оборудования, нагрева трансформаторов и других элементов с установленными пределами определенных параметров в процессе эксплуатации;
  • В схемах управления уровнем освещения на различных объектах.

Невозможно перечислить все варианты, сфера применения этих изделий очень обширна.

Преимущества твердотельных реле

В виду явных преимуществ, твердотельные реле в сравнении с электромагнитными образцами, успешно вытесняют последние, рассмотрим, в чем их основные достоинства:

  • Конструкции твердотельных реле имеют компактные размеры, надежную герметичность, стойки к механическим ударам и эксплуатации в условиях сильной вибрации;
  • Надежность работы этих изделий такова, что производители гарантируют число срабатываний больше миллиарда раз;
  • Работа прибора абсолютно бесшумна, так как отсутствует электромагнит и трескучая группа механических контактов;
  • Высокое быстродействие;
  • При срабатывании отсутствуют побочные электромагнитные излучения, создающие помехи для электроники и радиотехнической аппаратуры;
  • Твердотельные реле практически универсальны, имеют высокую степень защит. Могут применяться на объектах с любыми производственными условиями, в бытовых условиях или на взрывоопасных участках;
  • Сроки эксплуатации рассчитаны на десятки лет, при этом не требуется регулярного технического обслуживания;
  • Так как отсутствуют электромагниты, то потребление электроэнергии твердотельных реле на 90% ниже контактных.

К достоинствам можно отнести и удобную конструкцию для монтажа в различных местах установки.

Конструкция твердотельных реле и принцип работы

Название твердотельное, указывает на структуру конструкции реле, схема которого собрана из полупроводниковых приборов на печатных платах, тиристорах, транзисторах или симисторах. Все элементы помещаются в жесткий корпус, ингда заливаются эпоксидной смолой, таким образом, получается неразборная жесткая конструкция. С наружи выведены только контакты для управления и коммутации подключаемой нагрузки.

Разные модели твердотельных реле

Фактически каждый отдельно взятый тиристор или транзистор является бесконтактным твердотельным реле. При подаче управляющего напряжения на полупроводниковый кристалл p-n-p переходы в его структуре открываются, пропуская ток, при снятии управляющего напряжения закрываются, останавливая поток электронов.

Обычное реле с электромагнитной катушкой и механическими контактами работает по такому же принципу. При подаче напряжения на электромагнитную катушку сердечник втягивается, размыкает или замыкает контакты в зависимости от конструктивных особенностей изделия.

Так как габариты полупроводников имеют малые размеры в одном корпусе можно разместить, комплексную систему коммутации групп контактов различного назначения с схемами на замыкание или размыкание. При этом используются транзисторы, симисторы, тиристоры с р-np или npn переходами, в зависимости от функционального назначения применяют соответствующие твердотельные реле.

Структурная схема твердотельного реле с основными элементами

Изделия отличаются по техническим параметрам по величине коммутируемого тока, напряжению управления и многим другим параметрам. В большинстве случаев сигнал управления на входе предается оптическим путем, через подсветку светодиодом, фотодиода для включения коммутации.

Виды твердотельных реле и схемы подключения

Разновидности твердотельных реле разделяют по следующим признакам:

  • По характеристикам напряжения управляющего сигнала постоянное или переменное, его величина;
  • По напряжению на линии коммутации, так же переменного или постоянного тока;
  • По количеству фаз, в цепях переменного тока, однофазные или трехфазные реле;
  • По схемам коммутации в трехфазных цепях могут быть варианты с реверсом и без него;
  • По конструкции корпуса, для монтажа на плоскую поверхность, на дин – рейку или универсальные.

В некоторых случаях в одном корпусе с реле устанавливаются инверторы напряжения, тогда на входе изделия переменное напряжение а на выходе получается постоянное или наоборот, в зависимости от назначения инвертора. Полупроводниковые реле способны коммутировать нагрузку в цепи с токами до сотен ампер.

Твердотельное реле для коммутации трехфазной цепи переменного тока

Такие изделия применяют для управления работой асинхронных электродвигателей с питанием 380/220В. С левой стороны две клеммы для подачи управляющего напряжения постоянного тока с указанием полярности, величина от 4 до 32 В.

На контакты RST подключаются три фазы по 220В от РЩ, к клеммам UVW провода, идущие к электродвигателю. При кратковременной подаче управляющего напряжения постоянного тока 12 или 24В все три фазы замыкаются, и ток поступает на обмотки электродвигателя.

Существуют реле с более простой схемой коммутации одной фазы, для подключения осветительной системы, нагревательных приборов и другого оборудования с питанием от 220 В.

Такое реле коммутирует однофазные цепи, принцип действия аналогичный на контакты управления подается напряжение постоянного тока от 3 до 18 В, в результате чего открывается тиристор пропуская ток через коммутируемую фазу.

На корпусе указаны основные технические характеристики этой модели. Напряжение в цепи коммутации должно быть не более 240 А, токи нагрузки не более 2.5А.

В данной схеме в цепи управления и коммутации используются напряжения с постоянным током. Такие варианты часто применяются в схемах электроснабжения автомобильного транспорта, где источником питания является аккумулятор.

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

Такие схемы коммутации в системах освещения в целях безопасности производства эффективно применяются на объектах химической, горнодобывающей промышленности. Везде где есть вероятность взрыва в загазованном пространстве, отсутствие искрящих механических контактов существенно снижает вероятность взрыва. Читайте также статью ⇒ Реле тока приоритетное.

Критерии выбора твердотельных реле

Выбор полупроводникового реле определяет несколько факторов:

  • Функциональное назначение схемы с нагрузкой, в которой его планируется использовать;
  • Условия эксплуатации, влажность, окружающая температура;
  • Технические параметры цепи питания схемы оборудования.

В первую очередь определяется ток, проходящий через цепи коммутации, для этого мощность нагрузки надо поделить на напряжение питания.

Если в системе подключается нагревательный тэн мощностью 1.5 кВт, контакты реле должны выдерживать ток 1500Вт 220В = 6,8 А. Но обычно для запаса выбирают на 25% больше расчетной величины, это делается по причине неравномерного потребления тока на различных этапах работы нагрузки. Приборы могут быть индуктивной или реактивной нагрузкой в цепи, реактивная нагрузка в момент включения имеет пиковый скачек по величине потребляемого тока. Кратковременные скачки тока существенно снижают сроки службы полупроводников в реле, поэтому их устанавливают с запасом мощности. Характер нагрузки приборов исследован, рассчитан специальный коэффициент, на который умножается расчетное значение тока.

Коммутируемая реле нагрузка Коэффициент
Лампы со спиралью накаливания 6
Светодиодные светильники 1
Схемы управления двигателем, драйверы 6
Люминесцентные экономичные лампы 10
Понижающие трансформаторы 20
Нагревательные элементы, ни ромовые спирали, тэны, кипятильники 1

В нашем случае нагревательный элемент с коэффициентом 1 х 6.8 = 6.8А.

Для индуктивных нагрузок желательно кратковременный процесс переключения, поэтому управление реле делаются со схемами, где полупроводниковые элементы открываются в любой момент фазы или при нулевом ее значении.

График управления коммутацией при прохождении током нулевого уровня

Совет №1 Переключение в нулевой момент эффективно в радиоэлектронных системах, где исключается возникновение электромагнитного импульса создающего помехи.

Совет №2 Там где требуется плавное увеличение токовой нагрузки целесообразно использовать реле с переменным сопротивлением. При увеличении управляющего напряжения увеличивается напряжение не стороне коммутации.

Для управления в системах цифровой техники логично использовать реле с управляющим напряжением 3-5В постоянного тока, так как сигналы управления в этих схемах имеют такие параметры.

Большое значение имеет температура окружающей среды, полупроводниковые элементы эффективно работают до 80 ̊С. Поэтому в некоторых случаях реле устанавливают на металлический радиатор, который отводит тепло или делают принудительную вентиляцию. В любом случае чтобы реле работало долго и надежно надо учитывать все детали условия эксплуатации и подбирать соответствующие технические характеристики.

Читайте также:  Сочетания вкусов в муссовых тортах

Использование андруино

Для расширения возможностей и сфер применения твердотельных реле широко используют универсальные платы с процессором андруино, которые позволяют управлять переключением самых разных устройств. Это тот случай, когда сигнал управления 3-5В, процессор подключается к компьютеру, с соответствующим программным обеспечением которое управляет работой твердотельных реле, посылая на вход сигналы управления.

Программное обеспечение можно корректировать самостоятельно, методика С++ не сложная, доступна для обычного обывателя не имеющего специального образования программиста и навыков в электронике. Эта тема требует отдельного детального рассмотрения. Управление осуществляется работой различных устройств:

  • Замыканием кнопки пуска любого устройства (звонка, освещения, звуковой сигнализации);
  • Поворотом устройства приводов;
  • Включением электромоторов;
  • Включением датчиков освещения;
  • При пресечении лазерного луча в охранных системах сигнализации;
  • Срабатывание датчиков движения;
  • Датчики температур, управляющие отопительной системой;
  • Отправлять сигналы на другой андруино и много других функций.

Все варианты применения этого устройства трудно описать, плата с процессором может содержать 1 — 4 – 8 и больше каналов. Коммутация может программироваться по времени или управляться с клавиатуры ПК. Для упрощения монтажа можно использовать универсальную панель, на которой можно собирать схемы любой коммутации без пайки, через разъемы с пружинными зажимами. Более сложная система, включающая в себя центральный контролер, позволяет контролировать и управлять бытовыми приборами, на базе андруино можно создать самостоятельно комплекс «Умный дом».

Ошибки, допускаемые при использовании твердотельных реле

  • Чаще всего потребители не правильно делают выбор реле по техническим характеристикам, в результате чего оно не работает или быстро выходит из строя;

Характеристики входных сигналов управления твердотельных реле различных производителей

Марка реле/ параметры серия протон импульс 5П19.20 Crydom H12D4825D PBF Teledyne Relays SD48D50A2 Carlo Gavazzi RA2A48D25 Celduc SOB562460
Величина напряжения постоянного тока в В. 10 — 30 4 — 15 10 – 30 4.5 — 32 3.5 — 32
Минимальная амплитуда срабатывания в В. 1 1 1 1-2 1-2
Входной ток мА. 10 — 25 13 3 До 10 13

Характеристики цепей коммутации этих производителей

Марка реле/ параметры Протон импульс 5П19.20 Crydom H12D4825D PBF Teledyne Relays SD48D50A2 Carlo Gavazzi RA2A48D25 Celduc SOB562460
Коммутируемое напряжение в В. 30 — 540 50 — 530 25 — 600 40 — 530 25 — 600
Коммутируемый ток в А. 0.06 — 25 0.15 — 25 0.005 — 50 0.15 — 25 25
Пиковое напряжение в В. 1200 1200 1200 1200 1200
Пиковый ток в А. 300 250(16,5мс) 550 300(10мс) 230
Рабочая температура. — 40…+85̊С — 40…+80̊С — 40…+100̊С — 20…+80̊С — 40…+100̊С
  • При монтаже изделий для сетей 220 и 380В старайтесь их размещать в РЩ, а не в распределительных коробках и подрозетниках. Это упростит монтаж и доступ при необходимости изменения схемы или ремонта;
  • Обязательно учитывайте полярность при подключении цепи управления и выхода реле с постоянным током.

Часто задаваемые вопросы

  1. Как защитить реле от скачков тока и напряжения в аварийных ситуациях?

В первую очередь устанавливайте изделия, которое соответствует по техническим параметрам цепи, в которой производится коммутация. При коротком замыкании большинство реле выдерживают повышенную нагрузку до 10 мс, в этом случае рекомендуется ставить полупроводниковые предохранители, которые отключают цепь за 2 мс. И реле и предохранители стоят не дешево, но защита дорогостоящего оборудования вполне оправдывает затраты.

  1. Какое пиковое напряжение реле надо выбрать в цепях 220В?

Реле через которое коммутируются цепи с переменным напряжением в 220В рекомендуется выбирать с 9 классом по напряжению, оно выдерживает пиковые скачки до 900В.

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.

Читайте также:  Самый популярный цвет стен

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:

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.

В данной статье поговорим про твердотельное реле, обозначим его преимущество перед механическим реле. Рассмотрим управление и подключение твердотельного реле, принцип его работы и конструкцию, а так же разберем различные схемы.

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.

Принцип работы и конструкция твердотельного реле

Одним из основных компонентов твердотельного реле (SSR) является оптоизолятор (также называемый оптопарой), который содержит один (или более) инфракрасный светодиод или светодиодный источник света, а также фоточувствительное устройство в один случай. Оптоизолятор изолирует вход от выхода.

Светодиодный источник света подключен к входной секции SSR и обеспечивает оптическую связь через зазор с соседним фоточувствительным транзистором, парой Дарлингтона или симистором. Когда ток проходит через светодиод, он загорается, и его свет фокусируется через зазор на фототранзистор / фототриак.

Таким образом, выход оптронного SSR включается при включении этого светодиода, как правило, с помощью низковольтного сигнала. Поскольку единственным входом между входом и выходом является луч света, высоковольтная изоляция (обычно несколько тысяч вольт) достигается с помощью этой внутренней оптоизоляции.

Оптоизолятор не только обеспечивает более высокую степень изоляции входов / выходов, он также может передавать сигналы постоянного тока и низкочастотные сигналы. Кроме того, светодиод и фоточувствительное устройство могут быть полностью отделены друг от друга и оптически связаны с помощью оптического волокна.

Входная схема SSR может состоять только из одного ограничивающего ток резистора, включенного последовательно со светодиодом оптоизолятора, или из более сложной цепи с выпрямителем, регулированием тока, защитой от обратной полярности, фильтрацией и т.д.

Чтобы активировать или включить «ВКЛ» проданное реле состояния в проводимость, на его входные клеммы должно быть приложено напряжение, превышающее его минимальное значение (обычно 3 В постоянного тока) (эквивалентно катушке электромеханического реле). Этот сигнал постоянного тока может быть получен от механического переключателя, логического вентиля или микроконтроллера, как показано ниже.

Входная цепь постоянного тока твердотельного реле

При использовании в качестве сигнала активации механических контактов, переключателей, кнопок, других контактов реле и т.д., используемое напряжение питания может быть равно минимальному значению входного напряжения SSR, тогда как при использовании твердотельных устройств, таких как транзисторы, вентили и микро-контроллеры, минимальное напряжение питания должно быть на один или два вольт выше напряжения включения SSR для учета внутреннего падения напряжения коммутационных аппаратов.

Но помимо использования напряжения постоянного тока, либо ослабления, либо источника, для переключения твердотельного реле в проводящее состояние, мы также можем использовать синусоидальную форму волны, добавив мостовой выпрямитель для двухполупериодного выпрямления и схему фильтра на вход постоянного тока.

Входная цепь переменного тока твердотельного реле

Мостовые выпрямители преобразуют синусоидальное напряжение в двухполупериодные выпрямленные импульсы с удвоенной входной частотой. Проблема здесь заключается в том, что эти импульсы напряжения начинаются и заканчиваются с нуля вольт, что означает, что они упадут ниже минимальных требований к напряжению при включении порога входа SSR, в результате чего выход будет «включаться» и «выключаться» в каждом полупериоде.

Чтобы преодолеть это беспорядочное срабатывание на выходе, мы можем сгладить выпрямленную рябь, используя сглаживающий конденсатор (C1) на выходе мостового выпрямителя. Эффект зарядки и разрядки конденсатора повысит постоянную составляющую выпрямленного сигнала выше максимального значения напряжения включения на входе твердотельных реле. Тогда, даже если используется постоянно изменяющаяся синусоидальная форма волны напряжения, входной сигнал SSR видит постоянное напряжение постоянного тока.

Значения резистора падения напряжения R 1 и сглаживающего конденсатора C 1выбираются в соответствии с напряжением питания, 120 В переменного тока или 240 В переменного тока, а также входным сопротивлением твердотельного реле. Но что-то около 40 кОм и 10 мкФ подойдет.

Затем с добавлением этой мостовой выпрямителя и сглаживающей конденсаторной цепи можно управлять стандартным твердотельным реле постоянного тока, используя источник переменного или неполяризованного постоянного тока. Конечно, производители уже производят и продают входные твердотельные реле переменного тока (обычно от 90 до 280 В переменного тока).

Выход твердотельного реле

Возможности переключения выхода твердотельного реле могут быть как переменного, так и постоянного тока, аналогичными его требованиям к входному напряжению. Выходная цепь большинства стандартных твердотельных реле сконфигурирована для выполнения только одного типа переключающего действия, дающего эквивалент нормально разомкнутого однополюсного однополюсного (SPST-NO) режима работы электромеханического реле.

Читайте также:  Серые обои с рисунком в спальне

Для большинства твердотельных реле постоянного тока обычно используются твердотельные коммутационные устройства — силовые транзисторы, Дарлингтона и MOSFET, тогда как для твердотельного реле переменного тока, коммутационные устройства — это симисторные или двухсторонние тиристоры. Тиристоры предпочтительны из-за их высокого напряжения и тока. Один тиристор также может использоваться в схеме мостового выпрямителя, как показано на рисунке.

Наиболее распространенным применением твердотельных реле является переключение нагрузки переменного тока, будь то управление мощностью переменного тока для включения / выключения, затемнение света, управление скоростью двигателя или другие подобные приложения, где необходимо управление мощностью, эти нагрузки переменного тока может легко управляться с помощью постоянного тока низкого напряжения с помощью твердотельного реле, обеспечивающего длительный срок службы и высокие скорости переключения.

Одним из самых больших преимуществ твердотельных реле по сравнению с электромеханическим реле является его способность выключать «переменные» нагрузки переменного тока в точке нулевого тока нагрузки, тем самым полностью устраняя искрение, электрический шум и отскок контактов, связанные с обычными механическими реле и индуктивными нагрузками.

Это связано с тем, что твердотельные реле переключения переменного тока используют SCR и триак в качестве выходного переключающего устройства, которое продолжает проводить после удаления входного сигнала до тех пор, пока переменный ток, протекающий через устройство, не опустится ниже своего порогового значения или не сохранит значение тока. Тогда выход SSR никогда не сможет выключиться в середине пика синусоидальной волны.

Отключение при нулевом токе является основным преимуществом использования твердотельного реле, поскольку оно уменьшает электрические помехи и обратную эдс, связанные с переключением индуктивных нагрузок, которые видятся как искрение контактами электромеханического реле. Рассмотрим диаграмму формы выходного сигнала ниже типичного твердотельного реле переменного тока.

Форма выходного сигнала твердотельного реле

При отсутствии входного сигнала ток нагрузки не протекает через SSR, поскольку он фактически выключен (разомкнут), а выходные клеммы видят полное напряжение питания переменного тока. При применении входного сигнала постоянного тока, независимо от того, какую часть синусоидального сигнала, положительного или отрицательного, проходит цикл, из-за характеристик переключения SSR при нулевом напряжении, выход включается только тогда, когда сигнал пересекает нулевую точку.

Когда напряжение питания увеличивается в положительном или отрицательном направлении, оно достигает минимального значения, необходимого для полного включения выходных тиристоров или симистора (обычно менее чем около 15 вольт). Падение напряжения на выходных клеммах SSR соответствует падению напряжения переключающего устройства V T (обычно менее 2 вольт). Таким образом, любые высокие пусковые токи, связанные с реактивными или ламповыми нагрузками, значительно снижаются.

Когда сигнал входного напряжения постоянного тока удаляется, выход не отключается внезапно, так как после срабатывания проводимости тиристор или триак, используемый в качестве переключающего устройства, остается включенным в течение оставшейся части полупериода, пока токи нагрузки не упадут ниже удерживающих устройств тока, в этот момент он выключается. Таким образом, высокая обратная ЭДС dv / dt, связанная с переключением индуктивных нагрузок в середине синусоиды, значительно снижается.

Тогда основными преимуществами твердотельного реле переменного тока над электромеханическим реле является его функция пересечения нуля, которая включает SSR, когда напряжение нагрузки переменного тока близко к нулю вольт, таким образом подавляя любые высокие пусковые токи, поскольку ток нагрузки всегда будет запускаться от точки, близкой к 0 В, и присущей нулевой характеристике отключения тока тиристора или симистора. Поэтому существует максимально возможная задержка выключения (между удалением входного сигнала и отключением тока нагрузки) в один полупериод.

Фазорегулирующее твердотельное реле

Хотя твердотельные реле могут выполнять прямое переключение нагрузки при пересечении нуля, они также могут выполнять гораздо более сложные функции с помощью цифровых логических схем, микропроцессоров и модулей памяти. Другое превосходное применение твердотельного реле — в устройствах с диммером ламп, будь то дома, для шоу или концерта.

Твердотельные реле с ненулевым включением (мгновенное включение) включаются сразу после подачи входного управляющего сигнала, в отличие от SSR пересечения нуля, который выше, и ожидает следующей точки пересечения нуля синусоидальной волны переменного тока. Это случайное переключение при пожаре используется в резистивных устройствах, таких как диммер ламп, и в устройствах, в которых нагрузка должна подаваться только в течение небольшой части цикла переменного тока.

Форма сигнала с произвольным переключением

Хотя это позволяет контролировать фазу сигнала нагрузки, основная проблема случайного включения SSR заключается в том, что начальный скачок тока нагрузки в момент включения реле может быть высоким из-за переключающей мощности SSR, когда напряжение питания составляет близко к своему пиковому значению (90 o ). Когда входной сигнал удаляется, он перестает проводить, когда ток нагрузки падает ниже тока тиристоров или триаков, как показано на рисунке. Очевидно, что для твердотельного реле постоянного тока действие включения-выключения является мгновенным.

Твердотельное реле идеально подходит для широкого диапазона применений ВКЛ / ВЫКЛ переключения , поскольку они не имеют подвижных частей или контактов в отличие от электромеханического реле (ЭМР). Существует много различных коммерческих типов на выбор для входных сигналов управления переменного и постоянного тока, а также для переключения выходов переменного и постоянного тока, так как они используют полупроводниковые переключающие элементы, такие как тиристоры, триаки и транзисторы.

Но используя комбинацию хорошего оптоизолятора и симистора, мы можем сделать наше собственное недорогое и простое твердотельное реле для управления нагрузкой переменного тока, такой как нагреватель, лампа или соленоид. Поскольку для работы оптоизолятора требуется только небольшое количество входной / управляющей мощности, управляющий сигнал может поступать от PIC, Arduino, Raspberry PI или любого другого такого микроконтроллера.

Пример твердотельного реле

Предположим, нам нужен микроконтроллер с сигналом порта цифрового выхода всего лишь +5 В для управления нагревательным элементом 120 В переменного тока, 600 Вт. Для этого мы могли бы использовать опто-триационный изолятор MOC 3020, но внутренний триак может пропускать только максимальный ток (I TSM ) в пике 1 А на пике источника переменного тока 120 В, поэтому необходимо также использовать дополнительный переключающий триак.

Сначала давайте рассмотрим входные характеристики оптоизолятора MOC 3020 (доступны другие опто-триаки). Спецификация оптоизоляторов говорит нам, что прямое напряжение (V F ) падения входного светодиода составляет 1,2 В, а максимальный прямой ток (I F ) составляет 50 мА.

Светодиоду требуется около 10 мА, чтобы он мог достаточно ярко светиться до максимального значения 50 мА. Однако порт цифрового выхода микроконтроллера может выдавать максимум 30 мА. Тогда значение требуемого тока лежит где-то между 10 и 30 миллиампер. Следовательно:

Таким образом, можно использовать резистор для ограничения последовательного тока со значением от 126 до 380 Ом. Поскольку порт цифрового выхода всегда переключается на +5 В и для уменьшения рассеивания мощности через светодиод оптопары мы выберем предпочтительное значение сопротивления 240 Ом. Это дает светодиодный прямой ток менее 16 мА. В этом примере подойдет любое предпочтительное значение резистора между 150 Ом и 330 Ом.

Нагрузка нагревательного элемента составляет 600 Вт. Использование 120 В переменного тока даст нам ток нагрузки 5 ампер (I = P / V). Поскольку мы хотим управлять этим током нагрузки в обоих полупериодах (все 4 квадранта) формы сигнала переменного тока, нам потребуется триак переключения сети.

BTA06 — это симистор 600 В на 6 ампер (I T (RMS) ), подходящий для общего / двухпозиционного переключения нагрузок переменного тока, но подойдет любой аналогичный симистор с номинальным напряжением 6–8 ампер. Кроме того, для этого переключающего триака требуется только 50 мА привода затвора для запуска проводимости, что намного меньше максимального значения 1 А для оптоизолятора MOC 3020.

Учтите, что выходной триак оптоизолятора включился при пиковом значении (90 o ) среднеквадратичного напряжения питания 120 В переменного тока. Это пиковое напряжение имеет значение: 120 x 1,414 = 170Vpk. Если максимальный ток опто-триаков (I TSM ) составляет 1 А, то минимальное значение требуемого последовательного сопротивления составляет 170/1 = 170 Ом или 180 Ом до ближайшего предпочтительного значения. Это значение 180 Ом будет защищать выходной триак оптопары, а также затвор триака BTA06 при питании 120 В переменного тока.

Если симистор оптоизолятора включается при значении пересечения нуля (0 o ) среднеквадратичного переменного напряжения питания 120 В , то минимальное напряжение, необходимое для подачи требуемого тока возбуждения затвора 50 мА, заставляющего переключающий триак в проводимость, будет: 180 Ом х 50 мА = 9,0 вольт. Затем симистор срабатывает, когда синусоидальное напряжение Gate-to-MT1 превышает 9 вольт.

Таким образом, минимальное напряжение, требуемое после точки пересечения нуля формы сигнала переменного тока, должно составлять 9 вольт, при этом рассеяние мощности в этом последовательном затворном резисторе очень мало, поэтому можно безопасно использовать резистор номиналом 0,5 Ом с сопротивлением 0,5 Ом и номиналом 0,5 Вт. Рассмотрим схему ниже.

Схема реле переменного тока

Этот тип конфигурации оптопары формирует основу очень простого применения твердотельного реле, которое может использоваться для управления любой нагрузкой от сети переменного тока, такой как лампы и двигатели. Здесь мы использовали MOC 3020, который является изолятором со случайным переключением. Опто-триачный изолятор MOC 3041 имеет те же характеристики, но со встроенным обнаружением пересечения нуля, позволяющим нагрузке получать полную мощность без больших пусковых токов при переключении индуктивных нагрузок.

Диод D 1 предотвращает повреждение из-за обратного подключения входного напряжения, в то время как резистор 56 Ом (R 3 ) шунтирует любые токи di / dt при отключенном симисторе, устраняя ложные срабатывания. Он также связывает терминал затвора с MT1, обеспечивая полное отключение симистора.

Если используется входной сигнал ШИМ с широтно-импульсной модуляцией, частота переключения ВКЛ / ВЫКЛ должна быть установлена ​​не более 10 Гц для нагрузки переменного тока, иначе выходное переключение этой полупроводниковой релейной цепи может не выдержать.

Тимеркаев Борис — 68-летний доктор физико-математических наук, профессор из России. Он является заведующим кафедрой общей физики в Казанском национальном исследовательском техническом университете имени А. Н. ТУПОЛЕВА — КАИ

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