Твердотельное реле: схема, принцип работы, подключение

Чтобы обеспечить бесконтактную коммуникацию различных устройств без использования электромагнитов применяют твердотельное реле. Об особенностях, принципе действия и схеме подключения данного устройства поговорим далее.

Оглавление:

1. Твердотельное реле — принцип работы
2. Преимущества и сфера использования твердотельного реле
3. Разновидности твердотельных реле
4. Выбор и покупка твердотельного реле
5. Особенности подключения твердотельного реле

Твердотельное реле — принцип работы

Твердотельное реле — это устройство, обеспечивающее контакт между низковольтными и высоковольтными электрическими цепями.

Рассматривая структуру данного прибора, большинство моделей схожи между собой, имеют незначительные отличия, которые никак не влияют на принцип их работы.

Структура твердотельного реле включает наличие:

• входа,
• оптической развязки,
• триггерной цепи,
• цепи переключателя,
• цепи защиты.

Входом является первичная цепь, которая характеризуется наличием резистора на постоянном изоляторе, который имеет последовательное подключение. Основная функция цепи входа состоит в принятии сигнала и передаче команды устройству твердотельного реле, которое коммутирует нагрузку.

В качестве изоляции входной и выходной сети с переменным током используется устройство оптической развязки. От типа данного компонента, зависит вид реле и его принцип работы.

Для обработки входного сигнала и переключения выхода используется конструкция триггерной цепи. Она выступает, как отдельный элемент, а в некоторых моделях входит в состав оптической развязки.

Чтобы подать силу напряжения на нагрузку используется цепь переключающего типа, которая включает транзистор, кремниевый диод и симистор.

Чтобы защитить твердотельное реле от сбоев в работе или возникновения ошибок, используется отдельная защитная цепь. Это устройство бывает двух видов: внутреннего и внешнего.

Твердотельное реле схема состоит из:

• системы контроля,
• устройства твердотельного реле,
• двигателя, насоса, сварочного аппарата, трансформатора или нагревателя.

Чтобы коммутировать индуктивную нагрузку с помощью твердотельного реле следует увеличить запас тока в 6-8 раз.

Принцип работы твердотельного реле состоит в замыкании или размыкании контактов, которые передают напряжение непосредственно на реле. Чтобы привести в действие контакты необходимо наличие активатора. Его роль в твердотельном реле выполняет полупроводник или твердотельный прибор. В устройствах которые работают при переменном токе это тиристор или симистор, а для приборов с постоянным током — транзистор.

Прибор, который характеризуется наличием ключевого транзистора, является твердотельным реле. Это, например, датчик движения или света, который с помощью транзистора осуществляет передачу напряжения.

Между напряжением в катушке и силовых контактах появляется действие гальванической развязки, которое исчезает в следствие наличия оптической цепи.

Преимущества и сфера использования твердотельного реле

Твердотельное реле часто заменяет обычные контактеры из-за большого количества преимуществ перед ними. Рассмотрим основные достоинства твердотельного реле:

1. Небольшое потребление энергии — из-за отсутствия электромагнитного разнесения, электромагнитное реле потребляет много электроэнергии, так как в твердотельном реле используется полупроводник, количество электроэнергии для его работы меньше на 90%.

2. Твердотельное реле малогабаритное устройство, это качество позволяет его легко транспортировать и устанавливать.

3. Данное устройство характеризуется высоким уровнем быстродействия и не требует ожидания для запуска.

4. Низкая шумопроизводительность — еще одно преимущество твердотельного реле перед контактерами.

5. Такие приборы отличаются более длительным сроком эксплуатации и не требуют дополнительного технического обслуживания.

6. Имеют большую сферу использования и подходят для разных приборов.

7. Твердотельное реле позволяет включать цепь не допуская помех электромагнитного характера.

8. Высокий уровень быстродействия позволяет избежать дребезга контактов во время работы устройства.

9. Твердотельное реле позволяет осуществить более миллиарда срабатываний.

10. Наличие надежной изоляции между цепями входа и коммутации повышает производительность прибора.

11. Реле отличается наличием компактной герметичной конструкции и стойкой вибрацией перед ударами.

Сфера использования твердотельного реле достаточно широкая. Их используют в том случае, если возникает необходимость в коммутации индуктивной нагрузки. Рассмотрим основные области применения данного устройства:

• система, в которой производится регулировка температуры при помощи тэна;
• чтобы поддержать постоянную температуру в технологическом процессе;
• для коммутирования цепи управления;
• при выполнении замены пускателей бесконтактного реверсного типа;
• управление электрическими двигателями;
• контроль нагрева, трансформаторов и других технических приборов;
• регулирование уровня освещения.

Разновидности твердотельных реле

Есть несколько разновидностей твердотельного реле, которые отличаются особенностями контролирующего и коммутируемого напряжения:

1. Твердотельные реле постоянного тока — используется при действии постоянного электричества в диапазоне от 3 до 32-х Вт. Характеризуется высокими удельными характеристиками, светодиодной индикацией, высокой надежностью. Большинство моделей имеют широкий диапазон рабочих температур от -30 до +70 градусов.

2. Твердотельные реле переменного тока отличается низким уровнем электромагнитных помех, отсутствием шума во время работы, низким потреблением электроэнергии и высокой скоростью работы. Рабочий интервал составляет 90-250 Вт.

3. Твердотельные реле с ручным управление, позволяют настраивать тип работы.

В соотношении с типом нагрузки выделяют:

• однофазное твердотельное реле,
• трехфазное твердотельное реле.

Однофазное реле позволяет коммутировать электричество в диапазоне 10-120 А, или в диапазоне 100-500 А. Фазовое управление осуществляется при помощи аналогового сигнала и переменного резистора. Трехфазные реле применяют для коммутации тока сразу на трех фазах одновременно. Они имеют рабочий интервал от 10 до 120 А. Среди трехфазных реле выделяют устройства реверсивного типа, которые отличаются маркировкой и бесконтактной коммукацией. Их функция состоит в надежной коммутации каждой цепи отдельно. Специальные устройства способны надежно защищать реле от ложных включений.

Они используются во время запуска и работы асинхронного двигателя, который производит их реверс. При выборе данного устройства необходимо соблюдать большой запас мощности тока, который безопасно и эффективно эксплуатирует устройство.

Чтобы избежать возникновения перенапряжений при использовании реле, следует обязательно приобрести варистор или предохранитель быстрого действия.

Трехфазные реле отличаются более длительным сроком эксплуатации, чем однофазные. Коммукация происходит в следствие перехода тока через ноль и светодиодную индикацию.

В соотношении с методом коммукации выделяют:

• устройства, выполняющие нагрузки емкостного типа, редуктивного типа, слабой индукции;
• реле со случайным или мгновенным включением, используются в том случае, когда требуется мгновенное срабатывание;
• реле с наличием фазового управления, позволяют производить настройку нагревательных элементов, ламп накаливания.

В соотношении с конструкцией твердотельные реле бывают:

• монтируемые на Д И Н рейки,
• универсальные, устанавливаемые на планки переходного типа.

Выбор и покупка твердотельного реле

Чтобы купить твердотельное реле, следует обратиться в специализированный магазин электроники, в котором опытные специалисты помогут подобрать устройство, в соотношении с необходимой мощностью.

Твердотельное реле цена определяется такими характеристиками:

• тип устройства,
• наличие крепежных элементов,
• материал, из которого изготовлен корпус,
• мгновенное или постепенное включение,
• наличие дополнительных функций,
• производитель,
• мощность,
• потребление электроэнергии,
• габариты прибора.

Во время покупки твердотельного реле, следует учесть один очень важный момент. Данные устройства должны работать с запасом мощности, который превышает мощность устройства в несколько раз. Если не придерживаться этого правила, при небольшом повышении мощности, прибор мгновенно выйдет из строя.

Рекомендуется использование специальных предохранителей, которые помогут избежать поломки реле.

Есть несколько разновидностей предохранителей:

• g R — используются во широком диапазоне мощностей, отличаются быстрым действием;
• g S — используются во всем диапазоне тока, защищаю элементы полупроводников от повышенных нагрузок электросети;
• a R — защищают элементы полупроводникового типа от возникновения коротких замыканий.

Такие устройства имеют достаточно высокую стоимость, которая приравнивается к стоимости самого реле, но они обеспечивают высокоэффективную защиту устройства от поломки.

Существуют другие предохранители, которые относятся к классу В, С и D. Они отличаются меньшим спектром защиты и более дешевой стоимостью.

Во время эксплуатации твердотельного реле, следует учесть, что данный прибор очень быстро нагревается. Если корпус устройства очень сильно нагрелся, то оно не способно коммутировать ток в обычном режиме, количество тока очень сильно снижается. Если температура нагрева достигнет 65 градусов, то прибор сгорит.

Поэтому во время использования реле обязательно требуется установка охлаждающего радиатора. И запас тока должен быть в три, четыре раза выше. Если производится регулировка двигателей асинхронного типа, то запас тока увеличивается в восемь-десять раз.

Особенности подключения твердотельного реле

Рекомендации по самостоятельному подключению твердотельного реле:

1. Соединения не требуют использования пайки, а осуществляются винтовым способом.

2. Чтобы избежать повреждения прибора нельзя допускать попадания в него пыли или элементов металлического происхождения.

3. Не разрешается прилагать недопустимые внешние воздействия на корпус устройства.

4. Не размещайте твердотельное реле рядом с легко воспламеняющимися предметами, а также не прикасайтесь к прибору, в то время когда он работает, чтобы избежать получения ожогов.

5. Перед включением реле следует убедиться в правильной коммутации соединений.

6. В случае нагрева корпусы выше 60 градусов, рекомендуется установка реле на радиатор охлаждения.

7. Чтобы избежать повреждения прибора нельзя допускать возникновения короткого замыкания на выходе.

 

схема подключения, устройство, характеристики и управление

Содержание статьи:

Для контроля различного электронного оборудования требуется прибор, отличающийся миниатюрными размерами и высокой степенью надежности. К таким устройствам относятся твердотельные реле постоянного и переменного тока. Они нашли свое применение в бытовых и промышленных условиях. Реле можно самостоятельно собрать и установить своими руками без особых трудностей. Единственный критерий, препятствующий широкому распространению устройства – его стоимость. Прежде чем использовать твердотельное реле, нужно разобраться с его параметрами, принципом работы, конструкцией.

Принцип работы

Устройство твердотельного реле

Твердотельное реле – это модульный полупроводниковый прибор, используемый для замыкания и размыкания электрических сетей. Он представлен в виде транзисторов, симисторов, тиристоров. Твердотельные реле также называются SSR (solid state relay).

Основные компоненты, из которых состоит реле:

• входной узел;
• предохранители;
• триггерная цепь;
• развязка;
• узел переключения;
• защитная цепь;
• выходной узел.

Большая часть твердотельных реле применяется для автоматики, подключенной к электросети 20-480 Вольт.

Принцип действия устройства прост. В корпус реле входят два контакта и два управляющих провода. Их число может изменяться в зависимости от фаз, которые были подключены. Под действием напряжения происходит переключение основной нагрузки.

Работая с реле, нужно учитывать, что под высокими напряжениями есть риск появления небольших токов утечки, которые могут навредить технике. Это связано с тем, что в реле остается небольшое сопротивление.

Известные модели

Расшифровка маркировки

Основные характеристики зависят от многих факторов. К популярным отечественным моделям, произведенным фирмами КИПпрбор, Протон, Cosmo, относятся:

• ТМ-О. Устройства со встраиваемой схемой «ноль», через которую проходит переход фазы.
• ТС. Модели, которые выключаются в любой момент времени.
• Наиболее популярные и используемые – ТМВ, ТСБ, ТСМ, ТМБ, ТСА. Они обладают выходной RC цепью.
• Тс/ТМ – силовые. Токи достигают значений 25 мА.
• ТСА, ТМА – применяются в чувствительных приборах.
• ТСБ, ТМБ – низковольтные модели. Напряжение не превышает 30 В.
• ТСВ, ТМВ – высоковольтные. Напряжение достигает 280 В.

К иностранным аналогам относятся изделия, произведенные фирмами Carlo Gavazzi, Gefran, CPC.

Расшифровка

Модели SSR, TSR (однофазные и трехфазные соответственно) являются самыми популярными. Их сопротивление равно 50 Мом и более при напряжении 500 В.

Записывается обозначение как SSR -40 D A H. SSR или TSR обозначает число фаз. 40 – нагрузка в Амперах. Буквой обозначается сигнал на входе (L 4-20 мА, D – 3-32 В при постоянном токе, V – переменное сопротивление, A – 80-250 В при переменном токе). Следующая буква – входное напряжение (А – переменное, D – постоянное). Последняя буква – диапазон выходных напряжений (Н – 90-480 В, нет буквы – 24-380 В).

Особенности работы с устройством

Реле однофазное 220В

При работе с твердотельным реле 220в (управление 220), нужно придерживаться следующих правил:

• Соединение должно осуществляться винтовым способом. Оно является достаточно надежным. Спайка частей не нужна, скрутка запрещена.
• Нельзя допускать попадания пыли, воды и металлических предметов на реле. Они приводят к выходу из строя компонента.
• Нельзя прикладывать недопустимые внешние воздействия на корпус. К ним относятся заливание жидкостью, удары, вибрации, падения.
• Не трогать прибор во время работы. Корпус нагревается, из-за чего человек может получить ожог.
• Не устанавливать реле рядом с легковоспламеняемыми предметами.
• Перед подключением цепи следует убедиться в корректности собранных соединений.
• При нагреве корпуса выше 60 градусов требуется установка дополнительного охлаждения с помощью радиаторов.
• Нельзя допускать появления короткого замыкания на выходе.

При соблюдении требований к эксплуатации реле будет выполнять свою работу надежно и качественно весь заявленный срок.

Преимущества и недостатки

Твердотельные реле имеют ряд положительных качеств перед электромеханическими аналогами. К ним относятся:

• Долговечность. Полупроводниковый прибор способен выдержать до десятков тысяч циклов включения и выключения.
• Создается качественное подключение.
• Грамотный контроль нагрузки.
• Высокое быстродействие.
• Отсутствие электромагнитных помех в замкнутой сети.
• Быстрое срабатывание.
• Бесшумность работы.
• Миниатюрные размеры.
• Отсутствие дребезгов контактов.
• Высокая производительность.
• Возможность плавного перехода между сетями постоянного и переменного тока. Зависит от мощности и типа прибора.
• Широкая область применения.
• Выдерживает перегрузки в 2000.
• Защита от резких и больших скачков напряжения и тока.

Есть и ряд минусов, из-за которых электромеханическое реле может быть выгоднее в применении. В первую очередь это высокая стоимость изделия и сложность его покупки. Приобрести твердотельные реле можно только в профессиональном специализированном магазине электронных компонентов. Сложности возникают и при первичной коммутации – могут появиться высокие скачки тока. Возникающие в процессе работы микротоки также негативно сказываются на реле.

На работу устройства накладываются и эксплуатационные требования – в помещении должен быть нормальный уровень пыли и влажности. Оптимальные значения можно найти в документации к реле.

Твердотельные реле не могут работать с приборами, напряжение которых превышает 0,5 кВ. Повышение рекомендуемых значений может привести к расплавлению контактов.

Области применения

Область применения

Несмотря на высокую цену, твердотельные реле активно применяются в различных сферах. Они успешно справляются со следующими задачами:

• Регулирование температуры с помощью тэна.
• Поддержка нужной температуры в технологических процессах.
• Коммутация управляющих цепей.
• Замена пускателей бесконтактного типа.
• Управление электрическими двигателями.
• Контроль нагрева трансформаторов.
• Регулирование уровня подсветки.

В каждом случае используется определенный тип реле.

Классификация твердотельных реле

Трехфазное реле

Полупроводниковые твердотельные реле можно классифицировать по разным показателям. По особенностям контролирующего и коммутируемого напряжения выделяют:

• Твердотельные реле постоянного тока. Их используют в цепях постоянного электричества с мощностью от 3 до 32 Ватт. Отличаются высокими удельными характеристиками, наличием светодиодной индикации, надежностью. Рабочий температурный диапазон достаточно широк и составляет от -30 до +70 градусов.
• Реле переменного тока. Они отличаются низким уровнем электромагнитных помех, отсутствием шумов, малым потреблением электроэнергии. Диапазон рабочих мощностей составляет от 90 до 250 Вт.
• Реле с ручным управлением. С помощью таких устройств можно самостоятельно регулировать режим работы.

По типу напряжения выделяются однофазные и трехфазные реле. Однофазные приборы используются в сетях с силой тока от 100 до 120 А или от 100 до 500 А. В них управление осуществляется за счет получения аналогового сигнала и переменного резистора. Трехфазные реле используются для коммутации на трех фазах одновременно. Сила тока 10-120 А. Трехфазные модели служат дольше однофазных.

В отдельную группу из трехфазных твердотельных реле выделяют устройства реверсивного типа. Они отличаются маркировкой и бесконтактным соединением. Основной функцией является надежная коммутация каждой цепи по отдельности. Они защищают цепь от ложных срабатываний. Основное применение нашли в асинхронных двигателях. Для работы с реле необходима установка предохранителя или варистора.

По методу коммутации реле классифицируются так:

• устройства емкостного или редуктивного типа, а также приборы слабой индукции;
• со случайным или мгновенным срабатыванием;
• с фазным управлением.

По конструкции можно выделить модели, устанавливающиеся на дин рейку и на специальную планку переходного типа.

Советы по выбору

Предохранитель от повышения нагрузок

Купить твердотельные реле можно только в специализированном магазине электронной техники.  Опытные специалисты помогут подобрать лучшее устройство для определенных целей. На стоимость изделия влияют следующие факторы:

• тип реле;
• наличие фиксирующих механизмов;
• материал корпуса;
• время включения;
• фирма-изготовитель и страна производства;
• мощность;
• необходимая энергия;
• габариты.

При покупке важно учесть, что должен быть запас по мощности, превышающий рабочую в несколько раз. Это убережет реле от поломок. Также дополнительно используются специальные предохранители. К самым надежным относятся:

• G R – используются в широком диапазоне нагрузок, отличаются высоким быстродействием.
• G S – работают во всем диапазоне токов. Надежно защищают устройство от превышения нагрузки электросети.
• A R – защищают компоненты полупроводникового устройства от короткого замыкания.

Такие приборы обеспечивают высокую защиту от поломок. Их стоимость сопоставима с ценой самого реле. Меньшими защитными свойствами и, соответственно, меньшей стоимостью обладают предохранители классов B, C, D.

Для надежной и стабильной работы реле нужно подобрать охлаждающий радиатор. Особенно это актуально при превышении температуры выше 60 градусов. Запас тока для обычного реле должен превышать рабочие токи в 3-4 раза. При работе с асинхронными двигателями этот показатель должен увеличиться до 8-9 раз.

Схемы подключения

Существуют различные способы подключения твердотельных полупроводников. Они зависят от особенностей подключаемой нагрузки. Дополнительно в схему могут включаться различные элементы управления.

К наиболее используемым схемам относятся:

• Нормально-открытая. Нагрузка находится под напряжением при наличии управляющего сигнала.
• Нормально-закрытая. Нагрузка находится под напряжением при отсутствии управляющего сигнала.
• Управляющее и нагрузочное напряжение равны. Используется для работы в сетях постоянного и переменного тока.
• Трехфазное. Может подсоединяться по-разному – «звезда», «треугольник», звезда с нейтралью».
• Реверсивное. Разновидность трехфазного реле. Включает в себя 2 контура управления.

Прежде чем собирать схему, ее нужно нарисовать на бумаге.

Подключение к сети производится через пускатели или контакты. При использовании трехфазного реле все 3 фазы должны быть подключены к соответствующим клеммам, расположенным сверху прибора. Маркируются верхние фазные контакты буквами A, B C, ноль – N.

На устройстве есть и нижние клеммы, маркирующиеся цифрами 1, 2, 3. Подключаются они по следующему алгоритму:

• 1 – к выходу катушки в контакторе.
• 3 – на любую фазу, которая проходит в обход реле.
• 2 – к нулю сети.

Силовые элементы подключаются следующим образом: фазы под напряжением нужно подсоединить к соответствующим клеммам на контакторе; нагрузочные проводники – на выход контактора; нули объединяются на общей шине в распределительной коробке.

Настройка реле будет рассмотрена на примере VP 380 А:

• Устройство включить в сеть.
• Посмотреть на дисплей. При отсутствии напряжения будут мигать цифры. Появление черточек сигнализирует об изменении чередования фаз или отсутствии одной из них.

В нормальном состоянии электросети примерно через 15 секунд должны замкнуться контакты 1 и 3, подающие питание на катушку и в сеть.

Если подключение выполнено неверно, экран будет мигать. Тогда нужно проверить его правильность. Выставить необходимые настройки можно с помощью кнопок на корпусе. Кнопки с треугольниками отвечают за выставление нужных пределов.

Что такое твёрдотельное реле?

Устройство и параметры твёрдотельных реле

Радиоэлектроника развивается стремительными темпами и то, что совсем недавно использовалось повсеместно, в настоящее время кажется пережитком далёкой старины. Электромеханическое реле ещё активно используется, но на смену ему идёт принципиально новый электронный прибор – твёрдотельное реле.

В англоязычной технической литературе твердотельное реле (ТТР), имеет сокращённое обозначение SSR (Solid State Relays).

Твёрдотельное реле служит для управления силовыми цепями с помощью низковольтной цепи управления. В качестве коммутатора силовой цепи используются мощные ключи на полупроводниковых структурах, выполненных по типу: транзистора, тиристора или симистора.

По сути, твёрдотельное реле является аналогом всем знакомого электромеханического, но выполненного по полупроводниковой технологии.

Такие реле, в зависимости от типа, могут работать как в цепях переменного, так и постоянного тока.

Принцип работы твёрдотельного реле.

Работает твердотельное реле следующим образом: управляющий сигнал подаётся на светодиод. Оптическое излучение вызывает на фотоприёмнике (фотодиоде) появление ЭДС. Это напряжение подаётся на управляющую схему, которая вырабатывает сигнал для управления выходным ключом.

Таким образом, вся работа твёрдотельного реле осуществляется в нескольких ступенях разделённых между собой:

• Входная цепь (излучающий диод).

• Оптическая развязка.

• Фотодиод с триггером управления (схема управления).

• Цепь коммутации (симистор).

• Цепь защиты выходного ключа (варистор и т.п.).

В зависимости от назначения и параметров твёрдотельного реле оно может иметь различное устройство. Как уже говорилось, в качестве силового ключевого элемента, который коммутирует ток нагрузки, может быть использован симистор, МДП-транзистор, тиристор, диод, биполярный транзистор или IGBT-транзистор. Благодаря этому в продаже можно найти твёрдотельное реле под любую задачу.

Основных параметров у твёрдотельного реле немного:

• Коммутируемое напряжение U_макс;

• Коммутируемый ток I_макс;

• Управляющий сигнал;

• Скорость переключения.

Качественные отличия твёрдотельных реле от электромеханических.

Почему твёрдотельные полупроводниковые реле всё активней занимают место «классических» электромеханических? Как известно, у электромеханических реле недостатков много: большое время срабатывания, подгорание контактов (как следствие, низкая надёжность), дребезг контактов, искрение (вызывает помехи в работе аппаратуры).

По сравнению с электромагнитными реле, твёрдотельные обладают рядом несомненных преимуществ:

• Допускается не менее миллиарда переключений, что в тысячу раз превышает этот показатель у обычных электромеханических.

• Совместимость с уровнями логических микросхем. То есть SSR можно управлять прямо с выхода микросхем.

• Отсутствие контактов а, следовательно, и дребезга.

• Бесшумная работа, вибростойкость, высокое быстродействие.

• Очень малое энергопотребление.

Следует отметить, что твёрдотельные реле очень чувствительны к превышению, как напряжения, так и тока. Поэтому, выбирая твердотельное реле необходимо всегда учитывать запас минимум в 20 %. Есть ещё два очень важных момента, на которые необходимо обращать внимание. Эти устройства очень боятся перегрева, а при работе полупроводниковая структура сильно нагревается, поэтому наличие радиатора необходимо. Очень часто коммутируемую цепь шунтируют варистором для защиты от импульсных выбросов.

Маломощные твёрдотельные реле.

Существует целая серия твердотельных реле рассчитанных на работу с небольшими токами и напряжениями. Их принято называть телекоммуникационными реле или MER (MicroElectronic Relay). Как правило, они рассчитаны на коммутацию нагрузки небольшой мощности.

Маломощные полупроводниковые реле имеют очень небольшие размеры и прекрасно зарекомендовали себя, работая в многофункциональных телефонных аппаратах, контрольно-измерительной аппаратуре, модемах, приёмно-контрольных приборах систем охранной и пожарной сигнализации.

Поскольку они работают в слаботочных системах, их внутренняя схемотехника заметно упрощена с целью снижения себестоимости. Особенно удобно их использование в системах оповещения о пожаре или несанкционированном проникновении. В этих системах требуется очень высокий уровень надёжности, который далеко не всегда могут обеспечить электромагнитные реле. Рассмотрим устройство слаботочного реле CPC1035.

Как видно из рисунка, такое реле представляет собой комбинированное устройство. В его составе есть высокоэффективный излучающий AsGaAl-инфракрасный диод. Он является управляющей цепью (Control). Нагрузку (Load) коммутирует сдвоенный MOSFET транзистор. Благодаря сдвоенному MOSFET транзистору реле допускает коммутацию переменного тока. Как только на инфракрасный диод подаётся напряжение, он начинает излучать. Излучение принимается фотодиодной матрицей, в которой создаётся фото-ЭДС. Далее, полученное от фотоматрицы напряжение (фото-ЭДС), подаётся на управляющую схему. Та в свою очередь управляет ключом из полевых транзисторов. Цепь нагрузки начинает пропускать ток. Как видим, в основе любого твёрдотельного реле лежит полупроводниковая технология.

Основные параметры CPC1035:

• Коммутируемое переменное напряжение (Blocking Voltage) — 0…350 В;

• Максимальный ток нагрузки (Load Current) — 100 мА;

• Максимальное сопротивление ключа во включенном состоянии (Max On-resistance) — 35 Ом;

• Величина управляющего тока — 2…50 мА (Ток управления — постоянный).

Такие маломощные и миниатюрные реле активно используются в охранных датчиках. Вот, например, реле COSMO типа CPC1008 на плате датчика движения «Фотон-Ш». Оно подключается в охранный шлейф приёмно-контрольного прибора (например, ППКОП «Гранит») или к линии, которая подключена к пульту центрального наблюдения (ПЦН).

Твёрдотельные реле серии CPC10xx также есть в составе охранного датчика «Астра-621». Это многофункциональный датчик. Он контролирует движение в охраняемой зоне за счёт пироэлектрического датчика и осуществляет контроль разбития окон за счёт чувствительного микрофона. На печатной плате прибора расположено два полупроводниковых реле типа CPC1016N. Одно срабатывает при детектировании движения в охранной зоне, а другое срабатывает при разбитии окон.

Если приглядеться, то можно увидеть, что на печатной плате твёрдотельное реле обозначается как DA4 и DA5. Как известно, сокращением DA обычно указывают на схемах аналоговые микросхемы. Поэтому стоит понимать, что твёрдотельное реле это не отдельный электронный компонент, а по своей сути специализированная микросхема, наподобие ИК-приёмника.

 

Главная &raquo Радиоэлектроника для начинающих &raquo Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

 

Твердотельное реле-полный обзор всех параметров

Твердотельные реле относятся к модульным полупроводниковым устройствам, в конструкции которых предусмотрены силовые ключи на структурах, содержащих симисторы, тиристоры или транзисторы.

Используются в качестве успешной альтернативы традиционным электромагнитным реле или контакторам. Устройства распространены в сфере коммутации однофазных и 3-фазных линий. Они применяются для бесконтактной коммутации отопительных устройств, освещения и прочего оборудования с резистивной нагрузкой с напряжением от 24 до 380 В для переменного тока для управления трансформаторами. Используются для индуктивной нагрузки, например, слаботочные двигатели или электромагниты.

 

Рис. №1. Внешний вид твердотельного реле и габаритные размеры.

Твердотельные реле подразделяются по типу управления, это реле переменного или постоянного тока с использованием переменного резистора и с помощью аналогового сигнала тока 4 – 20 мА. Реле для управления уровня напряжения включают или отключают нагрузку с помощью подачи или снятия с нагрузки полного сигнала.

Достоинства

• Продолжительный период эксплуатации.
• Отсутствие постороннего шума, неустойчивых контактных соединений, искрений и электродуги при переключении.
• Надежное сопротивление изоляции в цепях нагрузки и цепях управления коммутационными аппаратами.
• Отсутствие акустических помех.
• Высокая степень энергосбережения.
• Быстродействие (высокая скорость коммутации).
• Небольшие габаритные размеры.
• Отсутствие профилактики и технического обслуживания.

Высокие качественные электротехнические показатели делают возможным переход с  электромагнитных реле и контакторов на твердотельные реле.

 

Рис. №2. Пример твердотельного реле с использованием SCR управления.

Недостатки и меры по защите релейного устройства

Существует несколько локальных факторов, при которых возможен выход устройства из строя – это:

1. Перенапряжение.
2. Токовая перегрузка и короткое замыкание.
3. Перегрев из-за плохого теплоотвода (максимальная температура нагрева основания устройства не должна превышать 80⁰С).

Рекомендуется при использовании реле в управлении электродвигателями включать в цепь управления варисторы.

Для нагрузки более 5 А на основание реле наносится специальная теплопроводящая паста. При I = 25А применяют вентилятор. Некоторые модели оборудованы защитой от перегрева, она отключает реле при превышении температуры тиристора – 120⁰С. Для защиты реле от перегруза по нагрузке используются предохранители на полупроводниках (срабатывают чрезвычайно быстро (2 мс) не позволяют развиться току к.з.).

Принцип работы твердотельного реле

 

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

Основные элементы регулируемой входной цепи переменного напряжения.

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

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

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

 

Рис. №4.  Схема реле с семистором.

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

 

Рис. №5. Схема реле с тиристором.

 

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

Принцип работы твердотельного реле типа SCR полупериодного управления

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

 

Рис. №7. Схема принципа работы полупериодного управления SCR

 

Типы коммутирования твердотельных реле

1. Управление коммутационными действиями при переходе тока через ноль.

 

 

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

Преимущество способа – отсутствие помех при включении.

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

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

 

2. Фазовое управление твердотельным реле

 

Рис.№9. Схема фазного управления.

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

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

 

Основные показатели для выбора твердотельных реле

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

 

Рекомендации по подбору реле и эксплуатационные нюансы

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

Ориентировочные примеры выбора реле при превышении тока

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

 

 

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

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

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

 

Поделиться ссылкой:

Твердотельные реле. Устройство и работа. Виды и особенности

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

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

Принцип действия и особенности конструкции

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

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

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

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

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

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

Виды твердотельных реле

Имеется множество разных видов таких реле, отличающихся своими особенностями напряжения коммутации и контроля:

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

По виду нагрузки реле разделяют на:

• Однофазные.
• 3-фазные.

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

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

Чтобы защитить реле от ложных срабатываний, применяют специальные устройства.

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

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

По методам коммутации реле делятся:

• Реле для емкостных и индуктивных нагрузок.
• Реле для мгновенных срабатываний, применяются при необходимости быстрого подключения.
• С фазным управлением, дающим возможность регулировки освещения, нагревательных элементов.

По конструктивным особенностям реле делятся:

• С возможностью монтажа на рейку DIN.
• Для переходных планок, универсальные.

Достоинства и недостатки

Благодаря такому принципу действия мы получаем ряд преимуществ и недостатков.

Преимущества

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

Недостатки

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

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

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

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

Сфера применения

Твердотельные реле применяются очень широко. Они работают там, где необходимо подключать индуктивную нагрузку. Основные области использования рассматриваемых реле:

• Системы с регулированием температуры нагревательными элементами.
• Поддержание одной температуры в процессах и технологиях промышленного производства.
• Подключение цепей управления.
• Заменяют магнитные пускатели реверсивного действия.
• Управление электродвигателями.
• Контроль температуры трансформаторов и других устройств.
• Регулировка уровня света.

Как выбрать твердотельные реле

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

При выборе рекомендуется учитывать такие свойства реле:

• Тип реле.
• Наличие креплений.
• Материал корпуса.
• Скорость работы.
• Наличие вспомогательных функций.
• Фирма изготовитель.
• Мощность.
• Расход электричества.
• Габаритные размеры.

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

Для защиты реле от неисправностей рекомендуется применять специальные предохранители. Имеется несколько видов предохранителей для защиты твердотельных реле:

• g R – применяются в широком интервале мощностей, имеют повышенное быстродействие.
• g S – применяются для любого тока, осуществляют защиту полупроводников от высоких нагрузок сети.
• a R – осуществляют защиту полупроводников от короткого замыкания.

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

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

Похожие темы: