Обычные реле, как и все электромагнитные коммутационные приборы работает следующим образом — есть катушка на которую подается ток от системы управления или кнопочного поста. В результате протекания тока через катушку возникает магнитное поле, которое притягивает якорь с контактной группой. После этого контакты замыкаются и по ним начинает протекать ток в нагрузку.

У твердотельных нет катушки управления и нет подвижной контактной группы. Что внутри твердотельного реле вы можете видеть ниже. В нём, как было сказано выше, вместо силовых контактов используются полупроводниковые ключи: транзисторы, симисторы, тиристоры и другие в зависимости от сферы применения (правая часть фотографии).

Это есть главное отличие полупроводникового реле от электромагнитного. В связи с этим у твердотельного значительно больше срок службы, поскольку нет механического износа контактной группы, также стоит отметить что и быстродействие полупроводниковых реле выше, чем у электромагнитных.

Кроме отсутствия механического износа нет и искр или дуг при коммутации, как и звуков от ударов контактов при переключении. Кстати если нет искр и дуговых разрядов при коммутации – твердотельные реле могут работать во взрывоопасных помещениях.

Сравнение

Плюсы у твердотельных реле по сравнению с электромагнитными следующие:

2. Есть данные о том, что их наработка на отказ порядка 10 миллиардов переключений, что в 1000 и более раз превышает ресурс электромагнитных реле.

3. Если для электромагнитных реле импульсные перенапряжения практически не страшны, то электронная схема полупроводникового реле в большинстве случаев выходит из строя, если не было принято схемотехнических решений по ограничению этих импульсов. Поэтому сравнивать эти приборы по количеству переключений не всегда корректно.

4. Быстродействие полупроводниковых реле составляет доли и единицы миллисекунд, тогда как у электромагнитного от 50 мс до 1 с.

5. Энергопотребление на 95% ниже чем потребление катушки электромагнитных аналогов.

Однако эти плюсы прикрывается рядом недостатков:

Полупроводниковые реле греются во время работы. В тепло выделяется мощность равная произведению падения напряжения на силовом ключе (порядка 2 вольт) на силу тока через него протекающего;

При перегрузке и коротких замыканиях есть высокая вероятность выхода из строя силового ключа, перегрузочная способность обычно составляет 10In в течении 10 мс — одного периода в сети с частотой 50 Гц (может отличаться в зависимости от используемых компонентов);

Автоматический выключатель, скорее всего, не успеет сработать прежде, чем реле выйдет из строя при КЗ;

При импульсных перенапряжениях (скачки напряжения) – срок службы твердотельного реле может закончится моментально.

У твердотельных реле есть ток утечки (до 7-10 мА) в связи с этим, если они стоят в цепи управления, например, светодиодных светильников — последние будут мигать аналогично ситуации с выключателем с подсветкой. Соответственно на фазном проводе будет напряжение даже когда реле отключено!

В следующей таблице приведены общие характеристики твердотельных реле серий TSR (трёхфазных) и SSR (однофазных) от производителя «FOTEK» (кстати одни из самых распространенных). В принципе у других производителей характеристики продукции будут похожими или такими же.

Виды

Твердотельное реле можно классифицировать:

По роду тока (постоянный или переменный);

По силе тока (маломощные, силовые);

По способу монтажа;

По типу управляющего сигнала (постоянным или переменным током, аналоговый вход для управления переменным резистором, в цепь 4-20 мА и т.д.).

По типу переключения – коммутация при переходе напряжения через ноль (в цепях переменного тока), или коммутация по управляющему сигналу (для регулировки мощности, например).

Итак, по количеству фаз бывают одно- и трехфазное реле. А вот типов, управляющих сигналов гораздо больше. В зависимости от внутреннего устройства твердотельные реле могут управляться как постоянным напряжением, так и переменным.

Наиболее распространены твердотельное реле, которые управляются постоянным напряжением в диапазоне от 3 до 32 Вольт. При этом величина управляемого напряжения должно находиться в этом диапазоне, а не быть равной какой-то конкретной величине из него, что очень удобно при интеграции в системы с различным напряжением.

Также встречаются полупроводниковые реле, для управления которыми используется аналоговый сигнал:

0-10 вольт постоянного тока;

Переменным резистором 470-560 кОм.

При этом такими реле можно регулировать мощность на подключенном приборе, по принципу фазового управления. Такой же принцип регулировки используется в бытовых диммерах для освещения.

В таблице ниже вы видите виды сигналов управления твердотельных реле с фазовым методом управления от компании IMPULS.

Обратите внимание на последние буквы маркировки (LA, VD, VA), у большинства производителей они одинаковы, и говорят, как раз, о типе сигнала.

Как уже было сказано, в реле с фазовым управлением, в зависимости от величины управляющего сигнала изменяется напряжение на выходе, что отображено на графике ниже.

Распознать такое реле можно по условному изображению возле входных клемм, например, на фото ниже видно, что ко входу подключается переменный резистор 470-560 кОм.

Есть и твердотельные реле с сигналом управления от сети переменного тока 220В, как изображено ниже. Они подходят для использования в качестве замены маломощных контакторов или электромагнитных реле.

Маркировка и тип управления

Для определения «фазности» реле используют символы в начале маркировки:

Что эквивалентно однополюсным и трёхполюсным коммутационным приборам.

Если в маркировке есть буква H – то это реле предназначено для коммутации повышенного напряжения.

В маркировке данные о типе управления указаны в последних символах, она может отличаться у разных производителей, но зачастую она имеет такой вид и значение (данные собраны по разным производителям):

VA – переменный резистор 470-560кОм/2Вт (фазовое управление);

LA – аналоговый сигнал 4-20мА (фазовое управление);

VD – аналоговый сигнал 0-10V DC (фазовое управление);

ZD – управление 10-30V DC (коммутация при переходе через ноль);

ZD3 – управление 3-32V DC (коммутация при переходе через ноль);

ZA2 – управление 70-280V AC (коммутация при переходе через ноль);

DD3 – управление сигналом 3-32V постоянного тока цепью постоянного тока (коммутация напряжения постоянного тока);

DA – управление сигналом постоянного тока, коммутация цепи переменного тока.

AA – управление сигналом переменного тока (220В), коммутация цепи переменного тока.

Проверим это на практике, допустим вы столкнулись с таким изделием как на рисунке ниже, и хотите узнать, что оно собой представляет.

Если внимательно изучить надписи возле клемм для подключения проводов уже станет ясно, что это реле для управления цепями переменного тока от 90 до 480 вольт, при этом управление происходит также переменным током с напряжением от 80 до 250 вольт.

И для закрепления и лучшего понимания изучите следующую таблицу с маркировками и характеристиками твердотельных реле.

Устройство

Внутренняя схема твердотельного реле зависит от того на какой ток оно рассчитано (постоянный или переменный) и вида сигнала управления им. Рассмотрим некоторые из них.

Начнем с реле, которое управляется постоянным током и коммутируется при переходе через ноль. Иногда их называют «твердотельное реле Z-типа».

Здесь контакты 3-4 – это вход управляющего сигнала, в котором используется управление с помощью оптопары, которая служит для гальванической развязки входных и выходных цепей.

Блок контроля перехода через 0, или как его называют Zero Cross Circuit – отслеживает фазу напряжения в питающей сети и когда оно переходит через ноль производит коммутацию цепи (включение или отключение). Такой способ также называют Zero Voltage Switch, он позволяет снизить броски тока при включении (так как напряжение в этот момент равняется нулю) и всплески ЭДС-самоиндукции при отключении нагрузки.

Подходит для управления резистивной, емкостной и индуктивной нагрузкой. Не подходит для управления высокоиндуктивной нагрузкой (при cosФ

Схемы подключения и особенности использования

На самом деле схема подключения твердотельных реле почти ничем не отличается от обычных. Как правильно подключить? Давайте разбираться.

Если вам нужно заменить обычное реле 220В с управлением от переменного тока 220В – используйте следующую схему, на примере LDG LDSSR-10AA-H. На схеме для примера изображено подключение через обычный выключатель или тумблер. Вместо этого сигнал включения может подаваться от термостата, регулятора и других устройств.

В этой схеме в качестве источника низкого напряжения постоянного тока используется блок питания 12VDC, которые широко распространены как блоки питания для светодиодных лент. Кстати вы даже можете управлять таким твердотельным реле подав на вход напряжение от зарядного устройства мобильного телефона, ведь на его выходе 5В, что больше минимального сигнала в 3В.

Учтите и то, что напряжение управления нужно отключать полностью, так как у каждого реле есть определенные параметры, при которых оно работает, например, у приведенного выше напряжение отключения порядка 1 вольта, а сработать оно может не при 3 номинальных вольтах, а уже при 2.5 (данные приведены усредненные, для примера, и могут отличаться в зависимости не только от конкретного изделия, но и от условий окружающей среды и монтажа.)

Но напомним, что есть и реле с фазовым методом управления. Схемы подключения таких реле проиллюстрированы далее (иллюстрация из инструкции к ним).

Вопрос – для чего нужны такие реле и где их используют? Поиск ответа на данный вопрос был недолгим, стоило мне ввести начало запроса и сразу выдало варианты использования в качестве силового ключа для управления нагревательными элементами от терморегуляторов с выходом 4-20 мА или 0-10В.

Кстати, для промышленного применения есть и отечественные разработки, например, ОВЕН ТРМ132 и другие модели, которые могут работать с выходными сигналами 4-20мА и 0-10В.

Однако использование твердотельного реле для управления мощной нагрузкой невозможно без охлаждения. Для этого используют пассивное (простой радиатор) или активное охлаждение (радиатор+кулер).

Рекомендации о выборе кулеров приводятся в технической документации на конкретное твердотельное реле, поэтому давать универсальные советы нельзя.

Заключение

Твердотельные реле могут использоваться как замена электромеханическим в ряде случаев. Самыми популярными вариантами в быту является замена контактора в электрокотле, по причине его громкого хлопка при включении, соответственно и включение ТЭНов станет бесшумным.

А также реализация различных мощных регуляторов мощности для тех же ТЭНов и прочего, для чего применяется твердотельное реле с аналоговым входом сигнала от переменного сопротивления (тип VA).

Радиолюбители же могут собрать простейшее твердотельное реле, на основе оптодрайвера для симисторов с ZCC типа MOC3041 и подобных.

Я считаю, что это достойные изделия для использования их в различных средствах автоматизации, к тому же они не требуют обслуживания (разве что чистки радиаторов от пыли), а срок службы, можно сказать, что неограничен. Они прослужат в разы дольше чем контакторы при условии отсутствия перегрузок, перегрева, КЗ и импульсных перенапряжений!

Источник

Твердотельное реле

Что такое твердотельное реле

Твердотельное реле (ТТР) или в буржуйском варианте Solid State Relay (SSR) — это особый вид реле, которые выполняют те же самые функции, что и электромагнитное реле, н о имеет другую начинку, состоящую из полупроводниковых радиоэлементов, которые имеют своем составе силовые ключи на тиристорах, симисторах или мощных транзисторах.

Виды твердотельных реле

Выглядеть ТТР могут по-разному. Ниже на фото слаботочные реле

Такие релe используются в печатных платах и предназначены для коммутации (переключения) малого тока и напряжения.

На ТТР строят также сразу готовые модули входов-выходов, которые используются в промышленной автоматике

А вот так выглядят реле, используемые в силовой электронике, то есть в электронике, которая коммутирует большую силу тока. Такие реле используется в промышленности в блоках управления станков ЧПУ и других промышленных установках

Слева однофазное реле, справа трехфазное.

Если через коммутируемые контакты силовых реле будет проходить приличный ток, то корпус реле будет очень сильно греться. Поэтому, чтобы реле не перегревались и не выходили из строя, их ставят на радиаторы, которые рассеивают тепло в окружающее пространство.

Твердотельные реле по типу управления

ТТР могут управляться с помощью:

1) Постоянного тока. Его диапазон составляет от 3 и до 32 Вольт.

2) Переменного тока. Диапазон переменного тока составляет от 90 и до 250 Вольт. То есть такими реле можно спокойно управлять с помощью сетевого напряжения 220 В.

3) С помощью переменного резистора. Значение переменного резистора может быть в диапазоне от 400 и до 600 Килоом.

Твердотельные реле по типу переключения

С коммутацией перехода через ноль

Посмотрите внимательно на диаграмму

Такие ТТР на выходе коммутируют переменный ток. Как вы здесь можете заметить, когда мы подаем на вход такого реле постоянное напряжение, у нас коммутация на выходе происходит не сразу, а только тогда, когда переменный ток достигнет нуля. Выключение происходит подобным образом.

Для чего это делается? Для того, чтобы уменьшить влияние помех на нагрузках и уменьшить импульсный бросок тока, который может привести к выходу нагрузки из строя, если тем более нагрузкой будет являться схема на полупроводниковых радиоэлементах.

Схема подключения и внутреннее строение такого ТТР выглядит примерно вот так:

управление постоянным током управление переменным током

Мгновенного включения

Здесь все намного проще. Такое реле сразу начинает коммутировать нагрузку при появлении на нем управляющего напряжения. На диаграмме видно, что выходное напряжение появилось сразу, как только мы подали управляющее напряжение на вход. Когда мы уже снимаем управляющее напряжение, реле выключается также, как и ТТР с контролем перехода через ноль.

В чем минус данного ТТР? При подаче на вход управляющего напряжения, у нас на выходе могут возникнуть броски тока, а в следствии и электромагнитные помехи. Поэтому, данный тип реле не рекомендуется использовать в радиоэлектронных устройствах, где есть шины передачи данных, так как в этом случае помехи могут существенно помешать передаче информационных сигналов.

Внутреннее строение ТТР и схема подключения нагрузки выглядят примерно вот так:

С фазовым управлением

Здесь все намного проще. Меняя значение сопротивления, мы тем самым меняем мощность на нагрузке.

Примерная схема подключения выглядит вот так:

Работа твердотельного реле

В гостях у нас ТТР фирмы FOTEK:

Давайте разберемся с его обозначениями. Вот небольшая табличка-подсказка для этих типов реле

Давайте еще раз взглянем на наше ТТР

SSR — это значит однофазное твердотельное реле.

40 — это на какую максимальную силу тока она рассчитана. Измеряется в Амперах и в данном случае составляет 40 Ампер.

D — тип управляющего сигнала. От значения Direct Current — что с буржуйского — постоянный ток. Управление ведется постоянным током от 3 и до 32 Вольт. Этого диапазона хватит самому заядлому разработчику радиоэлектронной аппаратуры. Для особо непонятливых даже написано Input, показан диапазон и фазировка напряжения. Как вы видите, на контакт №3 мы подаем «плюс», а на №4 мы подаем «минус».

А — тип коммутируемого напряжения. Alternative current — переменный ток. Цепляемся в этом случае к выводам №1 и №2. Можем коммутировать диапазон от 24 и до 380 Вольт переменного напряжения.

Для опыта нам понадобится лампа накаливания на 220 Вольт и простая вилка со шнуром. Соединяем лампу со шнуром только в одном месте:

В разрыв вставляем наше твердотельное реле

Втыкаем вилку в розетку и…

Нет… не хочет… Чего-то не хватает…

Не хватает управляющего напряжения! Выводим напряжение от Блока питания от 3 и до 32 Вольт постоянного напряжения. В данном случае я взял 5 Вольт. Подаю на управляющие контакты и…

О чудо! Лампочка загорелась! Это значит, что контакт №1 замкнулся с контактом №2. О срабатывании реле нам также говорит и светодиод на корпусе самого реле.

Интересно, какую силу тока потребляют управляющие контакты реле? Итак, имеем на блоке 5 Вольт.

А сила тока получилась 11,7 миллиампер! Можно управлять хоть микроконтроллером!

Плюсы и минусы твердотельного реле

Источник

Что такое твердотельное реле?

Реле твердотельное, называемое в англоязычной литературе Solid State Relay, является разновидностью обычного реле электромеханического типа. У него широкий спектр использования в промышленном и бытовом оборудовании. Как и обычное реле, твердотельные устройства легко переносят большие нагрузки с небольшим управляющим сигналом. Основным отличием от обычных реле является то, что такой тип основан полностью на элементах из полупроводников.

Эти особенности устройства детали увеличиваю продолжительность ее эксплуатации. Однако такие реле быстрее и сильнее нагреваются из-за потерь на полупроводниках. В статье приведены все особенности строения, структуры и устройства твердотельного реле, сферы его применения, преимущества и недостатки перед другими видами. По данной теме в статье читателю предложен интересный ролик и полезный файл, подробнее раскрывающий материал.

Что такое твердотельное реле

Полупроводниковые твердотельные реле – ТТР (по терминологии общепромышленного применения) или полупроводниковые коммутаторы (по терминологии для категории качества ВП), силовые полупроводниковые модули, выполненные по гибридной технологии с применением корпусированных компонентов и бескорпусных компонентов (кристаллов).

Помещаемые в металлопластмассовые или металлические корпуса с металлокерамическими (металлостеклянными) изоляторами с монолитной герметизирующей заливкой полимерными компаундами, либо металлостеклянные (металлокерамические) герметичные корпуса:

Твердотельные реле со схемами управления обеспечивающими, в любом сочетании функции управления, защиты и диагностики, с гальванической оптоэлектронной или трансформаторной развязкой, напряжением изоляции от 1 до 4 кВ.

Твердотельные реле для коммутации цепей постоянного, переменного, постоянного тока двунаправленного действия с применением в качестве силового элемента:

Одно и многоканальные, нормально замкнутые или разомкнутые твердотельные реле. Твердотельные реле предназначены для использования в цепях постоянного и переменного тока в системах автоматического регулирования приводов электродвигателей, цепях автоматического управления и регулирования. А также заменяют контактные электромагнитные реле и во многом их превосходят.

К преимуществам твердотельных реле относятся:

Основными областями применения твердотельных реле являются системы промышленного нагрева, температурного контроля, промышленного и общественного освещения, управления электродвигателями и трансформаторами, непрерывного электропитания.

Классификация

По типу нагрузки твердотельные реле делятся на однофазные и трехфазные. Широкий диапазон коммутируемого напряжения – 40…440 В позволяет использовать их для управления нагрузками в различных областях промышленности. По типу управления можно выделить 4 группы:

Различные варианты управляющих сигналов позволяют применять твердотельные реле в качестве коммутационных элементов в разнотипных системах автоматического управления.

По способу коммутации реле могут быть:

Рекомендации по выбору

В связи с электрическими потерями на силовых полупроводниковых элементах твердотельные реле нагреваются при коммутации нагрузки. Это накладывает ограничение на величину коммутируемого тока. Температура 40 градусов Цельсия не вызывает ухудшения рабочих параметров устройства. Однако нагрев выше 60С сильно снижает допусимую величину коммутируемого тока. Реле в этом случае может перейти в неуправляемый режим работы и выйти из строя.

При работе с большинством типов нагрузок включение реле сопровождается скачком тока различной длительности и амплитуды, величину которого необходимо учитывать при выборе:

Способность выдерживать токовые перегрузки характеризуются величиной «ударного тока». Это – амплитуда одиночного импульса заданной длительности (обычно 10 мс). Для реле постоянного тока эта величина обычно в 2 – 3 раза превосходит значение максимально допустимого постоянного тока, для тиристорных реле это соотношение около 10. Для токовых перегрузок произвольной длительности можно исходить из эмпирической зависимости: увеличение длительности перегрузки на порядок ведет к уменьшению допустимой амплитуды тока. Расчет максимальной нагрузки представлен в таблице ниже.

Для повышения устойчивости устройства к импульсным помехам параллельно коммутирующим контактам ставится внешняя цепь, состоящая из последовательно включенных резистора и емкости (RC-цепь). Для более полной защиты от источника перегрузки по напряжению со стороны нагрузки необходимо включить защитные варисторы параллельно каждой фазе твердотельного реле.

При коммутации индуктивной нагрузки использование защитных варисторов обязательно. Выбор необходимого наминала варистора зависит от величины напряжения питающего нагрузку, и расчитывается по формуле: U_{варистора} = (1,6…1,9)хU_{нагрузки.}

Тип варистора определяется на основе конкретных характеристик работы устройства. Наиболее популярными отечественными варисторами являются серии: СН2-1, СН2-2, ВР-1, ВР-2. Твердотельное реле обеспечивает хорошую гальваническую изоляцию входных и выходных цепей, а также токоведущих цепей от элементов конструкции прибора, поэтому дополнительных мер изоляции цепей не требуется.

Подключение

Принцип подключения прост. В приборе предусмотрены управляющие входы (на них подается напряжение с четким соблюдением полярности) и выход для подключения нагрузки. Важный момент — качество соединения. Здесь применяется винтовой способ (пайка исключена). Чтобы избежать повреждения ТТР, важно исключить попадание на контакты пыли, а также посторонних механических элементов. Стоит предусмотреть меры, препятствующие негативному воздействию на кожух прибора (во включенном или отключенном состоянии). После включения запрещено прикасаться к корпусу, который может быть горячим.

Обратите внимание, чтобы ТТР не располагалось вблизи легковозгораемых материалов. Кроме того, в процессе подключения убедитесь, что коммутация выполнена без ошибок. Если после включения изделие набирает температуру выше 60 градусов Цельсия, установите на него радиатор для охлаждения (причины и особенности этой защитной меры рассмотрены выше). Если ничего не предпринять, при достижении 80 градусов Цельсия прибор перестанет работать. Управление осуществляется при помощи цепочки с различными вариантами исполнения.

Заключение

Зная конструктивные особенности твердотельного реле, легче понять принцип его действия. В приборе взаимодействуют два сигнала — управляющий и управляемый, что обеспечивается благодаря гальванической развязке. В некоторых моделях ТТР эту функцию берет на себя оптрон. Напряжение, обеспечивающее управление устройством, подается и на светодиод. Свечение последнего поступает на фотодиод, что приводит к появлению тока, включению МОП или тиристора для управления подключенным аппаратом. Кроме того, в процессе создания схемы допускается применение специальных оптоэлектронных устройств — опто- и фототиристоров.

Источник