Что такое твердотельное реле и для чего оно нужно?

Что такое твердотельное реле и для чего оно нужно?

Онлайн помощник домашнего мастера

Твердотельное реле – подключение, устройство, особенности и принцип работы

Главная особенность твердотельных реле – отсутствие в их структуре механических подвижных частей. Этот полупроводниковый прибор нашёл широкое применение в современных электронных схемах. Основное назначение твердотельного реле – активация и деактивация работы электроцепей за счёт подачи малого напряжения на управляющие узлы.

Твердотельное реле способно создавать контакты между цепями с кардинально отличающимися показателями напряжения. Оно может взаимодействовать как с постоянным, так и с переменным током, по аналогичному принципу со стандартными электромеханическими устройствами.

Краткое содержимое статьи:

Конструкция и принцип работы твердотельного реле

По технологии создания твердотельные реле можно отнести к гибридным устройствам. Функцию контактной группы в твердотельных реле берёт на себе электронный силовой ключ. Это позволяет избежать возникновения дуги в процессе коммутации. Такое качество незаменимо при эксплуатации узла на участках сильного химического загрязнения.

Среди других плюсов элемента можно выделить:

• сверхбыструю реакцию на поступивший сигнал (тысячные доли миллисекунд);
• отсутствие гистерезиса;
• большой диапазон рабочих температур;
• бесшумное изменение параметров цепи.

Свою основную функцию твердотельные реле выполняют за счёт полупроводниковых элементов. Процесс действия схож с классическим реле, которое, как мы знаем, включает в себя управляющие катушки и специальные контакты. При подаче напряжения происходит замыкание, либо размыкание контактов. Альтернативой этим контактам и являются полупроводниковые приборы.

Чаще всего в составе твердотельных реле таковыми являются симисторы, тиристоры и транзисторы. Приборы, выпускаемые в массовом производстве, имеют в составе такие элементы, которые дают возможности регулировать ток до 100+ А.

Схема для подключения реле

Все полупроводниковые устройства такого рода поделены на участки, среди которых: входная часть, оптическая развязка, триггер, а также цепи переключения и защиты. На входе присутствует отдельная первичная цепь, куда последовательным способом включено сопротивление. Главная задача входного участка – принимать импульсы, передавая их в дальнейшем на участок коммутации.

На схемах и фото твердотельного реле видно, что две цепи имеют между собой изоляционный слой. Его роль выполняет оптическая развязка. От типа и особенностей развязки зависят общие конечные характеристики прибора и особенности его работы.

Чтобы понимать, как правильно подключить твердотельные реле, необходимо подробнее разобраться в его конструкции. Так, сигнал на входе обрабатывается при помощи триггерной цепи. Цепь представляет собой индивидуальную деталь конструкции и активно задействуется в переключении выхода. Она, в зависимости от структуры прибора, может также входить в состав вышеупомянутой развязки.

Регулирование напряжения нагрузки происходит на участке, где расположены транзистор, симистор и диод из кремния.

Дополнительно должна быть установлена защитная система, предохраняющая узел от возможных проблем в работе. Цепь защиты может быть внутренней, либо внешней.

Виды твердотельных реле

По нагрузке

Конкретный тип прибора определяется разновидностью используемой нагрузки. По этому параметру реле делятся на однофазные и трёхфазные:

• Однофазные работают с током от 10 до 120 А, либо от 100 до 500 А. Регулирование фазы происходит за счёт аналогового сигнала и элемента сопротивления.
• Трёхфазные приборы осуществляют соединение на всех трёх участках сразу. Их рабочий диапазон также составляет от 10 до 120 А. Существуют отдельные вариации приборов, работающих по принципу реверса и осуществляющих бесконтактную коммутацию.

По конструкции

По разновидности конструкции твердотельные реле могут быть:

• Стандартные. Закрепляются на переходные планки;
• Предназначенные для установки на металлический профиль (DIN-рейки).

По типу управления

По типу управления и характеристикам используемого напряжения приборы делятся на:

Устройства постоянного тока. Работают под действием стабильного электричества. Параметры мощности – от 3 до 32 Вт. Для данного типа характерны большие удельные показатели, наличие светодиодных индикаторов, высокий параметр надёжности. Практически для всех наименований приборов оптимальной рабочей температурой являются цифры от -30 до +70°C.

Устройства переменного тока. Их главный плюс – практически полное отсутствие э-м помех, малый показатель шума при работе, экономия в плане потребления электричества и оперативность самой работы. Диапазон рабочей мощности – от 90 до 250 Вт.

Устройства с мануальным управлением. В них вы можете сами выбрать оптимальный тип действия. Подобная функция реализована за счёт использования переменных резисторов.

По методу коммутации

Исходя из метода коммутации, приборы подразделяются на:

Осуществляющие переход через 0. Способны регулировать нагрузки емкостные, редуктивные, а также низкие индукции. При подаче сигнала управления, напряжение на выходе возникает в момент достижения напряжением линейным нулевой отметки.

Вследствие чего наблюдается снижение стартового показателя тока, устраняются сторонние помехи и повышается длительность использования коммутируемых параметров. Этот подвид реле не способен осуществлять коммутацию высоких индукций, для условных трансформаторов, работающих в режиме ХХ, он недопустим к применению.

С моментальной (случайной) активацией. Эти устройства идут в ход, если нам требуется очень быстрое включение. Напряжение на выходе появляется вместе с пуском сигнала управления. Задержка активации, как правило, составляет не больше 1 мс. Большой минус таких приборов – импульсные погрешности, а также изначальные броски тока, наблюдаемые при изменении параметров.

С фазовым воздействием. Такие устройства дают возможность менять напряжение нагрузки на выходе. Благодаря данной функции, вам удастся настроить необходимую мощность для источников света и тепла.

Особенности эксплуатации

Как понятно из принципа работы, твердотельное реле актуальнее всего использовать в случаях, когда за малый период времени необходимо большое количество раз подать и снять нагрузку. Электромеханические приборы с такой задачей справляются плохо, быстро теряют свои свойства и просто-напросто ломаются. В них регулярно нужно очищать контакты, и даже, если вы будете это делать, риск выгорания или залипания контакта всё равно огромен.

Твердотельные приборы, в свою очередь, обеспечивают высокую надёжность, а также тихую и бесперебойную работу. Кроме того, они обладают компактными размерами. Но при этом имеют заметно большую стоимость, чем электромеханические узлы. Поэтому, если имеет место фактор экономии, полупроводники не всегда являются оптимальным вариантом.

В целом, устройство активно используется для создания промышленных машин, в горной, металлургической, химической и медицинской сферах. С его помощью также создают изделия для обороны и реализуют процессы телеметрии.

Для правильной эксплуатации прибора, а также, если вы хотите знать, как проверить твердотельное реле, стоит запомнить следующие тезисы:

• Соединение в устройствах производится винтовым методом. Пайка для данной цели не используется.
• Дабы не нарушить целостность корпуса и не допустить выхода прибора из строя, оградите его попадания пыли, частиц металла и любых механических воздействий извне.
• Держите реле как можно дальше от легко возгораемых предметов. Не трогайте устройство в активной фазе его работы, существует риск получения ожога.
• Прежде чем включить прибор, проверьте, верно ли реализована коммутация.
• Если температура корпуса достигла отметки свыше 60°C, поместите прибор на охлаждающий радиатор.
• Ни в коем случае не допускайте короткого замыкания на участке выхода. Это приведёт к мгновенной поломке устройства.

Что такое твердотельное реле и для чего оно нужно?

Твердотельный прибор применяется для бесконтактной коммуникации устройств. С каждым днем популярность этого реле увеличивается, и уже сегодня оно готово вытеснить с рынка электромагнитные контакторы.

Принцип работы и устройство

Твердотельные реле позволяют объединить высоковольтные и низковольтные цепи.

Большинство устройств твердотельных реле имеет общую концепцию с различными дополнениями и изменениями, не влияющими на принцип работы.

Что такое твердотельное реле? Это устройство, состоящее из следующих элементов:

• входного узла;
• системы оптической развязки;
• триггерной цепи;
• переключателя;
• защиты.

В качестве входа используется первичная цепь с резистором. Подключение последовательное. Задача цепи входа — принять сигнал и предать команду коммутатору.

Изоляцией входной и выходной цепи служит устройство оптической развязки. Его тип обусловливает принцип работы и вид реле.

Триггерная цепь обрабатывает входной сигнал и переключает выход. В зависимости от модели контактора, она может быть частью оптической развязки либо самостоятельным элементом.

Для подачи напряжения применяется цепь переключателя. В данной операции задействуют симистор, кремниевый диод и транзистор.

Защитная цепь необходима для предотвращения появления ошибок и прочих сбоев в работе. Она бывает внешнего или внутреннего вида.

Принцип работы твердотельного реле состоит в замыкании и размыкании коммутируемых контактов, передающих напряжение на устройство. Чтобы контакты начали работать, требуется активатор. Эту задачу выполняет твердотельный прибор. Устройства, работающие на постоянном токе, используют транзистор, на постоянном — симистор или тиристор.

Каждый прибор, имеющий ключевой транзистор, является твердотельным контактором. В качестве примера можно рассмотреть датчик света, осуществляющий передачу напряжения с помощью транзистора.

Оптическая цепь нейтрализует гальванический эффект, который образуется в результате напряжения между контактами и катушкой.

Области применения

Стандартные контакторы постепенно уходят с рынка, уступая место твердотельному оборудованию. Это обусловлено рядом преимуществ нового продукта:

1. Низкое потребление электричества. Полупроводник в используемом ТТР на 90% меньше потребляет энергии, чем электромагнитный аналог.
2. Небольшой размер устройства, облегчающий транспортировку и монтаж.
3. Не нуждается в ожидании запуска и имеет высокое быстродействие.
4. Низкий уровень шума.
5. Длительный срок службы. Не нуждается в постоянном техобслуживании.
6. Широкая область применения и совместимость со многими устройствами.
7. Отсутствие электромагнитных помех.
8. Более миллиарда срабатываний.
9. Улучшенная изоляция между коммутацией и цепью входа.
10. Устойчивость к вибрации и ударам.
11. Герметичность.

Используют твердотельный контактор, если необходимо коммутировать индуктивную нагрузку. Основные области применения:

• в системах регулировки температуры с помощью электрического нагревателя;
• поддержание уровня температуры в техпроцессе;
• в цепи управления;
• контроль за температурными показателями технических приборов и оборудования;
• регулировка и контроль освещения.

Виды ТТР

Данные устройства представлены множеством видов. Они отличаются способом коммутации и контроля напряжения:

1. Твердотельные реле постоянного тока применяются для подключения к сети с постоянным электричеством. Диапазон напряжения может варьироваться в пределах от 3 до 32-х Вт. ТТР отличается высокой надежностью и может иметь светодиодную индикацию. Работает при температуре окружающей среды от -30°С до +70°С.
2. Контактор переменного тока не производит шума, отличается быстродействием и низким потреблением энергии. Диапазон напряжения — 90-250 Вт.
3. ТТР с ручным управлением. В данном приборе можно самостоятельно установить тип работы.

Кроме того, существуют однофазные и трехфазные реле.

Первая релюшка может соединять цепи в диапазоне от 10 до 120 А или от 100 до 500 А. Коммутация осуществляется с помощью резистора и аналогового сигнала. Во втором случае коммутация проводится одновременно на 3 фазах с рабочим интервалом 10-120 А. Трехфазные контакторы бывают реверсивного типа. Их отличие заключается в бесконтактной коммуникации и специальной маркировке. Такие устройства имеют надежную защиту от ложных включений.

Трехфазный ТТР необходим для старта и корректной работы асинхронного двигателя. Чтобы безопасно эксплуатировать данное устройство, важно соблюдать запас мощности напряжения.

Во время работы твердотельного реле переменного тока может происходить перенапряжение. Чтобы защитить устройство, необходимо использовать предохранитель или варистор.

Благодаря коммутации через ноль, а также светодиодной индикации, трехфазный прибор имеет более длительный срок службы.

Помимо метода коммуникации устройства отличаются:

• слабостью индукции и нагрузкой емкостного типа;
• методом включения (случайный или мгновенный);
• наличием фазового управления.

Прибор имеет конструкционные отличия:

• универсальные — конструкция позволяет устанавливать реле на переходные планки;
• монтируемые на DIN-рейки.

Приобретать данный продукт стоит в специализированных магазинах, где специалисты смогут помочь с выбором необходимого типа и подскажут, как подключить прибор. Устройство может отличаться:

• способом крепления;
• материалом корпуса;
• дополнительными функциями;
• уровнем производительности;
• габаритами и прочими параметрами.

Важно! Устанавливаемое реле должно иметь запас мощности в несколько раз больше, чем используемое устройство. Несоблюдение этого условия может привести к мгновенному выходу из строя ТТР. Защитить прибор от перенапряжения можно, установив предохранитель.

Контактор быстро нагревается. Это приводит к существенной потере производительности. При нагреве выше 65°С устройство может сгореть. Использование прибора допускается только с охлаждающим радиатором. Запас тока должен быть выше в 3 раза. При работе с асинхронными моторами запас увеличивается в 10 раз.

Как подключить реле

Чтобы самостоятельно подключить реле, необходимо учитывать следующие нюансы:

• соединения крепятся винтовым способом, пайка не используется;
• нельзя допускать попадания внутрь прибора металлической пыли и стружки;
• не допускается контакт корпуса прибора с посторонними предметами;
• нельзя прикасаться к устройству в процессе его работы (можно получить ожог);
• не стоит размещать ТТР вблизи горючих предметов;
• необходимо обязательно проверить схему подключения твердотельного реле ;
• при нагреве корпуса выше +60°С требуется установка радиатора.

Что такое твердотельное реле и для чего оно нужно?

• Область применения
• Особенности устройств
• Конструкция

Область применения

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

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

Особенности устройств

Отсутствие переходных процессов в виде дуги и искр увеличивает время эксплуатации в несколько раз. Если обычный контакт, в лучшем случае, рассчитан на 500 тысяч коммутаций, то силовой электронный элемент не имеет таких данных. Даже при более высокой стоимости, электронные реле выгоднее использовать еще и с точки зрения экономии, ведь для их включения и выключения необходимо меньше потратить электроэнергии по сравнению с традиционным электромагнитным реле, и управление мощной нагрузкой происходит непосредственно микросхемами.

Номенклатура типов изделий довольно большая: от миниатюрных размеров до устройств, управляющих двигателями исполнительных механизмов. Также разница и в типе коммутируемого напряжения, на постоянное и переменное. Это необходимо учитывать при выборе твердотельного реле.

У каждого устройства есть свои слабые стороны, и твердотельные реле не исключение. Ахиллесова пята электронных ключей — это чувствительность к току нагрузки, превышение которого электронные компоненты тяжело переживают, а при превышении в несколько раз, и вовсе выходят из строя. Поэтому при подборе или замене аппарата, необходимо ответственно подойти и к защите ключа защитными устройствами. Нужно выбирать ключи в два или три раза большим током, от коммутируемой нагрузки. Помимо этого важно снабдить силовую цепь предохранительными плавкими вставками или быстрыми специальными автоматами класса В.

Конструкция

Устройство твердотельного реле — это электронная плата, состоящая из силового ключа, элемента развязки и узла управления. В качестве силовых элементов могут быть использованы:

• для цепей постоянного тока: транзисторы, полевые транзисторы, составные транзисторы MOSFET или модули IGBT.
• для управления цепями с переменным напряжением устанавливают симисторные ключи или тиристорные сборки.

В качестве элемента развязки устанавливают оптроны — это устройство состоит из светоизлучающего элемента и фото приемника, разделенных прозрачным диэлектриком. Узел управления представляет собой схему стабилизации напряжения и тока для светоизлучающего элемента в оптроне.

Как видно из схемы, входы управления под номерами 3 и 4, а выход — клеммы 1 и 2. В данной схеме входной сигнал может быть от 70 вольт до 280 переменного напряжения, а напряжение на нагрузке может достигать 480 вольт. Не имеет значения, на каком контакте расположен потребитель, до или после реле.

Условное обозначение твердотельного реле на схеме может выглядеть так (для увеличения нажмите на картинку):

Что касается схемы подключения, в ней аппарат установлен после нагрузки, соединяя его с землей. При таком подключении в случае короткого замыкания на землю, реле исключается из цепочки протекания тока.

Напоследок рекомендуем просмотреть видео, на которых наглядно демонстрируется, как работает твердотельное реле и из чего оно состоит:

Вот мы и рассмотрели назначение, область применения и конструкцию твердотельного реле. Надеемся, предоставленная информация была полезной и понятной!

Наверняка вы не знаете:

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 в планарном исполнении;
• твердотельные реле для установки на печатные платы;
• твердотельные реле, устанавливаемые на теплоотвод с объемным монтажом силовых и управляющих цепей.

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:

• тиристоров (симисторов) в диапазоне 1…200 А, напряжением коммутации 600…1600 В;
• МОП-транзисторов в диапазоне 1…200 А, напряжением коммутации 60…600 В;
• IGBT-транзисторов в диапазоне 1…200 А, напряжением коммутации 600…1200 В;
• Биполярных транзисторов в диапазоне 1…10 А, напряжением коммутации 100…300 В.

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:

• длительный срок службы (более 1 млрд. срабатываний);
• высокое быстродействие;
• отсутствие электромагнитных помех в момент подключения;
• отсутствие дребезга контактов и акустического шума;
• отстутствие дугового разряда при размыкании (применение во взрывоопасной среде);
• высокое сопротивление изоляции между входом и выходом;
• малое энергопотребление;
• герметичность конструкции, стойкость к ударам и вибрации.

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:

• управление напряжением постоянного тока (3…32 В);
• правление напряжением переменного тока (90…250 В);
• ручное управление выходным напряжением с помощью переменного резистора (470-560 кОм, 0,25-0,5 Вт);
• ручное управление выходным напряжением с помощью аналогового сигнала 4-20 мА.

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:

• чисто активные (нагреватели) нагрузки дают минимально возможные скачки тока, которые практически устраняются при использовании реле с переключением в «0»;
• лампы накаливания, галогенные лампы при включении пропускают ток в 7…12 раз больше номинального;
• флуоресцентные лампы в течение первых секунд (до 10 с) дают кратковременные скачки тока, в 5…10 раз превышающие номинальный ток;
• ртутные лампы дают тройную перегрузку по току в течение первых 3-5 мин.;
• обмотки электромагнитных реле переменного тока: ток в 3…10 раз больше номинального в течение 1-2 периодов;
• обмотки соленоидов: ток в 10…20 раз больше номинального в течение 0,05 – 0,1 с;
• электродвигатели: ток в 5…10 раз больше номинального в течение 0,2 – 0,5 с;
• высокоиндуктивные нагрузки с насыщающимися сердечниками (трансформаторы на холостом ходу) при включении в фазе нуля напряжения: ток в 20…40 раз больше номинального в течение 0,05 – 0,2 с;
• емкостные нагрузки при включении в фазе, близкой к 90°: ток в 20…40 раз больше номинального в течение времени от десятков микросекунд до десятков миллисекунд.

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: Uваристора = (1,6…1,9)хUнагрузки.

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.

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).

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 Uмакс;

Коммутируемый ток Iмакс;

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.

Устройство и принцип работы твердотельного реле

Рубрика: Технические науки

Дата публикации: 21.03.2020 2020-03-21

Статья просмотрена: 90 раз

Библиографическое описание:

Сувернев, Д. В. Устройство и принцип работы твердотельного реле / Д. В. Сувернев. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2020. — № 12 (302). — С. 54-55. — URL: https://moluch.ru/archive/302/68261/ (дата обращения: 09.10.2021).

На сегодняшний день существует огромное количество всевозможных реле и коммутирующих устройств. Реле служат для соединения или разъединения электронных цепей, при этом управление коммутатором происходит малыми токами. В основном различия между ними представлены в схемотехническом исполнении и принципе действия. Реле условно можно разделить на несколько видов:

1. Электронные;
2. Герконовые;
3. Электротепловые;
4. Реле времени;
5. Твердотельные реле;
6. Фотореле;
7. Электромагнитные.

Каждый тип реле обладает как своими плюсами, так и минусами. ТТР не имеют многих недочетов механических реле, например, низкой скорости переключения, ограниченному сроку службы электронных и механических контактов.

Твердотельные реле (ТТР) — это электронное устройство, предназначенное для коммутации мощных цепей при помощи низкого напряжения, подаваемого на блок управления. В ТТР не используются движущиеся механические части. В этом и заключается главная особенность твердотельного реле — в отсутствии механических движущихся частей в своей конструкции, в то время как контакты реле заменены электронным ключом.

Аналогично электромеханическому реле, твердотельные реле способны одновременно переключать постоянный и переменный ток. В ТТР используются полупроводниковые компоненты, которые заменяют традиционные механические контакты реле. Твердотельные реле могут выполнять разные роли в устройстве: от банальной коммутации цепей до устройств, управляющих мощной нагрузкой, например, различных механизмами.

Отсутствие дуги и искры в виде переходного процесса значительно увеличивает время работы. Контакт обычного реле, рассчитан не более чем на 50 тысяч переключений, в случае же твердотельного реле ограничений на количество переключений нет. Даже при более высокой цене электронные реле более выгодны с экономической точки зрения, потому что коммутация таких реле требует меньше электроэнергии, чем обычные электромагнитные реле, а также управление нагрузкой происходит при помощи микросхем [1].

Твердотельное реле в отличии от механических реле состоит из электронной платы, которая состоит из электронного ключа, развязывающей оптопары и управляющего блока.

Оптопара, установленная в качестве изолирующего устройства, состоящая из излучателя и оптического приемника, которые отделены прозрачным диэлектриком. Блок управления представляет собой систему преобразования напряжения питания и ограничения тока для излучателя оптопары. Функциональная схема твердотельного реле показана на рис. 1.

Рис. 1. Функциональная схема ТТР

На рисунке 1 номерами 3 и 4 обозначены входы управления, а клеммы 1 и 2 обозначают выход. На вход подается сигнал, который затем попадает в светодиодную оптическую развязку. Оптическая развязка позволяет изолировать входную цепь от промежуточной цепи и выходной цепи. После этого срабатывает цепь триггера, обеспечивающая управление выходом твердотельного реле переключателя. Схема переключения обеспечивает напряжение на нагрузке, представленной транзистором или симистором. Схема защиты необходима для надежности реле при различных нагрузках. В этой схеме входной сигнал может быть от 70 вольт до 280 вольт переменного напряжения, и напряжение нагрузки может достигать 480 вольт. Расположение реле в схеме коммутации не имеет значения [1].

Среди достоинств ТТР можно выделить:

1. Быструю реакцию на входной сигнал;
2. Отсутствие гистерезиса;
3. Большой диапазон рабочих температур;
4. Бесшумная коммутация цепи;
5. Малые размеры устройства.

Учитывая преимущества ТТР, они наиболее актуальны в случае коммутации схемы в течение небольшого времени, когда необходимо кратковременно подавать и снимать напряжение с нагрузки. Электромеханические устройства не предназначены для этого, поэтому они быстро выходят из строя. Электромеханические реле часто нуждаются в чистке контактов, и даже при правильном обслуживании риск выгорания или прилипания контактов по-прежнему велик.

Однако ТТР, помимо весомых преимуществ, также имеют некоторые недостатки. Главным минусом ТТР является чувствительность электронных ключей к току нагрузки, при превышении которой элементы ТТР могут испытывать трудности при коммутации, а при превышении тока нагрузки в несколько раз, ТТР может полностью выйти из строя. Существует необходимость защищать электронный ключ предохранительным устройством. Также необходимо выбрать ток в несколько раза выше от переключаемой нагрузки и установить вставки плавких предохранителей в цепи питания. Кроме того, к недостаткам можно отнести высокую стоимость ТТР.

В наше время ТТР широко используются в современных устройствах. ТТР переключат нагрузку в устройствах промышленной автоматизации, в точных приборах, на удаленных объектах, а также в военно-промышленном комплексе и других областях. Из-за отсутствия необходимости регулярного технического обслуживания, а также высокой надежности ТТР часто устанавливаются в труднодоступных местах.

Источник: gk-rosenergo.ru