Как работает твердотельное реле: принцип работы, управление и схемы

Содержание

принцип работы, управление и схемы

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

Описание

В отличие от электромеханических реле (EMR), которые используют катушки, магнитные поля, пружины и механические контакты для управления и переключения питания, твердотельное реле или SSR не имеет движущихся частей, но вместо этого использует электрические и оптические свойства полупроводниковых полупроводников, выполняет его вход в функции изоляции и переключения выхода.

Как и обычные электромеханические реле, твердотельные реле обеспечивают полную электрическую изоляцию между их входными и выходными контактами, а его выход действует как обычный электрический переключатель в том смысле, что он имеет очень высокое, почти бесконечное сопротивление в непроводящем (разомкнутом) и очень низком сопротивлении при проведении. Твердотельные реле могут быть предназначены для переключения как переменного, так и постоянного тока с помощью SCR, триак или переключающего транзисторного выхода вместо обычных механических нормально разомкнутых контактов. Купить твердотельное реле на Алиэкспресс:

В то время как твердотельное реле и электромеханическое реле в основном схожи в том, что их низковольтный вход электрически изолирован от выхода, который переключает и контролирует нагрузку, электромеханические реле имеют ограниченный жизненный цикл контакта, могут занимать много места и имеют более низкие скорости переключения, особенно большие силовые реле и контакторы. Твердотельные реле не имеют таких ограничений.

твердотельное релетвердотельное реле

Таким образом, основные преимущества твердотельных реле по сравнению с обычными электромеханическими реле состоят в том, что у них нет движущихся частей, изнашиваемых, и, следовательно, нет проблем с отскоком контактов, они могут переключать «ВКЛ» и «ВЫКЛ» гораздо быстрее, чем механические реле может двигаться, а также включаться при нулевом напряжении и отключаться при нулевом токе, что устраняет электрические помехи и переходные процессы.

Полупроводниковые реле можно купить в стандартных готовых комплектах, от нескольких вольт или ампер до многих сотен вольт и ампер выходной коммутационной способности. Однако твердотельные реле с очень высоким номинальным током (плюс 150 А) все еще слишком дороги для покупки из-за их требований к силовым полупроводникам и теплоотдаче, и, как таковые, все еще используются более дешевые электромеханические контакторы.

Подобно электромеханическому реле, небольшое входное напряжение, обычно от 3 до 32 вольт постоянного тока, может использоваться для управления очень большим выходным напряжением или током, например 240В, 10А. Это делает их идеальными для взаимодействия микроконтроллеров, PIC и Arduino, так как слаботочный 5-вольтный сигнал, скажем, от микроконтроллера или логического вентиля, может использоваться для управления конкретной нагрузкой цепи, и это достигается с помощью опто-изолятора.

Принцип работы и конструкция твердотельного реле

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

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

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

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

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

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

Входная цепь постоянного тока твердотельного реле

Твердотельное реле, устройство и принцип работы, схема, подключение, управление

В сфере электротехники набирают популярности устройства, построенные на базе полупроводников и обеспечивающие бесконтактную коммутацию силовых цепей. Одним из таких изделий является твердотельное реле, которое применяется в промышленной сфере и быту.

Что это такое? В каких случаях рекомендуется его использование? О каких конструктивных особенностях важно знать? Как осуществляется подключение и управление устройством? Эти и другие нюансы рассмотрим в статье.

Определение

Твердотельное реле — устройство электронного типа, один из видов реле, в котором нет движущихся элементов. Изделие применяется для подачи тока или разрыва цепи путем внешнего управления (действием небольшого напряжения).

Твердотельное реле (сокращено — ТТР) имеет внутри датчик, реагирующий на подачу управляющего сигнала. Кроме того, в составе изделия имеется твердотельная электроника, в том числе включающая цепочка, способная коммутировать большие I.

Устройство может устанавливаться в цепях переменного и постоянного тока, часто применяется как обычное реле. Главная разница в том, что в ТТР нет механических контактов.

Показания к применению

Твердотельные реле рекомендуются к применению в случаях, когда стандартные устройства не справляются с обязательствами. К примеру, когда в процессе коммутации они плавятся или сгорают.

С помощью ТТР гарантируется надежность цепи и своевременная подача напряжения к нагрузке. В отличие от простых устройств, для ТТР не проблема справиться с нагрузкой индукционного характера.

Кроме того, твердотельное устройство стоит использовать при дефиците места в процессе монтажа и при высоких требованиях надежности цепи.

Где используются?

Твердотельные реле — уникальные устройства, которые после монтажа не требуют особого обслуживания. Здесь работает принцип «установил и забыл». К примеру, в простых моделях очистка контактной группы осуществляется с определенной периодичностью — как правило, через определенное число циклов. Если изделие работает редко, это не вызывает проблем.

Но как быть с аппаратурой, для работы которой требуется частое срабатывание — один раз в секунду или даже чаще? Пример такой техники — станок с клапанами соленоидного типа.

Подача напряжения происходит через реле, которому приходится разрывать до десяти ампер индуктивного I. Если поставить контактное устройство, его замену придется осуществляться раз в 1-2 месяца. Если поставить твердотельный аналог, об этом можно забыть на долгие годы.

Несмотря на надежность работы, ТТР требуют периодического осмотра. Базовые рекомендации в этом вопросе дает производитель изделия. Как правило, речь идет о проверке факта замыкания контактов, целостности корпуса и изоляции.

Виды твердотельных реле

ТТР условно разделяются по двум критериям — принципу действия и конструктивным особенностям. Чтобы упростить классификацию, выделим следующие варианты:

  • По виду сигнала управления — переменный или постоянный I.
  • По типу основного (коммутируемого) напряжения — постоянное или переменное.
  • По числу фаз (для переменного напряжения) — одна, три.
  • По наличию реверса — предусмотрен, не предусмотрен.
  • По тонкостям конструкции — на ДИН-рейке или на поверхности.

Внутривидовые отличия

Кроме основной классификации, стоит выделить отличия внутри существующих видов ТТР.

Выделяются такие типы:

  • ТРЕХФАЗНЫЕ — способны проводить токи величиной 10-120 Ампер одновременно в трех фазах.
  • РЕВЕРСИВНЫЕ — устройства, построенные на полупроводниковом принципе, способные работать в схемах с постоянным и переменным током. По назначению и принципу действия они идентичны однофазным. Обязательное условие — наличие управляющей цепи, защищающей устройство от ложного срабатывания. К преимуществам твердотельных трехфазных реле стоит отнести способность работать одновременно по 3-м фазам, а также продолжительный ресурс. Повышенный срок службы объясняется наличием надежной изоляции и продуманной управляющей цепи. В процессе применения твердотельных моделей нет шума, искр, дребезжания при переключениях и других негативных факторов.
  • ОДНОФАЗНЫЕ — изделия, обеспечивающие разделение цепи при переходе синусоиды через ноль. ТТР работает в следующем диапазоне — 10-500 А. Управление осуществляется несколькими способами.

В чем особенности?

При создании твердотельного реле удалось исключить появление дуги или искр в процессе замыкания/размыкания контактной группы. В результате срок службы прибора увеличился в несколько раз. Для сравнения лучшие варианты стандартных (контактных) изделий выдерживают до 500 000 коммутаций. В рассматриваемых ТТР такие ограничения отсутствуют.

Стоимость твердотельных реле выше, но простейший расчет показывает выгоду их применения. Это обусловлено следующими факторами — экономией электроэнергии, продолжительным ресурсом работы (надежностью) и наличием управления с помощью микросхем.

Выбор достаточно широк, чтобы подобрать устройство с учетом поставленных задач и текущей стоимости. В продаже имеются как небольшие приборы для установки в бытовых цепях, так и мощные устройства, используемые для управления двигателями.

Как отмечалось ранее, ТТР отличаются по типу коммутируемого напряжения — они могут быть рассчитаны на постоянный или переменный I. Этот нюанс требуется учесть при выборе.

К особенностям твердотельных моделей стоит отнести чувствительность прибора к нагрузочным токам. В случае превышения этого параметра выше допустимой нормы в 2-3 и более раз, изделие ломается.

Чтобы избежать такой проблемы в процессе эксплуатации, важно внимательно подойти к процессу монтажа и установить в цепи ключа защитные устройства.

Кроме того, важно отдавать предпочтение ключам, имеющим рабочий ток в два или три раза превышающий коммутируемую нагрузку. Но и это не все.

Для дополнительной защиты рекомендуется предусмотреть в схеме предохранители или автоматические выключатели (подойдет класс «В»).

Конструктивные особенности

В основе твердотельного реле лежит электронная плата, в состав которой входит три главных элемента — узлы управления и развязки, а также силовой ключ. В роли силовых элементов применяются такие детали:

  • Для постоянного I — транзисторы полевого типа, простые транзисторы, модульные элементы класса IGBT, а также MOSFET-транзисторы.
  • Для переменного I — сборки на базе тиристоров, а также симисторы.

Развязка цепи обеспечивается оптронами — изделиями, состоящими из излучающего и принимающего свет устройства. Между ними установлен диэлектрик, имеющий прозрачную структуру.

Управляющий узел выполнен в виде стабилизирующей схемы, обеспечивающей оптимальные уровни тока и напряжения для излучающего свет элемента. Напряжение на входе схемы должно быть от 70 до 280 Вольт.

Что касается напряжения нагрузки, его величина — до 480 Вольт. Расположение электроприбора (до или после ТТР) не имеет значения.

Как правило, устройство монтируется после нагрузки с последующим подключением к «земле». При таком варианте схемы удается защитить внутренние элементы от протекания тока КЗ (он потечет через заземляющий провод).

Принцип действия

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.

Отличия и плюсы твердотельных реле (в сравнении с электромеханическими)

При выборе ТТР у покупателя возникает ряд вопросов — зачем переплачивать за твердотельное реле, в чем его преимущества перед стандартными электромеханическими устройствами. Выделим главные плюсы:

  • Небольшие габариты, что исключает проблемы с поиском места для монтажа.
  • Отсутствие шума и вибрации. Это важно, если устройство устанавливается в помещениях, где находятся люди.
  • Высокая скорость коммутации.
  • Продолжительный ресурс, обусловленный отсутствием износа механической и электрической части.
  • Постоянное выходное сопротивление, которое не меняется в течение срока эксплуатации. Кроме того, контактные группы не подвержены окислительным процессам.
  • Нет резких изменений напряжения в процессе переключения.
  • Нет искр, что расширяет сферу применения. Его установка допускается на объектах, где имеются повышенные риски взрывов и появления пожара.
  • Низкая чувствительность к внешним факторам, к примеру, появлению магнитных полей, вибрациям, повышенному уровню пыли или магнитным полям.
  • Высокий уровень сопротивления между выходом и входом.
  • Низкое потребление энергии.
  • Большое число коммутаций, которое не ограничивается производителем. В реальности оно достигает 109.

Недостатки

Кроме положительных качеств твердотельных реле, стоит выделить и ряд недостатков:

  • В открытом виде происходит нагрев изделия из-за высокого сопротивления в цепи p-n перехода. Чтобы избежать негативных последствий в приборах, пропускающих через себя повышенные токи, требуется предусмотреть охлаждение.
  • В закрытом виде сопротивление увеличивается, и появляется обратный ток утечки (измеряется в мА).
  • При съеме вольтамперной характеристики заметен ее нелинейный характер.
  • Некоторые виды твердотельных реле требуют строго соблюдения полярности при подключении выходных цепей. Это касается тех приборов, которые рассчитаны на работу в условиях постоянного тока.
  • В случае поломки высок риск перекрытия контактов на входе. Причиной может стать пробой силового ключа. Для сравнения контакты классических реле (при выходе из строя) остаются в разомкнутом виде.
  • Требуется защита от ошибочных срабатываний, вызванных бросками напряжения. Это обусловлено высокой скоростью срабатывания.
  • Твердотельные реле пропускают ток по обратному пути с небольшой задержкой, что обусловлено применением полупроводниковых элементов в схеме.

Выбор твердотельного реле

При покупке ТТР стоит учесть ряд особен

Практическое применение и схемы подключения твердотельного реле

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

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

Содержание статьи:

Устройство твердотельного реле

Современные твердотельные реле (ТТР) представляют собой модульные полупроводниковые приборы, являющиеся силовыми электропереключателями.

Ключевые рабочие узлы этих устройств представлены симисторами, тиристорами или транзисторами. ТТР не имеют подвижных частей, чем отличаются от электромеханических реле.

Ключевые узлы твердотельных релеКлючевые узлы твердотельных реле

Размер твердотельного реле во многом зависит от максимально допустимой нагрузки и возможности отводить тепло путем теплопередачи и конвекции (+)

Внутреннее устройство этих приборов может сильно различаться в зависимости типа регулируемой нагрузки  и электрической схемы.

Простейшие твердотельные реле включают такие узлы:

  • входной узел с предохранителями;
  • триггерная цепь;
  • оптическая (гальваническая) развязка;
  • переключающий узел;
  • защитные цепи;
  • узел выхода на нагрузку.

Входной узел ТТР представляет собой первичную цепь с последовательно подключенным резистором. Предохранитель в эту цепь встраивается опционально. Задача узла входа – принятие управляющего сигнала и передача команды на коммутирующие нагрузку переключатели.

При переменном токе для разделения контролирующей и основной цепи применяют гальваническую развязку. От её устройства во многом зависит принцип работы реле. Ответственная за обработку входного сигнала триггерная цепь может включаться в узел оптической развязки или располагаться отдельно.

Защитный узел препятствует возникновению перегрузок и ошибок, ведь в случае поломки прибора может выйти из строя и подключенная техника.

Основное предназначение твердотельных реле – замыкание/размыкание электрической сети с помощью слабого управляющего сигнала. В отличие от электромеханических аналогов, они имеют более компактную форму и не производят в процессе работы характерных щелчков.

Принцип работы ТТР

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

Принципиальная схема работы твердотельного релеПринципиальная схема работы твердотельного реле

Оптическая развязка позволяет создавать управленческие сигналы минимальной мощности, что критически важно для датчиков, работающих от автономных источников питания (+)

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

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

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

Классификация твердотельных реле

Сферы применения реле разнообразны, поэтому и их конструктивные особенности могут сильно отличаться, в зависимости от потребностей конкретной автоматической схемы. Классифицируют ТТР по количеству подключенных фаз, виду рабочего тока, конструктивным особенностям и типу схемы управления.

По количеству подключенных фаз

Твердотельные реле используются как в составе домашних приборов, так и в промышленной автоматике с рабочим напряжением 380 В.

Поэтому эти полупроводниковые устройства, в зависимости от количества фаз, разделяются на:

  • однофазные;
  • трехфазные.

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

Классическое трехфазное твердотельное релеКлассическое трехфазное твердотельное реле

К трехфазному реле рекомендуется подключать провода различных цветов, чтобы при монтаже оборудования можно было правильно их присоединить

Трехфазные твердотельные реле способны пропускать ток в диапазоне 10-120 А. Их устройство предполагает реверсивный принцип функционирования, который обеспечивает надежность регуляции одновременно нескольких электрических цепей.

Часто трехфазные ТТР используются для обеспечения работы асинхронного двигателя. В его электросхему управления обязательно включаются быстрые предохранители из-за высоких пусковых токов.

По виду рабочего тока

Твердотельные реле нельзя настроить или перепрограммировать, поэтому они могут нормально работать только при определенном диапазоне электропараметров сети.

В зависимости от потребностей ТТР могут управляться электроцепями с двумя видами тока:

  • постоянным;
  • переменным.

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

Твердотельное реле для постоянного токаТвердотельное реле для постоянного тока

Постоянный ток не используется в качестве основного источника электроэнергии ни в одной стране мира, поэтому реле такого типа имеют узкую сферу применения

Устройства с постоянным управляющим током характеризуются высокой надежностью и используют для регуляции напряжение 3-32 В. Они выдерживают широкий диапазон температур (-30..+70°С) без значительного изменения характеристик.

Реле, регулирующиеся переменным током, имеют управляющее напряжение 3-32 В или 70-280 В. Они отличаются низкими электромагнитными помехами и высокой скоростью срабатывания.

По конструктивным особенностям

Твердотельные реле часто устанавливают в общий электрощит квартиры, поэтому многие модели имеют монтажную колодку для крепления на DIN-рейку.

Кроме того, существуют специальные радиаторы, располагающиеся между ТТР и опорной поверхностью. Они позволяют охлаждать прибор при высоких нагрузках, сохраняя его рабочие характеристики.

Крепление ТТР на DIN-рейкуКрепление ТТР на DIN-рейку

Реле крепиться на DIN-рейку преимущественно через специальный кронштейн, который имеет и дополнительную функцию – отводит излишки тепла при работе прибора

Между реле и радиатором рекомендуется наносить слой термопасты, который увеличивает площадь соприкосновения и увеличивает теплоотдачу. Существуют и ТТР, предназначенные для крепления к стене обычными шурупами.

По типу схемы управления

Не всегда принцип работы регулируемой реле техники требует его мгновенного срабатывания.

Поэтому производители разработали несколько схем управления ТТР, которые используются в различных сферах:

  1. Контроль «через ноль». Такой вариант управления твердотельным реле предполагает срабатывание только при значении напряжения, равном 0. Используется в устройствах с емкостной, резистивной (нагреватели) и слабой индуктивной (трансформаторы) нагрузкой.
  2. Мгновенное. Используется при необходимости резкого срабатывания реле при подаче управляющего сигнала.
  3. Фазовое. Предполагает регулирование выходного напряжения методом изменения параметров управляющего тока. Применяется для плавного изменения степени нагрева или освещения.

Твердотельные реле различаются и по многим другим, менее значимым, параметрам. Поэтому при покупке ТТР важно разобраться в схеме работы подключаемой техники, чтобы приобрести максимально соответствующее ей регулировочное устройство.

Обязательно должен быть предусмотрен запас мощности, потому что реле имеет эксплуатационный ресурс, который быстро расходуется при частых перегрузках.

Преимущества и недостатки ТТР

Твердотельные реле не зря вытесняют с рынка обычные пускатели и контакторы. Эти полупроводниковые приборы обладают множеством преимуществ перед электромеханическими аналогами, которые заставляют потребителей останавливать выбор именно на них.

Твердотельное реле для печатных платТвердотельное реле для печатных плат

Реле для микросхем имеет компактные размеры и сильно ограничены по максимально пропускаемому току. Крепятся они преимущественно путем припаивания специальных ножек

К таким достоинствам относят:

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

Указанных преимуществ твердотельных реле не всегда достаточно для нормальной работы оборудования. Именно поэтому они ещё не полностью вытеснили электромеханические контакторы.

Зависимость коммутационной способности ТТР от температурыЗависимость коммутационной способности ТТР от температуры

Для стабильной работы мощных твердотельных реле важен эффективный отвод тепла, потому что при повышенных температурах резко искажается напряжение нагрузки (+)

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

К минусам относят:

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

Таким образом, твердотельные реле имеют определенные сферы применения. В цепях высоковольтного промышленного оборудования их использование резко ограничено из-за несовершенных физических свойств полупроводниковых материалов.

Однако в бытовой технике и автомобильной промышленности ТТР занимают прочные позиции за счет своих положительных свойств.

Возможные схемы подключений

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

Простейшая схема подключения релеПростейшая схема подключения реле

Благодаря тому, что цепи управления и нагрузки в приборе не перекрываются, их электрические характеристики могут отличаться любыми параметрами (+)

Далее будут представлены наиболее простые и распространенные схемы подключения ТТР:

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

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

 

Типы однофазных схем подключения ТТР

Твердотельное реле | Практическая электроника

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, но 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

твердотельное реле для печатных платтвердотельное 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

твердотельное реле ардуино

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

твердотельное реле однофазноетрехфазное твердотельное реле

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.

твердотельное реле на радиаторе

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

твердотельное реле с переходом через ноль

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:

твердотельное реле схемауправление постоянным токомТвердотельное релеуправление 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.

твердотельное реле с мгновенным переключением

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:

Твердотельное реле

С фазовым управлением

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

твердотельное реле с фазовым управлением

Примерная схема подключения выглядит вот так:

твердотельное реле с фазовым управлением

Работа твердотельного реле

В гостях у нас ТТР фирмы FOTEK:

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

Твердотельное 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

Плюсы

  • включение  и выключение цепей без электромагнитных помех
  • высокое быстродействие
  • отсутствие шума и дребезга контактов
  • продолжительный период работы (свыше МИЛЛИАРДА срабатываний)
  • возможность работы во взрывоопасной среде, так как нет дугового разряда
  • низкое энергопотребление (на 95% (!) меньше, чем у обычных реле)
  • надёжная изоляция между входными и коммутируемыми цепями
  • компактная герметичная конструкция, стойкая к вибрации и ударным нагрузкам
  • небольшие размеры и хорошая теплоотдача (если конечно использовать термопасту и хороший радиатор)

Минусы:

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.

 

Твердотельное реле: принцип работы, схема подключения

Твердотельное релеТТР (Твердотельное реле) (англ. SolidStateRelay (SSR) – полупроводниковое устройство, рассчитанное на управление изменений электрического тока. Главное назначение устройства – изоляция между цепями напряжения.

ТТР – регулятор мощности напряжения, обеспечивает правильную функциональность электрических систем различного оборудования, контролирует и управляет включением и выключением приборов.

Принцип действия

Схема всех SSR практически одинаковая, даже если есть разница, она никак не влияет на принцип действия.

Схема SSR постоянного тока

Схема SSR постоянного тока

Принцип действия механизма заключается в замыкании и размыкания контактов, которые передают напряжение. Выполняется это с помощью активатора, то есть твердотельного прибора.В зависимости от характера тока (переменного или постоянного) используется тип силового элемента (полупроводниковый прибор).  Для постоянного тока используются транзисторы, для переменного – симисторы и тиристоры. Транзистор пропускает постоянный ток. Симистор проводит ток в двух направлениях, а тиристор может проводить напряжение и в 1ом и в 2х направлениях.

Схема твердотельного реле переменного тока

Схема твердотельного реле переменного тока

Схема цепей

Схема цепей

На вход поступает электрический сигнал, дальше он подаётся на оптический светодиод. Оптическая развязка обеспечивает изоляцию между входной, промежуточной и выходной цепью. В работу включается триггерная цепь. Она управляет переключением выхода ТТР. Переключающая цепь передает напряжение на нагрузку, которая представлена транзистором, тиристором или симистором. Защитная цепь нужна для надежной работы ТТР при различных нагрузках.

Для предотвращения сгорания контактов устройства, рекомендуется установка предохранителя.

Виды устройства

SSR различаются по следующим свойствам.

  1. Характер тока в сети
  • Однофазное реле способно коммутировать электрический ток от 10 до 120 А или от 100 до 500 А. Управление проводится через фазу с помощью аналогового сигнала (непрерывный по времени) и переменного резистора (элемент электрической цепи). Как правило, корпус однофазного SSR стандартный, модульный (завершенная конструкция).

Виды твердотельного реле

Однофазное реле используется в бытовых приборах.

Рекомендация. Установка однофазного ТТР в электрическую систему обезопасит домашнюю технику от поломки.

  • Трехфазное релекоммутирует электричество на трёх фазах сразу. Диапазон напряжения 10 – 120 А. Отдельными характеристиками обладает реверсивное трехфазное ТТР. Выделяется надёжной коммутацией цепей. Сфера использования – непостоянная работа двигателя.

Чтобы не происходило перенапряжение, используется варистор (полупроводниковый резистор)или предохранитель. Трёхфазное SSR имеет долгий срок использования в сравнении с однофазным устройством.

  1. Способ управления
  • Коммутация постоянного тока. Применяется при постоянном напряжении от 3 до 32 вольт. Отличаются высокой надежностью работы. Поддержка температур от -30 до +70 соблюдается практически у всех моделей.
  • Коммутация переменного тока. SSR переменного тока характеризуется маленьким соотношением электромагнитных помех, бесшумностью, экономным энергопотреблением и оперативной работой. Диапазон напряжения от 90 до 250 вольт.
  • Реле, управляемое вручную. Оно позволяет управлять настройками.

Коммутация – процесс переключение  и отключение напряжения. Происходит моментально при замыкании и размыкании цепей.

  1. Тип коммуникации
  • Конструкция с фазовым регулятором мощности. Тип коммуникации – изменения на выходе нагрузки с управлением мощности, нагреванием (уровень освещения).
  • Прибор, контролируемый нулевым регулятором мощности. Область использования –коммутация ёмкостных (конденсатных) резистивных (лампы и нагреватели) слабо индуктивных приборов. SSR с нулем необходимы для коммутации индуктивных (трансформаторы, двигатели) и резистивных нагрузок при необходимости мгновенного действия.
  1. По конструкции
  • Устанавливаемые на одну рейку.
  • Монтируемые на планки переходного типа.

Сферы применения

Твердотельное реле 12в

Твердотельное реле 12в

SSR не заменит полностью электромагнитный аналог, но во многих областях превосходит его в применении.

Сфера применения достаточно обширная. Его устанавливают в том оборудования, где нужно надежное и длительное использование системы.

  • Для поддержания постоянной температуры в технологическом процессе.
  • Регулятор мощности тока.
  • При замене пyскателя реверсивного типа.
  • Электрический двигатель.
  • Датчик движения.
  • Датчик освещения.
  • Диммер (выключатель с регулировкой яркости лампы).
  • Производственные станки.
  • Регулятор температуры камеры.

Далеко не весь список использования.

Преимущества использования

Твердотельное реле применяется в различных электрических цепях- низковольтных, высоковольтных. От простейшего бытового прибора, которое имеется в каждом доме до крупного промышленного объекта.

  • Компактный размер даёт возможность использования в ограниченных пространством условиях, и перемещать его.
  • Более точный и стабильный регулятор температуры по сравнению с электромагнитным устройством.
  • Скорость быстрого включения в работу без потребности долгого запуска.
  • Экономия электроэнергии из-за использования полупроводников вместо электромагнитного разнесения.
  • Надёжность работы. Реле может выполнить более миллиарда срабатываний.
  • Долгий срок эксплуатации без необходимости прохождения постоянного технического обслуживания.
  • Отсутствие источников искр.
  • Включение в цепь без помех из-за герметичной конструкции.
  • Бесшумность работы.
  • Не происходит дребезжания благодаря быстрому старту.
  • Широкая сфера применения. ТТР используется для регулятора работы многих устройств.

Как выбрать полупроводниковое устройство?

Покупая твердотельное реле нужно обратить внимание на его основные характеристики:

  • Вид SSR.
  • Материал корпуса.
  • Тип включения – быстрый или постепенный.
  • Производитель.
  • Наличие крепежей.
  • Уровень потребления электроэнергии.
  • Размер ТТР.
  • Необходимо учесть коммутируемый регулятор напряжение.

Важно! Реле должно иметь большой запас мощности напряжения для его надежного и продолжительного использования. Иначе при скачке напряжения произойдёт поломка.

Выполняя работы по проведению электрической системы помещения и устанавливая оборудование, вне зависимости от его масштабов, важно чтобы всё работало надежно и исправно. Осуществлению этого способствует полупроводниковое устройство. При верном подборе типа SSR и правильной установке, оно будет долговечно.

Твердотельное реле: устройство, принцип работы, назначение

Твердотельные реле — это электронные устройства, которые медленно, но уверенно вытесняют из технической ниши такие коммутационные аппараты, как силовые электромагнитные реле и контакторы. Все это благодаря своим высоким коммутационным свойствам. Далее мы рассмотрим устройство, принцип работы и назначение твердотельных реле.

Область применения

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

Управление станком

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.

Трехфазное

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.

КИТ сборка фото

Однополюсное

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.

Принципиальная схема

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):

Типы условных обозначений

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.

Схема подключения SSR

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:

Основы твердотельного реле

и принцип работы

Основы твердотельного реле
Что такое твердотельное реле (SSR)? Твердотельное реле — это бесконтактный переключатель, полностью состоящий из твердотельного электрического элемента, который может управлять сильноточной нагрузкой с помощью небольшого управляющего сигнала. Он может включать и выключать без контакта и искры благодаря характеристикам переключения электрического элемента (т.е. полупроводниковых компонентов, таких как переключающий транзистор, симистор и т. Д.).Твердотельное реле имеет следующие преимущества перед электромагнитными реле: высокая надежность, отсутствие контакта, отсутствие искры, длительный срок службы, быстрая скорость переключения, сильная противоинтерференционная способность и небольшой размер. Он широко используется в различных приложениях, таких как станки с ЧПУ, системы дистанционного управления и устройства промышленной автоматизации, химическая промышленность, медицинское оборудование, системы безопасности и т. Д.

Характеристики твердотельного реле

  1. SSR не имеют внутренних механических элементов и полностью герметичную перфузию в структуре.Таким образом, твердотельные реле обладают такими преимуществами, как виброустойчивость, коррозионная стойкость, длительный срок службы и высокая надежность.
  2. Низкий уровень шума. В ТТР переменного тока используется технология запуска по переходу через ноль, что эффективно снижает скорость нарастания напряжения dv / dt и скорость нарастания тока di / dt на линии, делая SSR минимальными помехами для источника питания в долгосрочной перспективе.
  3. Время переключения короткое, поэтому SSR можно использовать в высокочастотных приложениях.
  4. Оптоэлектронная изоляция используется между входными и выходными цепями, а напряжение изоляции превышает 2500 В.
  5. Низкое энергопотребление, совместимость со схемами TTL и COMS.
  6. Схема защиты установлена ​​на выходных клеммах.
  7. Высокая грузоподъемность.

Принцип работы твердотельного реле
Как работает твердотельное реле? Твердотельные реле можно разделить на SSR переменного тока и SSR постоянного тока в зависимости от применения. Теперь возьмем твердотельное реле переменного тока в качестве примера, чтобы объяснить принцип работы SSR. Как показано на Рисунке 1, это принципиальная схема работы ТТР переменного тока, а части ① ~ ④ образуют его основной корпус.В целом, SSR имеет только 2 входных терминала (A и B) и 2 выходных терминала (C и D). Это четырехконтактное активное устройство.
ssr solid state relay working principle diagram
Во время работы подайте только определенный управляющий сигнал на A&B, чтобы можно было управлять состоянием включения-выключения между C и D, а затем выполнить функцию переключения. Схема связи играет роль в обеспечении канала между входными и выходными клеммами для входного сигнала управления от A и B, но разрывает электрическое соединение между входом и выходом, чтобы выход не влиял на вход.Компоненты, используемые в цепях связи, представляют собой «оптические соединители», которые имеют хорошую чувствительность к действию, высокую скорость отклика, высокий уровень изоляции входа / выхода (выдерживаемое напряжение). Нагрузка на входной клемме представляет собой светодиод, что позволяет очень легко согласовать вход SSR с уровнем входного сигнала. При использовании он может быть напрямую связан с выходным интерфейсом компьютера, то есть управляется логическим уровнем «1» и «0». Функция триггерной схемы заключается в генерации требуемого триггерного сигнала для запуска работы схемы переключения.Однако без специальной схемы управления схема переключения будет создавать RFI (радиочастотные помехи) и загрязнять электросеть в виде высоких гармоник или пиков, поэтому для этой цели настроена схема управления переходом через нуль. Означает переход через ноль, SSR находится во включенном состоянии при подаче управляющего сигнала и перехода напряжения переменного тока через ноль; после выключения управляющего сигнала SSR не находится в выключенном состоянии до тех пор, пока переменный ток не будет на стыке положительного полупериода и отрицательного полупериода (нулевой потенциал). Такая конструкция предотвращает влияние высших гармоник и загрязнение электросети.Схема демпфера предназначена для предотвращения воздействия и помех для коммутируемого компонента симистора от скачков и скачков (напряжения) от источника питания. Обычно используется демпферная цепь RC или нелинейное сопротивление (MOV). По сравнению с AC SSR, DC SSR не имеет внутри цепи управления переходом через ноль и демпфирующей цепи, а в качестве переключающего компонента обычно используется транзистор большой мощности. К тому же остальные принципы работы такие же.

Хотите купить твердотельное реле? ATO.com предлагает однофазные твердотельные реле с током нагрузки от 10 А, 25 А до 120 А и трехфазные твердотельные реле, включая 10 А, 40 А…, 80А, 100А и др.

.

Введение в твердотельные реле

Когда мы думаем о реле, мы склонны думать о тех больших механических объектах, которые издают приятный «щелчок» при активации. Какими бы хорошими они ни были для релейных компьютеров, бывают случаи, когда вы не хотите иметь дело с шумом или ненадежностью движущихся частей. Здесь стоит подумать о твердотельных реле (SSR). Они переключаются быстрее, бесшумно, без дуг и дуг, служат дольше и не содержат большой индуктор.

Source Fotek SSR Specifications Sheet

SSR состоит из двух или трех стандартных компонентов, упакованных в модуль (вы даже можете построить один самостоятельно).Первый компонент — это оптопара, которая изолирует вашу цепь управления от сети, которой вы управляете. Во-вторых, симистор, кремниевый выпрямитель или полевой МОП-транзистор, который переключает сетевое питание с помощью выхода оптопары. Наконец, обычно (но не всегда) существует «схема обнаружения перехода через ноль». Это заставляет реле ждать, пока ток, которым оно управляет, не достигнет нуля, прежде чем отключиться. Большинство SSR аналогичным образом будут ждать, пока сетевое напряжение не пересечет нулевое напряжение, прежде чем включиться.

Если механическое реле включается или выключается около пикового напряжения при подаче переменного тока, происходит внезапное падение или повышение тока. Если у вас есть индуктивная нагрузка, такая как электродвигатель, это может вызвать большой скачок переходного напряжения при выключении реле, поскольку магнитное поле, окружающее индуктивную нагрузку, разрушается. Переключение реле во время пика сетевого напряжения также вызывает электрическую дугу между выводами реле, изнашивая их и способствуя механическому выходу реле из строя.

При использовании SSR, который поддерживает обнаружение перехода через нуль, он будет поддерживать свое состояние до тех пор, пока форма выходного сигнала переменного тока сама не пересечет ноль. В этот момент он безопасно включается или выключается.

Диммирование с SSR

Одним из недостатков такого поведения является то, что вы не можете легко использовать типичные SSR в качестве диммеров с широтно-импульсной модуляцией, несмотря на их относительно высокую скорость переключения. Каждый раз, когда вы пытаетесь контролировать время «включения» входного сигнала, обнаружение пересечения нуля будет ждать, пока сигнал переменного тока не пересечет ноль, перед переключением.

Другой тип SSR, называемый твердотельным реле «случайного включения», используется для регулирования яркости. Он работает так же, как и обычный SSR, за исключением того, что в нем нет схемы обнаружения перехода через ноль. Он просто включается при получении сигнала. Это позволяет использовать только часть формы волны переменного тока для определенных типов нагрузок, таких как лампы или нагреватели. Тем не менее, он все еще ждет точки перехода через нуль сигнала переменного тока, прежде чем выключиться.

SSR выпускаются в вариантах переключения постоянного и переменного тока.Тип, который вам нужно использовать, зависит от типа переключаемого питания. В SSR постоянного тока для управления переключением обычно используются силовые MOSFET или транзисторы, а не симисторы или кремниевые выпрямители.

Одна особенность SSR переменного тока заключается в том, что измерение изменения сопротивления на выходе SSR при подаче сигнала на вход не предоставит очень полезной информации. Вы по-прежнему будете видеть высокое сопротивление на выходе. В этом случае мы измерили 22 кОм, что не позволило сделать вывод о корректной работе SSR.Стендовые испытания SSR перед использованием возможны с батареей 9 В и лампочкой (предупреждение в формате PDF).

Другие недостатки SSR

Другой потенциальный недостаток состоит в том, что SSR имеют более низкое сопротивление на выходных клеммах в выключенном состоянии по сравнению с механическими реле, а также некоторый ток утечки. Утечка обычно очень мала, но если вы измеряете выходной сигнал SSR, подключенного к сети, с помощью мультиметра, вы, скорее всего, зарегистрируете напряжение независимо от того, включен он или нет.

Из-за внутренней конструкции SSR они доступны только в однополюсной конфигурации с одним направлением (SPST).Однополюсный означает, что он может управлять только одной цепью, а однополюсный означает, что есть только два положения, в которых может находиться переключатель (одно состояние включено и одно состояние выключено). Механические реле не имеют этого ограничения и доступны с несколькими полюсами и ходами.

SSR

выделяют больше тепла, чем эквивалентное механическое реле. Это связано с тем, что на полупроводниках внутри твердотельного реле происходит падение напряжения, тогда как механическое реле в активном состоянии является просто проводником. важно, прикрепить радиатор к твердотельным реле и обеспечить достаточный воздушный поток для любого приложения, потребляющего значительный ток.Подробную информацию о безопасности SSR см. В этом документе Omron (предупреждение в формате PDF). Он также предлагает некоторые полезные конструктивные особенности для различных типов нагрузки.

Когда твердотельное тело и механика объединяются

В некоторых ситуациях полезно использовать как SSR, так и механическое реле. Допустим, что основным недостатком твердотельных реле в конструкции является то, что они выделяют больше тепла, чем эквивалентное реле. Точно так же основным недостатком реле в конструкции является то, что они подвержены риску механического отказа из-за дуги между контактами при каждом включении.

В этом случае можно объединить две части параллельно с отдельными входами. Для его активации система управления сначала включает SSR. Это устанавливает ток через нагрузку. Затем система управления активирует реле, в котором не возникает дуги, поскольку оно по существу параллельно замкнутому переключателю. Наконец, после небольшой задержки, позволяющей реле отсканировать, SSR деактивируется. Теперь весь ток проходит через механическое реле. Это позволяет создать эффективный и надежный переключатель, уменьшая при этом требования к теплоотводу для SSR.

Приложение для быстрого тестирования — Управление SSR с помощью ESP8266

У

SSR есть несколько причуд, но они кажутся жизнеспособной альтернативой механическим реле в современном модном Интернете коммутаторов. Я предпочитаю сосредоточиться на интересных частях моих проектов автоматизации, чем на механических сбоях, и, честно говоря, все щелчки могут быть слишком сильными. Чтобы лучше познакомиться с SSR, я построил простую тестовую схему на основе Fotek SSR-40DA SSR. Принципиально он похож на этот проект коммутируемой розетки SSR.

В техническом описании указано, что они рассчитаны на ток до 40 ампер, хотя для этого требуются большой радиатор, вентиляция и оригинальные запчасти. В своем тесте я использую его для управления вентилятором мощностью 47 Вт от сети 220 В переменного тока, 50 Гц. Радиатор не был сочтен необходимым для этого быстрого теста, но я добавил предохранитель на один ампер на входе сети, чтобы предотвратить его случайное использование для чего-то большого. Когда у вас много проектов, легко забыть об ограничениях каждого из них через несколько месяцев.

Я подключил цифровой выход D0 ESP8266 напрямую к входам SSR. Чип был прошит NodeMCU и запрограммирован на переключение D0 при переключении емкостного сенсорного переключателя, и я заставил его изменить цвет светодиода состояния.

Первое, что я заметил, это то, что во время загрузки контакты на ESP8266 ненадолго поднимаются высоко. Это привело к активации SSR на короткое время во время запуска, что недопустимо! Это легко исправить, инвертируя сигнал аппаратно с помощью транзистора, а затем программно.

При нажатии кнопки вентилятор включался или выключался соответственно, а также световой индикатор на SSR. В целом это было очень просто, хотя я обязательно вытравлю плату должным образом и добавлю радиатор, прежде чем использовать ее при более высоких токах или длительных периодах времени.

Моя электрическая проводка не имеет заземления. Это не из-за халатности, а потому, что я строю это во Вьетнаме, а в инфраструктуре этой страны нет жилого заземления.Если у вас есть заземленная проводка в жилом помещении, воспользуйтесь этим, чтобы сделать вашу конструкцию более безопасной.

Хотя это тривиальный тест, я извлек два практических урока. Во-первых, проводка занимает гораздо больше места, чем я думал. Во-вторых, соблюдение безопасного расстояния между проводами, по которым идет сеть, и сигналом от ESP8266, требует некоторых размышлений с точки зрения конструкции корпуса (особенно для радиатора на SSR). Дело не только в том, чтобы запихнуть его в корпус, и если я не собираюсь печатать на 3D-принтере нестандартный, я, конечно, ошибусь в пользу чего-то большего и с отдельной секцией для компонентов высокого и низкого напряжения.Другими словами, не делайте этого:

Втиснуть случайно сконструированный проект в ящик — далеко не лучший подход.

Я также узнал, что емкостные сенсорные переключатели с подсветкой прекрасно вписываются в корпуса переключателей, выглядят довольно мило и вписываются в стену, если обрезать несколько кусочков пластика. В более поздних тестах кнопки нет рядом с реле. Он использует второй ESP8266, который отправляет UDP-пакет для управления ретранслятором, а также прослушивает UDP-пакеты для обновления состояния светодиодного индикатора, если что-то еще выключает рассматриваемую систему.Работало нормально.

Когда он красный, у него есть определенный вид «Боюсь, я не позволю тебе сделать это, Дэйв».

Наконец, хочу отметить, что поддельные SSR очень распространены. Обычно они выходят из строя при токах, значительно меньших их номинальных, даже с правильными радиаторами. Хотя на самом деле мои SSR могут быть подлинными, я предполагаю, что они не настоящие, и буду использовать их при номинальных токах!

.

Подключение твердотельного реле

Techtip Logo

Узнайте, как легко подключить твердотельное реле

Арнольд Пена Инженер-электрик
Техническая поддержка Jameco

Твердотельное реле (SSR) — альтернатива использованию классического переключателя, когда вы хотите включить или выключить цепь. SSR запускается внешним напряжением, приложенным к его клемме управления. У него нет движущихся частей, поэтому он может работать намного быстрее и дольше, чем традиционный переключатель. Если он использует инфракрасный свет в качестве контакта; две стороны реле фотосвязаны.

Зачем использовать реле вместо переключателя?

Основными факторами являются удобство, безопасность и стоимость. Реле меньше и дешевле переключателей. С переключателем вам также придется прокладывать более толстые провода (достаточные для работы с током 30-40 ампер), потому что для этого требуется больше напряжения, чем для реле. Думайте о реле как о пульте дистанционного управления, оно обеспечивает безопасность, увеличивая расстояние до источника питания.

Провода SSR меньше и большего сечения, чем у переключателя. SSR также быстрее, меньше по размеру и имеют больший срок службы, чем механическое реле.Они помогают повысить безопасность, поскольку вы имеете дело с меньшим напряжением и силой тока, давая вам меньшее напряжение / силу тока, контролируя более высокое напряжение / силу тока. Для гораздо более высоких напряжений SSR — отличная альтернатива, когда обычный переключатель не может использоваться из-за сгорания под действием тока.

На схеме ниже показано, как подключить твердотельное реле. Обратите внимание, что диаграмма относится к твердотельным реле постоянного / постоянного тока (SSR).

Твердотельное реле (DC / DC):

Подключите положительную клемму (R) к кнопочному переключателю.
Подсоедините отрицательную клемму (R) к отрицательной клемме аккумулятора 1.
Подсоедините положительную клемму (L) к положительной клемме аккумулятора 2.
Подсоедините отрицательную клемму (L) к положительной клемме нагрузки.

Батарея 1:
Обратите внимание, что первая батарея использовалась в качестве изолятора.
Подсоедините отрицательную клемму аккумулятора 1 к отрицательной клемме SSR (R).
Подсоедините положительный полюс аккумулятора 1 к кнопочному переключателю.

Кнопочный переключатель:
Подключите одну клемму к положительной клемме (R) твердотельного реле.
Подсоедините вторую клемму к плюсовой клемме аккумулятора 1.

Нагрузка:
Подключите положительную клемму нагрузки к отрицательной клемме (L) SSR.
Подключите отрицательную клемму нагрузки к отрицательной клемме аккумулятора 2.

Аккумулятор 2:
Подключите положительный полюс аккумулятора 2 к положительному выводу на выходе.

Подключите отрицательную клемму аккумулятора 2 к отрицательной клемме нагрузки.

Если у вас есть вопросы, свяжитесь с технической группой Jameco по адресу [электронная почта защищена].


Арнольд начал свою карьеру в области электроники, работая в корпорации Sanmina, где он изучил печатные платы для ПК на уровне компонентов, а также научился паять. Он приобрел опыт работы в компьютерной индустрии, работая техником по сборке и устранению неисправностей рабочих станций и серверов. Арнольд получил степень бакалавра и бакалавра в Mission College , а затем получил степень B.С. в области электротехники от Государственного университета Сан-Хосе. В свободное время Арнольд занимается разработкой программного и аппаратного обеспечения с использованием различных языков программирования.
.

Что значит твердотельный по отношению к электронике?

Твердотельные электронные устройства — часть нашей повседневной жизни. Транзистор , изобретенный в 1947 году компанией Bell Labs, был первым твердотельным устройством, начавшим коммерческое использование в 1960-х годах. Твердотельные электронные устройства заменили электронных ламп практически во всех электронных устройствах. Электронные лампы по-прежнему используются в передатчиках радиостанций, которые вы слушаете, во многих гитарных усилителях и некотором аудиофильском оборудовании.Вакуумные лампы противоположны «твердотельным», потому что лампы перегорают, ломаются и т. Д.

Одним из первых твердотельных устройств был радиоприемник на кристалле. В радиоприемнике на кристалле кусок провода, расположенный на поверхности кристалла, может отделить низкочастотный звук от высокочастотной передаваемой несущей волны. Эта форма обнаружения сигнала обусловлена ​​способностью кристалла пропускать ток только в одном направлении. Для получения дополнительной информации см. Как работает радио.

Объявление

Твердотельный накопитель получил свое название от пути, по которому электрические сигналы проходят через твердые части полупроводникового материала.До использования твердотельных устройств, таких как обычный транзистор, электричество проходило через различные элементы внутри нагретой вакуумной лампы. В твердотельных устройствах, таких как транзистор, используются проводники для управления потоком сигналов через цепь.

  • В транзисторном усилителе небольшое изменение амплитуды входного сигнала немедленно отражается в большей амплитуде на выходе внутри транзистора.
  • В ламповом усилителе после того, как лампа нагревается, сигнал подается на «сетку» лампы, и результирующий выходной сигнал той же частоты имеет гораздо более высокую амплитуду.

В сэндвич-конструкции транзистора эмиттер, база и коллектор выполняют аналогичную задачу при гораздо более низких напряжениях постоянного тока, без времени на «прогрев»! В цифровых схемах микросхема представляет собой не что иное, как набор транзисторов и проводов, соединяющих их вместе.

Твердотельные устройства, называемые диодами . имеют замененные вакуумные лампы выпрямителя, используемые для преобразования переменного тока (AC) в постоянный ток (DC).Светодиоды Cool-running (светодиоды), еще одно твердотельное устройство, используемое в качестве индикаторов на передней панели вашего компьютера и монитора, пришли на смену предыдущим лампам накаливания. Несколько ярких светодиодов также используются для третьего стоп-сигнала на многих транспортных средствах в США и для светофоров.

Твердотельные миниатюрные электронные компоненты есть во многих местах:

  • Устанавливается на гибких тонкопленочных печатных схемах в фотоаппаратах и ​​дисководах.
  • Звуковой сигнал при тревоге мобильного телефона, пейджинга или автоматической приборной панели.
  • Голосовой чип в автоответчике.
  • Пульт для ТВ.
  • Лазерная указка.
  • Внутри MP3-плеера.
  • Кварцевые часы.
  • Датчик изображения в цифровом фотоаппарате и видеокамере.
  • Монитор компьютера, который вы просматриваете.
  • Щелкните мышью, чтобы перейти к следующему экрану HSW!

См. Следующие ссылки для получения дополнительной информации о твердотельной электронике.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *