Твердотельное реле: назначение и принцип работы, преимущества и недостатки, схемы подключения - услуги электромонтажа, строительства и ремонта

Способность выдерживать токовую перегрузку определяется величиной “импульсного тока”. Это амплитуда одиночного импульса определенной длительности (обычно 10 мс). Для реле постоянного тока это значение обычно в 2-3 раза превышает максимально допустимый постоянный ток, для тиристорных реле это соотношение составляет около 10. Для токовых перегрузок любой длительности можно принять эмпирическую зависимость: увеличение длительности перегрузки на порядок уменьшает допустимую амплитуду тока. Расчет максимальной нагрузки приведен в следующей таблице.

Содержание

Что такое твердотельное реле?

Твердотельное реле, называемое в англоязычной литературе Solid State Relay, является разновидностью обычного электромеханического реле. Он имеет широкий спектр промышленного и бытового применения. Как и обычные реле, полупроводниковые устройства могут легко справляться с большими нагрузками при небольшом управляющем сигнале. Основное отличие от обычных реле заключается в том, что этот тип полностью основан на твердотельных компонентах.

Эти особенности продлевают срок службы компонента. Однако эти реле становятся все горячее и горячее из-за потерь в полупроводниках. В данной статье представлены все особенности структуры, конструкции и дизайна твердотельного реле, его применения, преимущества и недостатки по сравнению с другими типами. По этой теме статья предлагает читателю интересное видео и полезный файл, развивающий этот материал.

Поскольку они работают в слаботочных цепях, их внутренняя схема явно упрощена для снижения стоимости. Они особенно подходят для использования в системах пожарной и охранной сигнализации. Эти системы требуют очень высокого уровня надежности, который не всегда могут обеспечить электромагнитные реле. Давайте рассмотрим слаботочное реле CPC1035.

Что такое твердотельное реле?

Электроника развивается быстрыми темпами, и то, что еще недавно было обычным делом, теперь кажется ушедшим в прошлое. Электромеханическое реле все еще используется, но его заменяет совершенно новое электронное устройство твердотельное реле.

В англоязычной технической литературе твердотельное реле (TTR), является аббревиатурой для РСБ (Sолид Sтат Relays).

Твердотельное реле используется для управления силовыми цепями с помощью низковольтной схемы управления. Эффективные переключатели на полупроводниковых структурах, выполненные по типу: транзистор, тиристор или симистор, используются в качестве переключателей в силовой цепи.

Твердотельное реле – это, по сути, то же самое, что и известное электромеханическое реле, но с использованием твердотельной технологии.

В зависимости от типа он может использоваться как в цепях переменного, так и постоянного тока.

Принцип работы твердотельного реле.

Работа твердотельного реле заключается в следующем: управляющий сигнал подается на светоизлучающий диод. Оптическое излучение вызывает ЭДС на фотодетекторе (фотодиоде). Это напряжение подается на схему управления, которая генерирует управляющий сигнал для выходного переключателя.

Таким образом, вся работа твердотельного реле происходит в несколько разделенных этапов:

Входная цепь (излучающий диод).

Фотодиод с управляющим триггером (схема управления).

Коммутационная схема (симистор).

Схема защиты выходного выключателя (варистор и т.д.).

В зависимости от назначения и параметров твердотельного реле, оно может иметь различные схемы. Как уже упоминалось, в качестве переключающего элемента, коммутирующего ток нагрузки, может использоваться симистор, МФЭТ, тиристор, диод, биполярный транзистор или IGBT. Это позволяет найти на рынке твердотельное реле для любого применения.

Основные параметры твердотельного реле немногочисленны:

Коммутационное напряжение U_{Напряжение U макс.};

Номинальный ток I_макс.;

Качественные различия между твердотельными реле и электромеханическими реле.

Почему твердотельные реле все чаще вытесняют “классические” электромеханические реле? Как известно, электромеханические реле имеют много недостатков: длительное время работы, подгоревшие контакты (что приводит к низкой надежности), дребезг контактов, искрение (вызывающее помехи в оборудовании).

По сравнению с электромагнитными реле твердотельные реле имеют ряд неоспоримых преимуществ:

Они допускают не менее миллиарда циклов переключения, что в тысячу раз больше, чем обычные электромеханические.

Совместимость с уровнями логических схем. Это означает, что SSR можно управлять непосредственно с выхода схемы.

Отсутствие контактов и, следовательно, вибрации.

Бесшумная работа, устойчивость к вибрации, высокая скорость работы.

Очень низкое энергопотребление.

Следует отметить, что твердотельные реле очень чувствительны к перенапряжению и перегрузке по току. Поэтому при выборе твердотельного реле всегда следует учитывать запас не менее 20%. Есть еще два очень важных момента, на которые следует обратить внимание. Эти устройства очень боятся перегрева, и во время работы полупроводниковая структура сильно нагревается, поэтому необходим теплоотвод. Очень часто переключаемая цепь шунтируется варистором для защиты от перенапряжения.

Твердотельные реле малой мощности.

Существует целый ряд твердотельных реле, рассчитанных на малые токи и напряжения. Их принято называть телекоммуникационными реле или MER (MмикроElectronic Relay). Как правило, они предназначены для коммутации маломощных нагрузок.

Маломощные твердотельные реле имеют очень малые размеры и хорошо зарекомендовали себя в многофункциональных телефонах, контрольно-измерительных приборах, модемах, детекторах вторжения и системах пожарной сигнализации.

Поскольку они используются в слаботочных системах, их внутренняя схема значительно упрощена для снижения стоимости. Они особенно подходят для использования в системах пожарной и охранной сигнализации. Эти системы требуют очень высокого уровня надежности, который не всегда могут обеспечить электромагнитные реле. Особое внимание уделяется следующим слаботочным реле CPC1035.

Как показано на рисунке, это реле представляет собой комбинированное устройство. Он содержит высокоэффективный инфракрасный диод AsGaAl с высокой эффективностью излучения. Это схема управления (Контроль). Нагрузка (Нагрузка) переключается двойным МОП-транзистором. Благодаря использованию двойного транзистора MOSFET реле способно коммутировать переменный ток. Как только на инфракрасный диод подается напряжение, он начинает испускать излучение. Излучение поступает на массив фотодиодов, где формируется фото-ЭДС. Напряжение, полученное от фотодиодов (фото-ЭДС), затем передается в схему управления. Он, в свою очередь, управляет переключателем, состоящим из полевых транзисторов. В цепь нагрузки начинает подаваться ток. Как видите, сердцем любого твердотельного реле является твердотельная технология.

Основные параметры CPC1035:

Коммутируемое напряжение переменного тока (напряжение блокировки) составляет 0. 350 В;

Максимальный ток нагрузки (Load Current) составляет 100 мА;

Максимальное сопротивление включения выключателя (Max On-resistance) составляет 35 Ом;

Значение тока управления составляет 2. 50 мА (ток управления – постоянный).

Эти миниатюрные маломощные реле широко используются в детекторах вторжения. Например, следующие реле COSMO . тип CPC1008 на плате датчика движения “Photon-Sh”. Он подключается к шлейфу охранной сигнализации (например, ППКОП “Гранит”) или к линии, подключенной к центральной станции мониторинга (ЦСМ).

Серия твердотельных реле Серия CPC10xx также доступны в составе охранного датчика “Астра-621”. Это многофункциональный датчик. Он контролирует движение в охраняемой зоне с помощью пироэлектрического датчика и отслеживает разбитие окна с помощью чувствительного микрофона. Два твердотельных реле типа CPC1016N. Один активируется при обнаружении движения в охраняемой зоне, а другой – при разбитии окна.

Если вы внимательно посмотрите, то заметите, что на печатной плате твердотельные реле обозначены как DA4 и DA5. Как вы знаете, аббревиатура DA обычно используется для обозначения аналоговых микросхем на принципиальных схемах. Поэтому следует понимать, что твердотельное реле не является отдельным электронным компонентом, а фактически представляет собой специализированную микросхему, подобную инфракрасному приемнику.

На первый взгляд, это не является проблемой при эксплуатации, поскольку реле излучает тепло в окружающую среду, и в большинстве случаев это приемлемо и даже полезно, например. для отопительного оборудования, используемого в более холодных помещениях. Чем выше ток нагрузки, тем больше тепла выделяет твердотельное реле.

Общие рекомендации по выбору твердотельных реле

Тепло, выделяемое УСБ при коммутации нагрузки, вызвано электрическими потерями в силовых полупроводниковых элементах. Повышение температуры SSR ограничивает величину коммутируемого тока, поскольку чем выше температура ТДС, тем меньший ток может быть коммутирован. Достижение температуры 40° C не приводит к существенному ухудшению характеристик, в то время как температура 60° C значительно снижает допустимый ток переключения: нагрузка может быть отключена не полностью, а твердотельное реле может стать неуправляемым или даже выйти из строя.

Таким образом, для продолжительной работы твердотельного реле в номинальных и особенно в “тяжелых” приложениях (непрерывное включение при токах нагрузки свыше 5 А), требуется использование радиаторов или воздушного охлаждения для отвода тепла. Для больших нагрузок, например, индуктивных (катушки, соленоиды и т.д.) рекомендуется выбирать твердотельное реле с большим запасом тока (2-4 раза), в то время как при использовании твердотельных реле для управления асинхронным двигателем требуется 6-10-кратный запас тока.

Для большинства типов нагрузок пусковой ток сопровождается броском тока (пусковой перегрузкой) различной длительности и амплитуды, что необходимо учитывать при выборе твердотельного реле.

Для различных типов нагрузок могут быть заданы следующие пусковые перегрузки:

Чисто активные нагрузки (нагреватели, такие как HET) дают минимально возможные пики тока, которые практически исключаются при использовании твердотельного реле с нулевым переключением;
лампы накаливания, галогенные лампы при включении проводят ток, в 7…12 раз превышающий номинальный ток;
Люминесцентные лампы дают короткие пики тока в 5-10 раз превышающие номинальный ток в первые секунды (до 10 с);
Ртутные лампы дают тройную перегрузку по току в первые 3-5 минут;
Катушки реле переменного тока: ток в 3…10 раз выше номинального тока в течение 1-2 периодов времени
обмотки катушки: 10…20-кратный номинальный ток в течение 0,05 – 0,1 с
электродвигатели: 5…10-кратный номинальный ток в течение 0,2 – 0,5 сек;
Большие индуктивные нагрузки с насыщенными сердечниками (трансформаторы холостого хода), при переключении в фазу нулевого напряжения: ток в 20-40 раз выше номинального тока в течение 0,05 – 0,2 сек;
Емкостные нагрузки, при переключении в фазе, близкой к 90°: ток, в 20-40 раз превышающий номинальный ток в течение от десятков микросекунд до десятков миллисекунд.

Способность твердотельных реле выдерживать токовые перегрузки определяется величиной импульсного тока, т.е. амплитудой одиночного импульса определенной длительности (обычно 10 мс). Для реле постоянного тока это значение обычно в 2-3 раза больше максимально допустимого постоянного тока, для тиристорных реле это отношение составляет около 10. Для токовых перегрузок любой длительности можно принять эмпирическую зависимость: увеличение длительности перегрузки на порядок приводит к уменьшению диапазона тока.

Выбор номинального тока твердотельного реле для данной нагрузки предполагает выбор запаса выше номинального тока реле и введение дополнительных мер по снижению пусковых токов (токоограничивающие резисторы, дроссели и т.д.).

Для повышения устойчивости твердотельного реле к импульсным помехам параллельно переключающим контактам реле помещается цепь, состоящая из резистора и конденсатора, соединенных последовательно (RC-цепочка).

Для более полной защиты от источника перенапряжения со стороны нагрузки защитные варисторы должны быть подключены параллельно к каждой фазе твердотельного реле.

Все полупроводниковые приборы такого типа делятся на секции, среди которых выделяют входную секцию, оптопару, триггер и цепи коммутации и защиты. Входная секция имеет отдельную первичную цепь, в которую последовательно включен резистор. Основная задача входной секции – принимать импульсы и передавать их в секцию коммутации.

Типы твердотельных реле

Тип нагрузки

Однофазные реле работают с токами от 10 до 120 A или от 100 до 500 A. Управление фазой осуществляется с помощью аналогового сигнала и элемента сопротивления.
Трехфазные устройства управляют всеми тремя фазами одновременно. Их рабочий диапазон также составляет от 10 до 120 A. Существуют отдельные разновидности устройств, которые работают по принципу реверса и осуществляют бесконтактную коммутацию.

По конструкции

Стандарт. Устанавливаются на переходные планки;
Предназначен для монтажа на металлический профиль (DIN-рейку).

По типу управления

Устройства различаются в зависимости от типа управления и характеристик используемого напряжения:

Устройства постоянного тока. Работает под воздействием стабильной электрической энергии. Параметры мощности варьируются от 3 до 32 Вт. Для данного типа устройств характерны высокие удельные значения, наличие светодиодных индикаторов, высокий параметр надежности. Почти для всех наименований устройств оптимальная рабочая температура находится в диапазоне от -30 до +70°C.

Устройства переменного тока. Их основными преимуществами являются практически полное отсутствие помех ЭМС, низкий индекс шума, экономия потребления электроэнергии и скорость работы. Диапазон рабочей мощности составляет от 90 Вт до 250 Вт.

Устройства с ручным управлением. Они позволяют вам самостоятельно выбрать оптимальный тип операции. Эта функция достигается за счет использования переменных резисторов.

В соответствии с методом переключения

По способу включения устройства подразделяются на

Те, которые превышают 0. Можно управлять емкостными, восстановительными и низкоиндуктивными нагрузками. При подаче управляющего сигнала выходное напряжение формируется, когда напряжение сети достигает нуля.

В результате снижается пусковой ток, устраняются посторонние помехи и повышается коэффициент использования коммутируемых параметров. Этот тип реле не способен коммутировать большие индуктивности и поэтому не подходит для условных трансформаторов, работающих в состоянии срыва.

С мгновенной (случайной) активацией. Эти устройства используются в ситуациях, когда нам нужно очень быстро включиться. Выходное напряжение появляется при активации управляющего сигнала. Задержка активации обычно составляет не более 1 мс. Большими недостатками таких устройств являются ошибки пульсации и начальные скачки тока, наблюдаемые при изменении параметров.

Фаза активирована. Эти устройства позволяют изменять напряжение нагрузки на выходе. С помощью этой функции можно установить необходимую выходную мощность для источников света и тепла.

Принцип работы устройства прост. В корпусе реле находятся два контакта и два провода управления. Их количество может меняться в зависимости от подключенных фаз. Основная нагрузка коммутируется напряжением.

Преимущества и недостатки

Твердотельные реле имеют множество преимуществ по сравнению с электромеханическими аналогами. К ним относятся:

Долговечность. Твердотельное устройство может выдержать до десятков тысяч циклов включения/выключения.
Формируется высококачественное соединение.
Грамотное управление нагрузкой.
Высокая скорость работы.
Отсутствие электромагнитных помех в замкнутом контуре.
Быстрое время отклика.
Бесшумная работа.
Уменьшенные габаритные размеры.
Нет контакта.
Чрезвычайно тихая работа.
Бесступенчатое переключение между переменным и постоянным током. Зависит от мощности и типа устройства.
Широкий спектр применения.
Выдерживает перегрузки до 2000.
Защита от внезапных и больших скачков напряжения и тока.

Существует также ряд недостатков, которые могут сделать электромеханическое реле более выгодным в использовании. Во-первых, это высокая стоимость продукта и сложность его приобретения. Твердотельные реле можно приобрести только в профессиональном специализированном магазине электроники. Это также вызывает проблемы при первом включении – могут возникать большие скачки тока. Микротоки, возникающие во время работы, также оказывают негативное влияние на реле.

К работе устройства также предъявляются эксплуатационные требования – в помещении должен быть нормальный уровень пыли и влажности. Оптимальные значения можно найти в документации на реле.

Твердотельные реле не должны работать с устройствами, напряжение которых превышает 0,5 кВ. Более высокие рекомендуемые значения могут привести к оплавлению контактов.

Контакты управления показаны крупным планом:

Что такое твердотельное реле?

Что такое твердотельное реле?

Принцип работы твердотельного реле.

Качественные различия между твердотельными реле и электромеханическими реле.

Твердотельные реле малой мощности.

Общие рекомендации по выбору твердотельных реле

Типы твердотельных реле

Тип нагрузки

По конструкции

По типу управления

В соответствии с методом переключения

Преимущества и недостатки

Рекомендации по выбору и эксплуатационные характеристики: