Твердотельное реле – принцип работы

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

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

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

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

Достоинства

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

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

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

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

  1. Перенапряжение.
  2. Токовая перегрузка и короткое замыкание.
  3. Перегрев из-за плохого теплоотвода (максимальная температура нагрева основания устройства не должна превышать 80С).

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

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).

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

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.

ЧИТАТЬ ДАЛЕЕ:  Как идт ток и где плюс и минус на схеме блока ПМЗ

Принцип работы

Полупроводниковые устройства в свое время произвели революцию в радиотехнике, а одним из вождей полупроводниковой революции стало твердотельное реле Принцип работы, особенности использования и схемы подключения этого устройства мы обязательно рассмотрим сегодня. Как и положено каждому реле управления, твердотельное реле, Solid State Relay, SSR,  призвано обеспечивать контакт между цепями низкого и высокого напряжения. Независимо от размеров и конфигураций, все реле такого типа похожи по принципу действия и структуре. А структура у устройства такая:

  1.  Вход.
  2.  Развязка оптическая.
  3.  Триггерная цепь.
  4.  Переключающая цепь.
  5.  Защитная цепь.

На входе устройства стоит первичная цепь с сопротивлением на постоянном изоляторе, включенном последовательно. Все, что требуется от входной цепи — принимать импульс и передавать его устройству твердотельного реле, коммутирующего нагрузку. Естественно, что первичная и вторичная цепи должны быть изолированы друг от друга, а роль изолятора выполняет оптическая развязка. Она и вносит разнообразие в виды и типы твердотельных реле и влияет на принцип их работы.

Отдельным элементом конструкции является триггерная цепь, которая обрабатывает входной сигнал и переключает выход. В зависимости от вида реле, триггерная цепь может входить в состав оптической развязки, а может быть и совершенно автономным элементом. Нагрузочным же напряжением управляет цепь, которая состоит из транзистора, симистора и кремниевого диода.

Прежде чем рассматривать твердотельное устройство, следует вспомнить принцип работы обычного электромеханического реле. Оно состоит из контактов и катушки управления, работающих под влиянием подаваемого напряжения. Под его воздействием контакты соответственно замыкаются или размыкаются. Принцип действия твердотельного реле аналогичный. Основное различие заключается в использовании полупроводниковых приборов вместо контактов.

Наибольшее распространение получили симисторы и тиристоры, выполняющие коммутацию переменного тока, а также транзисторы, предназначенные для работы с постоянным током.

В свое время появление полупроводников произвело настоящую революцию в электронике и радиотехнике. Они стали использоваться и в твердотельных реле, обеспечивая контакты между цепями с низким и высоким напряжением. В составе каждого устройства имеется вход, оптическая развязка, триггерная, переключающая и защитная цепи.

Вход реле оборудован первичной цепью, в которую последовательно включено сопротивление на постоянном изоляторе. Основной функцией входа является прием импульса и последующая передача его на элемент устройства, коммутирующий нагрузку. Между первичной и вторичной цепью существует изоляция в виде оптической развязки. Именно эта развязка характеризует индивидуальные качества всех видов и типов реле и определяет принцип действия каждого устройства.

Для обработки входного сигнала существует триггерная цепь, являющаяся отдельным конструктивным элементом. Эта цепь принимает участие в переключении выхода. В различных конструкциях твердотельных реле

может быть частью оптической развязки, или применяться как самостоятельный элемент.

Управление нагрузочным напряжением осуществляется цепью, в состав которой входит транзистор, симистор и кремниевый диод. В конструкцию реле обязательно включается система, защищающая устройство от сбоев и ошибок. Она представляет собой отдельную защитную цепь внутреннего или внешнего типа.

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

Основные элементы регулируемой входной цепи переменного напряжения.

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

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

твердотельные реле

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

Рис. №4.  Схема реле с семистором.

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

Рис. №5. Схема реле с тиристором.

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

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

Рис. №7. Схема принципа работы полупериодного управления SCR

  1. Управление коммутационными действиями при переходе тока через ноль.

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

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

  1. Фазовое управление твердотельным реле

Рис.№9. Схема фазного управления.

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

Преимущества и области применения

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.

Сравнивая твердотельные реле с электромеханическими, следует отметить такие достоинства первых, как:

  • малые габариты;
  • экономия электроэнергии;
  • отсутствие необходимости дополнительного техобслуживания;
  • высокая скорость переключения;
  • длительный срок эксплуатации;
  • бесшумность;
  • возможность применения в различных приборах;
  • производительность;
  • отсутствие искры и скачка напряжения;
  • низкая чувствительность к неблагоприятным условиям.

Твердотельные реле нашли широкое применение. Они используются в тех случаях, когда требуется коммутировать индуктивную нагрузку. Как правило, это устройство служит для:

  • сохранения постоянной температуры в технологическом процессе;
  • коммутации цепи управления;
  • контроля нагрева трансформаторов и других приборов;
  • регулировки степени освещения;
  • управления электродвигателями.

Также ТТР применяется в системах, производящих регулирование температуры с помощью ТЭНа, а также при замене пускателей реверсного бесконтактного типа.

Где применяется твердотельное реле

Принцип действия этих устройств позволяет применять их тогда, когда за короткий промежуток времени необходимо множество раз включить и выключить нагрузку. В таких ситуациях обычные электромеханические реле очень быстро изнашиваются, полностью вырабатывая ресурс, выходят из строя и становятся непригодными для дальнейшего использования.

ЧИТАТЬ ДАЛЕЕ:  Монтаж электропроводки в деревянном доме своими руками – пошаговая инструкция

Твердотельное реле используюется в тех случаях, когда нужно гарантировать надежность, поскольку обычные контакты могут выгореть или залипнуть в самый неподходящий момент. Иногда решающее значение имеют габаритные размеры коммутирующего устройства и обеспечение бесшумной работы. Однако следует учитывать и тот фактор, что полупроводниковые реле имеют довольно высокую стоимость, поэтому, там, где это возможно, рекомендуется использовать обычные электромагнитные устройства.

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.

Схемы подключения ТТР

По подключению твердотельное реле практически ничем не отличается от обычного. Мы привели несколько типичных схем подключения для коммутации переменки до 240 вольт.

Обычное ТТР может переносить кратковременные перегрузки вплоть до 200% от номинала, особенно, если ток не подается резко, а возрастает по мере замыкания. Тем не менее предохранять реле от замыкания нужно и для них существуют определенные типы предохранителей.

Также стоит учитывать, что ТТР при работе могут нагреваться, а при температуре выше 70 градусов они практически прекращают функционировать, поэтому в обязательном порядке на реле устанавливаются радиаторы для твердотельных реле.

Во всех электронных схемах твердотельное реле подключается так же, как и обычные электромеханические устройства. Однако существуют специфические особенности, которые необходимо учитывать при подключении полупроводниковых реле. Для выполнения соединений не требуется использовать пайку, для этого существует винтовой способ.

В связи с особенностями конструкции, необходимо всячески избегать любых повреждений прибора, следить, чтобы в него не попадала пыль, особенно металлические элементы и другие инородные тела. Не допускаются какие-либо внешние воздействия, в том числе и механические, по отношению к корпусу прибора. В результате повреждений прибор быстро выйдет из строя и перестанет работать.

Рекомендуется правильно выбирать место расположения твердотельного реле. Не следует размещать их возле предметов, которые могут легко воспламениться. Запрещается прикасаться к устройству во время работы, чтобы не получить ожоги. До начала включения нужно проверить правильность всех коммутируемых соединений.

Твердотельное реле

Гальваническая развязка

Твердотельное реле

Тиристор принцип работы

Твердотельное реле

Модульный контактор (КМ)

Твердотельное реле

Принцип действия поляризованного реле

Твердотельное реле

Трехфазный инвертор

Твердотельное реле

Симистор принцип работы при коммутации

Оцените статью
MALIVICE.RU
Adblock
detector