В даній статті поговоримо про твердотельное реле, позначимо його перевага перед механічним реле. Розглянемо управління і підключення твердотільного реле, принцип його роботи і конструкцію, а так же розберемо різні схеми.
Призначення і область застосування твердотільних реле
Твердотільні вироби призначені для забезпечення замикання і розмикання ділянок в високовольтних і низьковольтних електричних ланцюгах. Вони виконують ту ж роль, що й звичайні реле з механічними Розмикачі контактів на основі електромагнітної котушки. Основна відмінність в тому, що воно не має механічних контактів і електромагніту, комутація здійснюється напівпровідниковими приладами.
Область застосування таких реле та ж що і звичайних, використовуються при необхідності комутації елементів індуктивного навантаження:
- У системах нагріву з електричними тенами;
- У виробничих технологіях, де необхідно підтримувати стабільну температуру;
- Для комутації ланцюгів систем управління в комплексі різного устаткування;
- У деяких випадках твердотільними реле замінюють безконтактні пускачі реверсного типу;
- У схемах управління електродвигунами;
- У системах контролю і діагностики обладнання, нагріву трансформаторів та інших елементів з встановленими межами певних параметрів в процесі експлуатації;
- У схемах управління рівнем освітлення на різних об’єктах.
Неможливо перелічити всі варіанти, сфера застосування цих виробів дуже обширна.
Опис
На відміну від електромеханічних реле (EMR), які використовують котушки, магнітні поля, пружини і механічні контакти для управління і перемикання харчування, твердотельное реле або SSR не має рухомих частин, але замість цього використовує електричні та оптичні властивості напівпровідникових напівпровідників, виконує його вхід в функції ізоляції і перемикання виходу.
Як і звичайні електромеханічні реле, твердотільні реле забезпечують повну електричну ізоляцію між їх вхідними та вихідними контактами, а його вихід діє як звичайний електричний перемикач в тому сенсі, що він має дуже високу, майже нескінченне опір в непроводящем (розімкнутому) і дуже низькому опорі при проведенні. Твердотільні реле можуть бути призначені для перемикання як змінного, так і постійного струму за допомогою SCR, Тріак або переключающего транзисторного виходу замість звичайних механічних нормально розімкнутих контактів.
У той час як твердотельное реле і електромеханічне реле в основному схожі в тому, що їх низьковольтний вхід електрично ізольований від виходу, який перемикає і контролює навантаження, електромеханічні реле мають обмежений життєвий цикл контакту, можуть займати багато місця і мають більш низькі швидкості перемикання, особливо великі силові реле і контактори. Твердотільні реле не мають таких обмежень.
Таким чином, основні переваги твердотільних реле в порівнянні зі звичайними електромеханічними реле полягають у тому, що у них немає рухомих частин, що зношуються, і, отже, немає проблем з відскоком контактів, вони можуть перемикати «ВКЛ» і «викл» набагато швидше, ніж механічні реле може рухатися, а також включатися при нульовій напрузі і відключатися при нульовому струмі, що усуває електричні перешкоди і перехідні процеси.
Напівпровідникові реле можна купити в стандартних готових комплектах, від декількох вольт або ампер до багатьох сотень вольт і ампер вихідний комутаційної здатності. Однак твердотільні реле з дуже високим номінальним струмом (плюс 150 А) все ще занадто дорогі для покупки через їх вимог до силових напівпровідників і тепловіддачі, і, як такі, все ще використовуються більш дешеві електромеханічні контактори.
Подібно електромеханічного реле, невелике вхідна напруга, зазвичай від 3 до 32 вольт постійного струму, може використовуватися для управління дуже великим вихідним напругою або струмом, наприклад 240В, 10А. Це робить їх ідеальними для взаємодії мікроконтролерів, PIC і Arduino, так як слабкострумовий 5-вольтний сигнал, скажімо, від мікроконтролера або логічного вентиля, може використовуватися для управління конкретної навантаженням ланцюга, і це досягається за допомогою опто-ізолятора.
Конструкція твердотільних реле і принцип роботи
Назва твердотельное, вказує на структуру конструкції реле, схема якого зібрана з напівпровідникових приладів на друкованих платах, тиристорах, транзисторах або сімісторов. Всі елементи поміщаються в жорсткий корпус, інгда заливаються епоксидною смолою, таким чином, виходить неразборная жорстка конструкція. З зовні виведені тільки контакти для управління і комутації підключається навантаження.
Різні моделі твердотільних реле
Фактично кожен окремо взятий тиристор або транзистор є безконтактним твердотілим реле. При подачі напруги на напівпровідниковий кристал p-n-p переходи в його структурі відкриваються, пропускаючи струм, при знятті напруги, що управляє закриваються, зупиняючи потік електронів.
Звичайне реле з електромагнітної котушкою і механічними контактами працює за таким же принципом. При подачі напруги на електромагнітну котушку осердя втягується, розмикає або замикає контакти в залежності від конструктивних особливостей виробу.
Так як габарити напівпровідників мають малі розміри в одному корпусі можна розмістити, комплексну систему комутації груп контактів різного призначення з схемами на замикання або розмикання. При цьому використовуються транзистори, сімістори, тиристори з р-n–p або n–p–n переходами, в залежності від функціонального призначення застосовують відповідні твердотільні реле.
Структурна схема твердотільного реле з основними елементами
Вироби відрізняються за технічними параметрами за величиною комутованого струму, напрузі управління і багатьма іншими параметрами. У більшості випадків сигнал управління на вході віддається оптичним шляхом, через підсвічування світлодіодом, фотодіода для включення комутації.
Переваги твердотільних реле
З причини явних переваг, твердотільні реле в порівнянні з електромагнітними зразками, успішно витісняють останні, розглянемо, в чому їх основні переваги:
- Конструкції твердотільних реле мають компактні розміри, надійну герметичність, стійкі до механічних ударів і експлуатації в умовах сильної вібрації;
- Надійність роботи цих виробів така, що виробники гарантують число спрацьовувань більше мільярда разів;
- Робота приладу абсолютно безшумна, так як відсутній електромагніт і тріскуча група механічних контактів;
- Висока швидкодія;
- При спрацьовуванні відсутні побічні електромагнітні випромінювання, що створюють перешкоди для електроніки та радіотехнічної апаратури;
- Твердотільні реле практично універсальні, мають високу ступінь захисту. Можуть застосовуватися на об’єктах з будь-якими виробничими умовами, в побутових умовах або на вибухонебезпечних ділянках;
- Терміни експлуатації розраховані на десятки років, при цьому не потрібно регулярного технічного обслуговування;
- Так як відсутні електромагніти, то споживання електроенергії твердотільних реле на 90% нижче контактних.
До переваг можна віднести і зручну конструкцію для монтажу в різних місцях установки.
Вхідна ланцюг постійного струму твердотільного реле
При використанні в якості сигналу активації механічних контактів, перемикачів, кнопок, інших контактів реле і т.д., що використовується напруга живлення може дорівнювати мінімальному значенню вхідної напруги SSR, тоді як при використанні твердотільних пристроїв, таких як транзистори, вентилі та мікро-контролери , мінімальна напруга живлення повинно бути на один або два вольт вище напруги включення SSR для обліку внутрішнього падіння напруги комутаційних апаратів.
Але крім використання напруги постійного струму, або ослаблення, або джерела, для перемикання твердотільного реле в провідний стан, ми також можемо використовувати синусоїдальну форму хвилі, додавши мостовий випрямляч для двухполуперіодного випрямлення і схему фільтра на вхід постійного струму.
Вхідна ланцюг змінного струму твердотільного реле
Мостові випрямлячі перетворять синусоїдальна напруга в двухполуперіодні випрямлені імпульси з подвоєною вхідний частотою. Проблема тут полягає в тому, що ці імпульси напруги починаються і закінчуються з нуля вольт, що означає, що вони впадуть нижче мінімальних вимог до напруги при включенні порога входу SSR, в результаті чого вихід буде «включатися» і «вимикатися» в кожному напівперіод.
Щоб подолати це безладне спрацьовування на виході, ми можемо згладити випрямлену брижі, використовуючи згладжує конденсатор (C1) на виході мостового випрямляча. Ефект зарядки і розрядки конденсатора підвищить постійну складову випрямленої сигналу вище максимального значення напруги включення на вході твердотільних реле. Тоді, навіть якщо використовується постійно змінюється синусоїдальна форма хвилі напруги, вхідний сигнал SSR бачить постійну напругу постійного струму.
Значення резистора падіння напруги R 1 і згладжує конденсатора C 1вибіраются відповідно до напругою живлення, 120 В змінного струму або 240 В змінного струму, а також вхідним опором твердотільного реле. Але щось близько 40 кОм і 10 мкФ підійде.
Потім з додаванням цієї бруківки випрямляча і згладжує конденсаторної ланцюга можна управляти стандартним твердотілим реле постійного струму, використовуючи джерело змінного або неполяризованого постійного струму. Звичайно, виробники вже виробляють і продають вхідні твердотільні реле змінного струму (зазвичай від 90 до 280 В змінного струму).
Вихід твердотільного реле
Можливості перемикання виходу твердотільного реле можуть бути як змінного, так і постійного струму, аналогічними його вимогам до вхідній напрузі. Вихідна ланцюг більшості стандартних твердотільних реле налаштована для виконання тільки одного типу переключающего дії, що дає еквівалент нормально розімкнутого однополюсного однополюсного (SPST-NO) режиму роботи електромеханічного реле.
Для більшості твердотільних реле постійного струму зазвичай використовуються твердотільні комутаційні пристрої – силові транзистори, Дарлінгтона і MOSFET, тоді як для твердотільного реле змінного струму, комутаційні пристрої – це сімісторних або двосторонні тиристори. Тиристори кращі з-за їх високої напруги і струму. Один тиристор також може використовуватися в схемі мостового випрямляча, як показано на малюнку.
Найбільш поширеним застосуванням твердотільних реле є перемикання навантаження змінного струму, будь то управління потужністю змінного струму для включення / вимикання, затемнення світла, управління швидкістю двигуна або інші подібні програми, де необхідно управління потужністю, ці навантаження змінного струму може легко управлятися за допомогою постійного струму низького напруги за допомогою твердотільного реле, що забезпечує тривалий термін служби і високі швидкості перемикання.
Одним з найбільших переваг твердотільних реле в порівнянні з електромеханічним реле є його здатність вимикати «змінні» навантаження змінного струму в точці нульового струму навантаження, тим самим повністю усуваючи іскріння, електричний шум і відскік контактів, пов’язані зі звичайними механічними реле і індуктивними навантаженнями.
Це пов’язано з тим, що твердотільні реле перемикання змінного струму використовують SCR і Тріак в якості вихідного перемикає пристрої, яке продовжує проводити після видалення вхідного сигналу до тих пір, поки змінний струм, що протікає через пристрій, не опуститься нижче свого порогового значення або не збереглися значення струму. Тоді вихід SSR ніколи не зможе вимкнутися в середині піку синусоїдальної хвилі.
Відключення при нульовому струмі є основною перевагою використання твердотільного реле, оскільки воно зменшує електричні перешкоди і зворотний ЕРС, пов’язані з перемиканням індуктивних навантажень, які бачаться як іскріння контактами електромеханічного реле. Розглянемо діаграму форми вихідного сигналу нижче типового твердотільного реле змінного струму.
Поетапний процес підключення ТТР (твердотільних реле)
Розглянемо один з найпростіших варіантів підключення напівпровідникового реле в систему освітлення:
- У розподільній коробці, РЩ або на іншій ділянці ланцюга робиться розрив фазного проводу;
- В цей розрив підключається реле, контактами для комутації ланцюга;
Підключення твердотільного реле в розрив лінії живлення освітлювальних приладів
- На контакти управління з дотриманням полярності підключаються дроти від джерела живлення постійного струму, це може бути акумулятор, трансформаторний або напівпровідниковий інвертор.
Підключення ланцюга управління робиться через кнопку пуску, так як досить короткочасно подати напругу для відкриття тиристора і замикання ланцюга. При подачі напруги і замиканні ланцюга комутації світиться світлодіодний індикатор, при розмиканні він гасне.
- Зазвичай реле і блок живлення для ланцюга управління кріпляться до плоскої поверхні саморізами або в розподільних шафах на дин-рейку.
Блоки живлення для ланцюгів управління на дин-рейці
Такі схеми комутації в системах освітлення в цілях безпеки виробництва ефективно застосовуються на об’єктах хімічної, гірничодобувної промисловості. Скрізь де є ймовірність вибуху в загазованому просторі, відсутність іскрять механічних контактів істотно знижує ймовірність вибуху. статтю ⇒ Реле струму пріоритетне.
Форма вихідного сигналу твердотільного реле
При відсутності вхідного сигналу струм навантаження не протікає через SSR, оскільки він фактично виключений (розімкнений), а вихідні клеми бачать повне напруга живлення змінного струму. При застосуванні вхідного сигналу постійного струму, незалежно від того, яку частину синусоїдального сигналу, позитивного або негативного, проходить цикл, через характеристик перемикання SSR при нульовій напрузі, вихід включається тільки тоді, коли сигнал перетинає нульову точку.
Коли напруга живлення збільшується в позитивному або негативному напрямі, воно досягає мінімального значення, необхідного для повного включення вихідних тиристорів або симистора (зазвичай менше ніж близько 15 вольт). Падіння напруги на вихідних клемах SSR відповідає падінню напруги перемикає пристрої V T (зазвичай менше 2 вольт). Таким чином, будь-які високі пускові струми, пов’язані з реактивними або ламповими навантаженнями, значно знижуються.
Коли сигнал вхідного напруги постійного струму видаляється, вихід не відключається раптово, так як після спрацьовування провідності тиристор або Тріак, який використовується в якості перемикає пристрої, залишається включеним протягом решти полупериода, поки струми навантаження не впадуть нижче утримуючих пристроїв струму, в цей момент він вимикається. Таким чином, висока зворотна ЕРС dv / dt, пов’язана з перемиканням індуктивних навантажень в середині синусоїди, значно знижується.
Тоді основними перевагами твердотільного реле змінного струму над електромеханічним реле є його функція перетину нуля, яка включає SSR, коли напруга навантаження змінного струму близько до нуля вольт, таким чином пригнічуючи будь-які високі пускові струми, оскільки струм навантаження завжди буде запускатися від точки, близької до 0 В, і властивою нульовий характеристиці відключення струму тиристора або симистора. Тому існує максимально можлива затримка вимкнення (між видаленням вхідного сигналу і відключенням струму навантаження) в один напівперіод.
Види твердотільних реле
Твердотільні реле відноситься до модульних напівпровідникових приладів, виготовленим по гібридної технології. У них використовуються сімісторних, тиристорні або транзисторні структури, які служать основою для створення потужних силових ключів. Вони успішно замінюють традиційні контактори і електромагнітні реле.
За типом навантаження напівпровідникові пристрої можуть бути однофазними або трифазними. Вони здатні комутувати напругу в найширшому діапазоні – від 40 до 440 вольт, що робить можливим їх застосування в різних областях.
Залежно від типу управління, існує 3 групи реле:
- Для комутації напруги постійного струму від 3 до 32 вольт.
- Для комутації напруги змінного струму від 90 до 250 вольт.
- Для ручного управління вихідною напругою, коли застосовуються змінні резистори, опір від 40 до 560 кОм, потужністю від 0,25 до 0,5 Вт.
Твердотільні реле розрізняються і за способом комутації:
- Пристрої, які контролюють перехід через нуль. З їх участю коммутируются резистивні, ємнісні і слабоіндуктівние навантаження. Коли подається керуючий сигнал, вихідна напруга з’являється при першому перетині нульового рівня лінійною напругою. За рахунок цього відбувається зменшення початкового кидка струму, знижується рівень електромагнітних завад, зростає термін експлуатації комутованих навантажень. Даний тип реле не може використовуватися для комутації високоіндуктівних навантажень, наприклад, трансформаторів на холостому ходу.
- Пристрої з миттєвим (випадковим) включенням. Застосовуються для комутації навантажень, коли необхідно миттєве спрацьовування. Вихідна напруга виникає спільно з подачею сигналу з затримкою включення, що не перевищує 1 мілісекунди. Такі реле можуть включатися на будь-яких ділянках синусоїдальної напруги. Істотним недоліком цих пристроїв є імпульсні перешкоди і початкові кидки струму, що виникають при комутації.
- Фазовий управління. За допомогою реле змінюється величина вихідної напруги навантаження. Це дозволяє регулювати потужність нагрівальних елементів і рівень освітленості ламп розжарювання.
Фазорегулювальні твердотельное реле
Хоча твердотільні реле можуть виконувати пряме перемикання навантаження при перетині нуля, вони також можуть виконувати набагато складніші функції за допомогою цифрових логічних схем, мікропроцесорів і модулів пам’яті. Інша чудове застосування твердотільного реле – в пристроях з диммером ламп, будь то вдома, для шоу або концерту.
Твердотільні реле з ненульовим включенням (миттєве включення) включаються відразу після подачі вхідного сигналу, на відміну від SSR перетину нуля, який вище, і очікує наступного точки перетину нуля синусоїдальної хвилі змінного струму. Це випадкове перемикання під час пожежі використовується в резистивних пристроях, таких як диммер ламп, і в пристроях, в яких навантаження повинна подаватися тільки протягом невеликої частини циклу змінного струму.
Використання андруіно
Для розширення можливостей і сфер застосування твердотільних реле широко використовують універсальні плати з процесором андруіно, які дозволяють управляти перемиканням самих різних пристроїв. Це той випадок, коли сигнал управління 3-5в, процесор підключається до комп’ютера, з відповідним програмним забезпеченням яке управляє роботою твердотільних реле, посилаючи на вхід сигнали управління.
Програмне забезпечення можна коригувати самостійно, методика С ++ не складна, доступна для звичайного обивателя не має спеціальної освіти програміста і навичок в електроніці. Ця тема вимагає окремого детального розгляду. Управління здійснюється роботою різних пристроїв:
- Замиканням кнопки пуску будь-якого пристрою (дзвінка, освітлення, звукової сигналізації);
- Поворотом пристрої приводів;
- Включенням електромоторів;
- Включенням датчиків освітлення;
- При припиненні лазерного променя в охоронних системах сигналізації;
- Спрацьовування датчиків руху;
- Датчики температур, керуючі опалювальною системою;
- Відправляти сигнали на інший андруіно і багато інших функцій.
Всі варіанти застосування цього пристрою важко описати, плата з процесором може містити 1 – 4 – 8 і більше каналів. Комутація може програмуватися за часом або управлятися з клавіатури ПК.
Для спрощення монтажу можна використовувати універсальну панель, на якій можна збирати схеми будь-комутації без пайки, через роз’єми з пружинними затискачами.
Складніша система, що включає в себе центральний контролер, дозволяє контролювати і управляти побутовими приладами, на базі андруіно можна створити самостійно комплекс «Розумний будинок».
Форма сигналу з довільним перемиканням
Хоча це дозволяє контролювати фазу сигналу навантаження, основна проблема випадкового включення SSR полягає в тому, що початковий стрибок струму навантаження в момент включення реле може бути високим через переключающей потужності SSR, коли напруга живлення складає близько до свого пікового значення (90 o). Коли вхідний сигнал видаляється, він перестає проводити, коли струм навантаження падає нижче струму тиристорів або триаков, як показано на малюнку. Очевидно, що для твердотільного реле постійного струму дію включення-виключення є миттєвим.
Твердотільні реле ідеально підходить для широкого діапазону застосувань вмикання / вимикання перемикання, оскільки вони не мають рухомих частин або контактів на відміну від електромеханічного реле (ЕМР). Існує багато різних комерційних типів на вибір для вхідних сигналів управління змінного і постійного струму, а також для перемикання виходів змінного і постійного струму, так як вони використовують напівпровідникові перемикаючі елементи, такі як тиристори, Тріаки і транзистори.
Але використовуючи комбінацію хорошого Оптоізолятори і симистора, ми можемо зробити наше власне недороге і просте твердотельное реле для управління навантаженням змінного струму, такий як нагрівач, лампа або соленоїд. Оскільки для роботи Оптоізолятори потрібно тільки невелика кількість вхідних / керуючої потужності, керуючий сигнал може надходити від PIC, Arduino, Raspberry PI або будь-якого іншого такого мікроконтролера.
Помилки, допущені під час використання твердотільних реле
- Найчастіше споживачі не правильно роблять вибір реле за технічними характеристиками, в результаті чого воно не працює або швидко виходить з ладу;
Характеристики вхідних сигналів управління твердотільних реле різних виробників
| Марка реле / параметри | серія протон імпульс 5П19.20 | Crydom H12D4825D PBF | Teledyne Relays SD48D50A2 | Carlo Gavazzi RA2A48D25 | Celduc SOB562460 |
| Величина напруги постійного струму в В. | 10 – 30 | 4 – 15 | 10 – 30 | 4.5 – 32 | 3.5 – 32 |
| Мінімальна амплітуда спрацьовування в В. | 1 | 1 | 1 | 1-2 | 1-2 |
| Вхідний струм мА. | 10 – 25 | 13 | 3 | До 10 | 13 |
Характеристики ланцюгів комутації цих виробників
| Марка реле / параметри | Протон імпульс 5П19.20 | Crydom H12D4825D PBF | Teledyne Relays SD48D50A2 | Carlo Gavazzi RA2A48D25 | Celduc SOB562460 |
| Напруга, що комутується в В. | 30 – 540 | 50 – 530 | 25 – 600 | 40 – 530 | 25 – 600 |
| Комутований струм в А. | 0.06 – 25 | 0.15 – 25 | 0.005 – 50 | 0.15 – 25 | 25 |
| Пікове напруга в В. | 1200 | 1200 | 1200 | 1200 | 1200 |
| Піковий струм в А. | 300 | 250 (16,5мс) | 550 | 300 (10мс) | 230 |
| Робоча температура. | – 40 … + 85 ̊З | – 40 … + 80 ̊З | – 40 … + 100 ̊З | – 20 … + 80 ̊З | – 40 … + 100 ̊З |
- При монтажі виробів для мереж 220 та 380 намагайтеся їх розміщувати в РЩ, а не в розподільних коробках і подрозетниках. Це спростить монтаж і доступ при необхідності зміни схеми або ремонту;
- Обов’язково враховуйте полярність при підключенні ланцюга управління і виходу реле з постійним струмом.
Схема реле змінного струму
Цей тип конфігурації оптопари формує основу дуже простого застосування твердотільного реле, яке може використовуватися для управління будь-яким навантаженням від мережі змінного струму, такий як лампи і двигуни. Тут ми використовували MOC 3020, який є ізолятором з випадковим перемиканням. Опто-тріачний ізолятор MOC 3041 має ті ж характеристики, але з вбудованим виявленням перетину нуля, що дозволяє навантаженні отримувати повну потужність без великих пускових струмів при перемиканні індуктивних навантажень.
Діод D 1 запобігає пошкодженню через зворотного підключення вхідного напруги, в той час як резистор 56 Ом (R 3) шунтирует будь струми di / dt при відключеному сімісторов, усуваючи помилкові спрацьовування. Він також пов’язує термінал затвора з MT1, забезпечуючи повне відключення симистора.
Якщо використовується вхідний сигнал ШІМ з широтно-імпульсною модуляцією, частота перемикання вмикання / вимикання повинна бути встановлена не більше 10 Гц для навантаження змінного струму, інакше вихідний перемикання цієї напівпровідникової релейного ланцюга може не витримати.
Часто задавані питання
- Як захистити реле від стрибків струму і напруги в аварійних ситуаціях?
В першу чергу встановлюйте вироби, яке відповідає за технічними параметрами ланцюга, в якій виробляється комутація. При короткому замиканні більшість реле витримують підвищене навантаження до 10 мс, в цьому випадку рекомендується ставити напівпровідникові запобіжники, які відключають ланцюг за 2 мс. І реле і запобіжники коштують не дешево, але захист дорогого устаткування цілком виправдовує витрати.
- Яке пікова напруга реле треба вибрати в ланцюгах 220В?
Реле через яке коммутируются ланцюга зі змінним напругою в 220В рекомендується вибирати з 9 класом по напрузі, воно витримує пікові стрибки до 900В.
Кількість блоків: 19 | Загальна кількість символів: 25075
Кількість використаних донорів: 3
Інформація по кожному донорові:
- https://meanders.ru/chto-takoe-tverdotelnoe-rele-ego-shemy-upravlenie-i-podkljuchenie.shtml: використано 9 блоків з 11, к-ть символів 13569 (54%)
- http://electric-tolk.ru/podklyuchenie-tverdotelnogo-rele/: використано 8 блоків з 11, к-ть символів 9372 (37%)
- https://electric-220.ru/news/tverdotelnoe_rele/2016-12-21-1144: використано 1 блоків з 5, к-ть символів 2134 (9%)
