Что такое твердотельное реле и для чего оно нужно?

Особенности подключения твердотельного реле

Включить прибор в общую цепь можно самостоятельно. Монтаж облегчает отсутствие пайки. Прибор подсоединяют винтовыми крепежными элементами.

При проведении монтажных работ необходимо:

• избегать попадания металлических предметов, загрязнений, пыли;
• не прилагать механические воздействия на корпус;
• размещать устройство вдали от легковоспламеняющихся предметов;
• перед пуском устройства в работу проверить правильность подключений.

Внимание! Во время эксплуатации нельзя прикасаться к корпусу устройства во избежание ожогов. При нагреве модели во время работы до температуры, превышающей +60°C, рекомендуется устанавливать ее на радиатор охлаждения

В основном высокий нагрев происходит при частых включениях электронного коммутатора.

Характеристики нагрузок реле по пусковым токам

Когда осуществляется подключение твердотельного реле к нагрузке, нужно знать характеристики последней:

• нагрузки активного характера (ТЭНовые нагреватели) создают незначительные токовые скачки, их можно нивелировать, применяя ТТР, где происходит включение в ноль;
• осветительные приборы накаливания и лампы галогенного типа, где от 7 до 12 раз сквозь них проходит больший ток, чем номинальный;
• лампы флуоресцентные на время до 10 секунд дают пульсации тока выше номинального в 5 раз, а то и на порядок;
• лампы ртутные на время до пяти минут могут перегружать цепь токами, завышенными в 3 раза;
• реле электромагнитные переменного электричества на время до двух периодов претерпевают скачки в 3-10 раз;
• ток в катушках соленоида на 1-2 порядка превышает номинал за десятую долю секунды;
• двигатели электрические за половину секунды дают прирост тока до 10 раз;
• приборы высокоиндуктивного характера с сердечниками насыщения (трансформаторы, когда они работают вхолостую), включены в фазе ноля по напряжению, ток достигает скачков, до 20, а то и до 40 раз превышающих номинал за время в 0.05-0.20 секунды;
• когда включены нагрузки емкостного характера в фазе около 90 градусов, ток превышает номинальный в 20-40 раз за время до 10 миллисекунд.

Твердотельные реле для приборостроения и промышленной аппаратуры

Твердотельные реле для применения в приборостроении и системах промышленной автоматики — это самая большая группа реле как по количеству, так и по разнообразию конструкции и характеристик, потому что такие реле предназначены для выполнения самых разнообразных задач.

Существует три схемы включения твердотельных реле: схема А — для работы в цепях переменного и постоянного тока и схемы B, C — для работы в цепях постоянного тока (рис. 7). Соответственно, допустимый ток нагрузки минимален для схемы включения А, больше — для схемы включения В и максимален — для схемы включения С. Его величина для конкретной схемы включения указана в технических характеристиках реле. Твердотельные оптоэлектронные реле IR по назначению нельзя четко выделить в отдельные группы, поскольку они могут выполнять свои функции в различных цепях

Поэтому при их подборе следует принимать во внимание «конкретную обстановку»: для работы в мультиплексорах, приборах, в которых требуются высокое быстродействие, линейность характеристик, высокая чувствительность и стабильность работы, следует использовать быстродействующие реле; в устройствах питания следует подбирать реле по рабочему напряжению и допустимому току нагрузки и обращать внимание на напряжение пробоя между входом и выходом. Втех случаях, когда не удается подобрать необходимое реле, выйти из положения можно, если использовать схему на дискретных полевых или IGBT-транзисторных ключах и оптопару серии PVI

Новое реле PVY116 предназначено для замены обычных и ртутных механических реле. Его особенность — высокое быстродействие, что делает это реле необходимым компонентом в автоматизированном измерительном оборудовании, приборах и системах сбора данных. PVY116 выпускают только в корпусе SOP-4, предназначенном для поверхностного монтажа.

Новые реле серии PVT212 предназначены для замены популярных твердотельных реле LH1517 производства AT&T Microelectronics и Infineon, а также однотипных реле других компаний. Сравнительные характеристики этих реле приведены в таблице 1.

Твердотельные реле типа PVX6012 выполнены на выходных ключах IGBT и HEXFRED (см. рис. 2, г) в 14-выводном корпусе DIP. Рабочее напряжение для них составляет 0–280В (среднеквадратичное значение) на переменном токе и 0–400В — на постоянном. Максимальный ток нагрузки составляет 1А. Реле этого типа предназначены для работы в системах промышленной автоматики и управления, контрольно-измерительном оборудовании, для замены электромагнитных и ртутных реле.

Твердотельные реле IR выпускаются в 6- 8-, 14- и 16-выводных корпусах DIP, 6-выводных корпусах SMT и в корпусах ThinPak.

В таблице 2 приведен перечень возможных замен твердотельных реле других производителей на аналогичные реле IR.

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.

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.

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.

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.

Входная цепь переменного тока твердотельного реле

Мостовые выпрямители преобразуют синусоидальное напряжение в двухполупериодные выпрямленные импульсы с удвоенной входной частотой. Проблема здесь заключается в том, что эти импульсы напряжения начинаются и заканчиваются с нуля вольт, что означает, что они упадут ниже минимальных требований к напряжению при включении порога входа SSR, в результате чего выход будет «включаться» и «выключаться» в каждом полупериоде.

Чтобы преодолеть это беспорядочное срабатывание на выходе, мы можем сгладить выпрямленную рябь, используя сглаживающий конденсатор (C1) на выходе мостового выпрямителя. Эффект зарядки и разрядки конденсатора повысит постоянную составляющую выпрямленного сигнала выше максимального значения напряжения включения на входе твердотельных реле. Тогда, даже если используется постоянно изменяющаяся синусоидальная форма волны напряжения, входной сигнал SSR видит постоянное напряжение постоянного тока.

Значения резистора падения напряжения R ₁ и сглаживающего конденсатора C ₁выбираются в соответствии с напряжением питания, 120 В переменного тока или 240 В переменного тока, а также входным сопротивлением твердотельного реле. Но что-то около 40 кОм и 10 мкФ подойдет.

Затем с добавлением этой мостовой выпрямителя и сглаживающей конденсаторной цепи можно управлять стандартным твердотельным реле постоянного тока, используя источник переменного или неполяризованного постоянного тока. Конечно, производители уже производят и продают входные твердотельные реле переменного тока (обычно от 90 до 280 В переменного тока).

Особенности эксплуатации

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

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

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

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

Принцип действия

В твердотельных реле взаимодействие управляющего сигнала с управляемым происходит путем формирования гальванической развязки – как правило, с помощью оптрона. Управляющее напряжение подает питание на светодиод, а он, в свою очередь, освещает фотодиод, и с помощью тока последнего включается МОП или тиристор, управляющий нагрузкой. Тиристоры и симисторы используются в устройствах, применяемых при переменном токе, а транзисторы – в приборах с постоянным током. Также применяются и специализированные оптоэлектронные приборы – оптотиристоры и фототиристоры.

Структура ТТР включает:

• вход – первичная цепь, состоящая из резистора на постоянном изоляторе, имеющего последовательное подключение. Главной функцией входной цепи является принятие сигнала и передача его устройству реле, коммутирующему нагрузку;
• оптическая развязка – используется для изоляции входной и выходной сети переменного тока;
• триггерная цепь – отдельный элемент, обрабатывающий входной сигнал и переключающий выход;
• цепь переключателя – подает силу напряжения, включает в себя транзистор, симистор и кремниевый диод;
• цепь защиты – может быть внешней или внутренней, защищает устройство от сбоев или появления ошибок.

Для коммутации индуктивной нагрузки при помощи твердотельного реле необходимо увеличить запас тока не менее, чем в 6–8 раз.

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.

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.

Это интересно: Производители автоматических выключателей – рейтинг лучших фирм: изучаем развернуто

Принцип работы твердотельного реле

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.

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

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.

Принцип работы твердотельного реле типа SCR полупериодного управления

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

Типы коммутирования твердотельных реле

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.

Основные показатели для выбора твердотельных реле

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

Рекомендации по подбору реле и эксплуатационные нюансы

Токовая нагрузка и ее характер служат главным фактором, определяющим выбор. Реле выбирается с запасом по току, в который входит учет пускового тока (он должен выдержать 10-кратное превышение тока и перегруз на 10 мс). При работе с обогревателем номинальный ток превышает номинальный ток нагрузки не менее чем на 40%. При работе с электродвигателем запас по току рекомендован быть больше номинала не менее чем в 10 раз.

Ориентировочные примеры выбора реле при превышении тока

1. Нагрузка активной мощности, например, ТЭН – запас 30-40%.
2. Электродвигатель асинхронного типа, 10 кратный запас по току.
3. Освещение с лампами накаливания – 12 кратный запас.
4. Электромагнитные реле, катушки – от 4 до 10 кратного запаса.

Рис. №10. Примеры выбора реле при активной нагрузке по току.

Такой электронный компонент электрических цепей как твердотельное реле становиться обязательным интерфейсом в современных схемах и обеспечивает надежную электрическую изоляцию между всеми задействованными электроцепями.

Пишите комментарии,дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

Сферы 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.

Твердотельное реле – устройство и особенности конструкции

На температурный режим могут влиять многие факторы: место установки, температура окружающей среды, циркуляция воздуха, нагрузка на твердотельном реле и др. При использовании на «тяжелые» нагрузки (пуск асинхронного двигателя) необходимо применять дополнительные меры по усилению отвода тепла: устанавливать на радиатор большего размера, сделать принудительное охлаждение (установить вентилятор).

Защита

• Твердотельные реле имеют встроенную RC-цепь для защиты от ложного включения при использовании на индуктивной нагрузке.
• Для защиты от кратковременного перенапряжения со стороны нагрузки необходимо использовать варисторы.Они подбираются исходя из величины коммутируемого напряжения Uвар=1,6-2Uком. Следует отметить, что современные ТР выдерживают значительные перенапряжения и без применения варисторов. Гораздо опаснее для ТР перегрузка по току.

• Для защиты от перегрузки по току необходимо использовать специальные быстродействующие полупроводниковые предохранители. Они подбираются с учетом величины номинального тока реле Iпр=1 — 1,3Iном., причем само ТР должно быть с гораздо большим запасом по току, в т.ч.учитывая пусковые токи нагрузки. Это самый эффективный способ защитить ТР от перегрузки по току. Поскольку реле способно выдерживать только кратковременную (10мс) перегрузку, то использование автоматов защиты не спасет их от выхода из строя.
• Для корректной работы твердотельного реле при маленьких токах нагрузки (соизмеримых с током утечки) необходимо устанавливать шунтирующее сопротивление параллельно нагрузке.

Примеры применения

Основное применение ТР находят в системах управления нагревом.

Твердотельные реле ZD3, VD, LA чаще всего применяют в технологических процессах, где требуется поддержание температуры с большой точностью (ПИД, Fuzzy режим).

При этом реле VD, LA будут обеспечивать плавную регулировку за счет фазового метода управления.

Твердотельные реле ZA2 чаще применяют в системах, где не требуется высокая точность поддержания температуры (двухпозиционный режим).

Твердотельные реле VA (управление переменным резистором) применяют для ручной регулировки мощности на нагрузке.

Таким устройством можно отрегулировать мощность ТЭНа или ИК-излучателя, изменять яркость свечения лампы накаливания.

Соблюдая определенный ряд условий, твердотельные реле можно использовать для пуска асинхронных двигателей. Необходимо учитывать пусковые токи двигателя и ТР подбирать с многократным запасом по току.

Применять меры по дополнительному отводу тепла. Для защиты ТР от кратковременных перенапряжений использовать варисторы, а для защиты от перегрузки по току быстродействующие предохранители.

Можно организовать управление группой реле от одного источника питания.

В данном случае необходимо подобрать источник с мощностью достаточной для включения всей группы реле. При этом можно оставить возможность включения – выключения отдельного реле для управления требуемой зоной.

Характеристики

Естественно, у каждой фирмы, предлагающей такие приборы, свои параметры и модели. Рассмотрим основные характеристики наиболее популярных из отечественных твердотельных реле (КИПприбор – KIPpribor, Cosmo, Протон):

1. ТМ-0 оснащены встроенный схемой «ноль», через которую осуществляется переход фаз;
2. ТС могут включаться в любой момент фазы;
3. Самые известные – это контроллеры ТМВ, ТСБ, ТСВ (их еще называют ТМА), ТСА, ТМБ. Они выходной RC-цепью и используются для управления в системах потенциального управления;
4. ТС/ТМ относятся к силовым. Ток доходит до 25мА;
5. ТСА и ТМА имеют основное назначение – специальные чувствительные к перепадам напряжения приборы;
6. ТСБ/ТМБ – это низковольтные модели (до 30 В);
7. ТСВ/ТМВ – высоковольтные (от 110 до 280В).

Иностранными аналогами являются Carlo Gavazzi, (SSR) Gefran (для инфракрасных активных нагрузок), Finder и CPC (модель SCC).

Основные характеристики TSR-25DA:

Тип	Переменный, постоянный ток
Ток срабатывания	7.5 мА / 12 VDC
Управляющее напряжение	4 – 32 В
Утечка ампер	12,5 мА при 380 В
Время реагирования	20 мс

90-280VAC, 25A/240VAC от Crydom:

Управление	AC
Управляющее напряжение, В	90–280
Напряжение размыкания, В	10
Выходной каскад	тиристорный
Контакты	нр
Коммутируемое переменное напряжение, В	20–280
Максимальный ток нагрузки, А	25

Твердотельное реле SSR–F 10 DA – H SSR:

Тип	Постоянный ток
Срабатывание	7,5 мА
Электрическая прочность изоляции вход/выход	2,5 кВ
Утечка	15,5 мА при 440 В
Реагирование	15 мс