Твердотельное реле что это такое и как работает

Твердотельное реле (далее – ТТР) или в английском варианте – SolidState Relay (SSR)– это новое поколение реле, которое выполняет аналогичную функцию, как и электромагнитное реле, но отличается технологией исполнения.Свое название «твердотельное» реле получило по причине полного отсутствия в конструкции каких-либо подвижных элементов. Контактную группу в нём заменяет электронный ключ, собираемыйиз полупроводниковых элементов, которые непосредственно и выполняют коммутацию цепи.Выполняются ключина транзисторах большой мощности (для коммутации цепей постоянного тока), либотиристорах илисимисторах (для коммутации цепей переменного тока). Отсутствие контактной группы исключает саму возможность возникновения искры (дуги) в моменткоммутации и позволяет применять ТТР (SSR) во взрыво- и пожароопасных средах и помещениях (установках).

ТТР (SSR) изготавливаются как в однофазном, так и в трехфазном исполнении, а применяются в схемах переменного и постоянного тока. На рисунке 1 показано ТТР (SSR) относительно малой мощности, которое предназначено для коммутации в цепях переменного тока напряжением до 240 В и величинойтока до 2,5 А. На рисунках 2 и 3 изображены ТТР (SSR) для коммутации переменного токаоднофазной нагрузки до 40 А и трехфазной нагрузки до 60 А соответственно.По типу оперативного управления (питания) ТТР (SSR) может выполняться как на переменном, так и на постоянном токе.Учитывая то, что для полупроводниковых элементов важно и обязательно должен соблюдаться диапазон допустимой рабочей температуры, ТТР (SSR) c номинальным током 10 А и более размещают на радиаторах, которые отводят тепло в окружающую среду (воздух).

Рассмотрим подробнее устройство и работу современного ТТР (SSR).

Внутренняя часть ТТР (SSR) – электронная плата, состоящая из управляющегоэлемента, развязки, а также силового ключа.
Управляющий элемент реализован в виде схемы стабилизации напряжения и тока для светоизлучающего элемента.
В конструкции развязки используется оптоэлектронное устройство, например, оптрон – элемент, состоящий из светоизлучающего элемента и приемника, которые отделены друг от друга прозрачным диэлектрическим материалом.

Классифицируют ТТР (SSR) по методу управления переключением:

— с коммутацией перехода тока через ноль;
— мгновенного включения;
— с фазовым управлением.

Возможность применения того либо иного типа управления определяется индивидуально на стадии выбора ТТР (SSR) в каждом конкретном случае. Учитывая то, что ТТР (SSR) выпускаются различных типоразмеров и на разное напряжение, а каждый метод управления имеет свои преимущества и недостатки, все это позволяет подобрать нужное релепрактически для любых целей.

Рассмотрим кратко принцип работы реле с симисторным ключом на примере рисунка 4. В основе принципа действия ТТР (SSR) заложено взаимодействие двух сигналов — управляющего и управляемого, которые гальванически развязаны. Эту функцию выполняет оптоэлектронное устройство: оптрон, опто- или фототиристор. На светодиод подается управляющее напряжение, его свечение воздействует на фотодиод, что приводит к появлению тока управлениясимисторомс последующей коммутациейрабочего тока подключенной нагрузки.

Твёрдотельное реле. Что это такое и как работает? Испытание на практике

В заключение данного обзора следует отметить, что в целом ТТР (SSR) имеет следующие достоинства:

— отсутствие электромагнитных помех при коммутации цепей;
— отсутствие переходных процессов при коммутации цепей;
— быстродействие;
— отсутствие дребезга контактов и шума;
— значительный коммутационный ресурс (практически не лимитируется);
— возможность работы во взрыво- и пожароопасной среде;
— низкое энергопотребление, по сравнению с электромагнитными реле;
— надёжная развязка между входными и коммутируемыми цепями;
— компактная и герметичная конструкция, стойкая к загрязнениям, вибрации и ударным нагрузкам;
— небольшие габариты,
и недостатки:
— дороговизна;
— чувствительность к предельно-допустимому току коммутации;
— чувствительность к перегреву, что компенсируется использованием радиатора в сочетании с хорошей термопастой.

Принцип работы твердотельного реле

Твердотельное реле (далее – ТТР) или в английском варианте – SolidState Relay (SSR)– это новое поколение реле, которое выполняет аналогичную функцию, как и электромагнитное реле, но отличается технологией исполнения.Свое название «твердотельное» реле получило по причине полного отсутствия в конструкции каких-либо подвижных элементов. Контактную группу в нём заменяет электронный ключ, собираемыйиз полупроводниковых элементов, которые непосредственно и выполняют коммутацию цепи.Выполняются ключина транзисторах большой мощности (для коммутации цепей постоянного тока), либотиристорах илисимисторах (для коммутации цепей переменного тока). Отсутствие контактной группы исключает саму возможность возникновения искры (дуги) в моменткоммутации и позволяет применять ТТР (SSR) во взрыво- и пожароопасных средах и помещениях (установках).

ТТР (SSR) изготавливаются как в однофазном, так и в трехфазном исполнении, а применяются в схемах переменного и постоянного тока. На рисунке 1 показано ТТР (SSR) относительно малой мощности, которое предназначено для коммутации в цепях переменного тока напряжением до 240 В и величинойтока до 2,5 А. На рисунках 2 и 3 изображены ТТР (SSR) для коммутации переменного токаоднофазной нагрузки до 40 А и трехфазной нагрузки до 60 А соответственно.По типу оперативного управления (питания) ТТР (SSR) может выполняться как на переменном, так и на постоянном токе.Учитывая то, что для полупроводниковых элементов важно и обязательно должен соблюдаться диапазон допустимой рабочей температуры, ТТР (SSR) c номинальным током 10 А и более размещают на радиаторах, которые отводят тепло в окружающую среду (воздух).

Рассмотрим подробнее устройство и работу современного ТТР (SSR).

Внутренняя часть ТТР (SSR) – электронная плата, состоящая из управляющегоэлемента, развязки, а также силового ключа.
Управляющий элемент реализован в виде схемы стабилизации напряжения и тока для светоизлучающего элемента.
В конструкции развязки используется оптоэлектронное устройство, например, оптрон – элемент, состоящий из светоизлучающего элемента и приемника, которые отделены друг от друга прозрачным диэлектрическим материалом.

Классифицируют ТТР (SSR) по методу управления переключением:

— с коммутацией перехода тока через ноль;
— мгновенного включения;
— с фазовым управлением.

Возможность применения того либо иного типа управления определяется индивидуально на стадии выбора ТТР (SSR) в каждом конкретном случае. Учитывая то, что ТТР (SSR) выпускаются различных типоразмеров и на разное напряжение, а каждый метод управления имеет свои преимущества и недостатки, все это позволяет подобрать нужное релепрактически для любых целей.

Рассмотрим кратко принцип работы реле с симисторным ключом на примере рисунка 4. В основе принципа действия ТТР (SSR) заложено взаимодействие двух сигналов — управляющего и управляемого, которые гальванически развязаны. Эту функцию выполняет оптоэлектронное устройство: оптрон, опто- или фототиристор. На светодиод подается управляющее напряжение, его свечение воздействует на фотодиод, что приводит к появлению тока управлениясимисторомс последующей коммутациейрабочего тока подключенной нагрузки.

В заключение данного обзора следует отметить, что в целом ТТР (SSR) имеет следующие достоинства:

— отсутствие электромагнитных помех при коммутации цепей;
— отсутствие переходных процессов при коммутации цепей;
— быстродействие;
— отсутствие дребезга контактов и шума;
— значительный коммутационный ресурс (практически не лимитируется);
— возможность работы во взрыво- и пожароопасной среде;
— низкое энергопотребление, по сравнению с электромагнитными реле;
— надёжная развязка между входными и коммутируемыми цепями;
— компактная и герметичная конструкция, стойкая к загрязнениям, вибрации и ударным нагрузкам;
— небольшие габариты,
и недостатки:
— дороговизна;
— чувствительность к предельно-допустимому току коммутации;
— чувствительность к перегреву, что компенсируется использованием радиатора в сочетании с хорошей термопастой.

Применение

Модификация и схема коммутаторов подбирается на основании потребностей той электрической сети, для которой они необходимы. Сфера применения ТТР обширна — устройство может быть установлено для:

  • Управления электродвигателями;
  • Регулирования температурных показателей в нагревательных элементах;
  • Контроля работы трансформаторов;
  • Управления уровнем освещенности;
  • Контроля включения осветительных приборов;
  • Автоматизации промышленных процессов;
  • Регулировки датчиков движения;
  • Установки в электронике автомобилей.

Помимо этого, твердотельные реле разных типов благодаря принципу их работы и подходящей схеме управления часто выступают в роли электронных ключей. Особенно это актуально для силовых, слаботочных установок, коммутаторов станков, в работе которых большое значение имеет мгновенное срабатывание.

Также ТТР можно встретить в комплектации бытовой техники: холодильники, стиральные машины, нагреватели, чайники и т.д.

Как выбрать твердотельное реле

При покупке твердотельного аппарата необходимо принимать во внимание следующие характеристики:

  • Вид и модификация: нужно учитывать тип напряжения, сигнала управления;
  • Потребность объекта: следует подбирать такое количество реле для электрических цепей, чтобы ток ТТР превышал ток нагрузки, независимо от режима работы. Примечательно, что перегрузочные свойства коммутаторов переменного тока выше, чем у приборов, предназначенных для работы с постоянным током;
  • Требуемое значение тока: выбор производят не по номинальному току нагрузки, а по пусковому. То есть показатель тока в устройстве должен быть больше, чем показатель тока при любом режиме работы;
  • Способ коммутации: наиболее часто встречающийся тип — управление при переходе «через ноль», т.к. он практически исключает помехи, которые образуются при включении;
  • Потребность в дополнительных приборах: если ведется установка твердотельного реле на поверхности в плохо вентилируемом пространстве, то возможно нагревание полупроводников. Чтобы избежать этого, рекомендуется устанавливать радиатор охлаждения.

Стабильная рабочая температура обеспечивает надежную работу коммутатора. Нормальная работа прибора возможна при температуре окружающей среды, не превышающей 60˚C.

Твердотельные реле. Принцип действия и применение

Твердотельные реле (Solid State Relays, SSR) представляют собой полупроводниковые интегральные бесконтактные переключающие устройства. Они были разработаны компанией Crydom (ныне подразделение компании Sensata) в 1971 г., с тех пор широко распространились и претерпели немало изменений. Сегодня их производит множество компаний, среди которых есть и российские.

Принцип работы твердотельных реле

Рис. 1. Структурная схема твердотельного реле

В самом общем виде структурная схема твердотельного реле показана на рис. 1. В качестве изоляционного барьера в большинстве случаев используются оптроны. Логические сигналы высокого или низкого уровня поступают во входной каскад реле, который их детектирует и формирует ток управления светодиодом.

Рис. 2. Выходные каскады твердотельного реле: а) КМОП; б) тиристорный

Схема управления выходным каскадом усиливает сигнал фотоприемника и генерирует сигнал управления силовыми ключами выходного каскада, в качестве которых, как правило, используются КМОП (рис. 2а) или двунаправленные тиристоры (симисторы, рис. 2б). Выходной каскад содержит снабберную цепь, ограничивающую всплески напряжения, возникающие при коммутации силовых ключей. Иногда выходную цепь дополняют варистором для защиты от перенапряжения.

Несложно заметить схожесть функционального назначения твердотельных и обычных электромагнитных реле. И те и другие используются для коммутации нагрузки. Оба типа реле управляются слаботочным сигналом, мощность которого кратно ниже мощности нагрузки. Поэтому практически в любой статье, посвященной твердотельным реле, можно встретить сравнение этих реле. Скажем несколько слов и мы.

Главным преимуществом твердотельных реле является отсутствие механических подвижных частей. К таким реле, в отличие от электромагнитных, неприменимы понятия механической и электрической износостойкости. Также у твердотельных реле заметно выше быстродействие.

Рис. 3. Зависимость: а) числа срабатываний электромагнитного реле от коммутируемого тока и напряжения для активной нагрузки; б) числа срабатываний электромагнитного реле от коммутируемого тока и напряжения для индуктивной нагрузки; в) коммутируемого тока от температуры для твердотельного реле

Для обоих типов реле существуют ограничивающие факторы. Для электромагнитных реле таким фактором является износостойкость, а для твердотельных — нагрев. Сказанное иллюстрирует рис. 3. На нем показаны зависимости числа срабатываний электромагнитного реле от коммутируемого тока и напряжения для активной (рис. 3а) и индуктивной (рис. 3б) нагрузки и зависимость коммутируемого тока от температуры (рис. 3в) для твердотельного реле. Добавим, что ток входного каскада твердотельного реле не превышает нескольких десятых доли миллиампера, в то время как для срабатывания электромагнитного реле требуется ток в несколько десятков миллиампер.

Впрочем, нельзя сказать, что твердотельные реле безусловно во всем лучше. У электромагнитных реле тоже есть свои достоинства: для питания катушки не требуется стабилизированного напряжения, у них отличные помехоустойчивость и радиационная стойкость, их стоимость ниже, особенно если речь идет о коммутации токов более 100 А. Тем не менее многочисленные преимущества твердотельных реле позволили им заметно потеснить своих электромагнитных конкурентов в очень многих приложениях.

Примеры использования твердотельных реле

Можно привести множество примеров применения твердотельных реле, однако в рамках статьи мы ограничимся наиболее интересными, на наш взгляд, случаями — коммутацией цепей переменного тока. Подобные задачи возникают при управлении исполнительными механизмами, регулировании температуры для коммутации ТЭНов и в других схожих ситуациях. Возможность коммутации цепей переменного тока выгодно отличает твердотельные реле от интеллектуальных силовых ключей, которые составляют им конкуренцию в цепях постоянного тока.

Рис. 4. Коммутация цепи: а) при ненулевом значении напряжения; б) при нулевом значении напряжения

В зависимости от фазы напряжения сети в момент коммутации могут возникать помехи, как показано на рис. 4а, которые могут нарушить работу системы и затруднить обеспечение электромагнитной совместимости. При коммутации в момент перехода напряжения через ноль подобных искажений не возникает.

В рассматриваемых нами случаях далеко не всегда требуется высокое быстродействие, когда команда на коммутацию должна выполняться без задержки. Поэтому допускается осуществлять коммутацию не сразу после прихода команды, а с задержкой, в момент перехода напряжения через ноль, как показано на рис. 4б. Для подобной коммутации во многие твердотельные реле встраивается схема детектирования нулевого значения напряжения (Zero Cross Circuit).

Рис. 5. Коммутация при переходе напряжения через ноль: а) по внешней команд; б) с фиксированным в реле временем цикла; в) с минимальной задержкой

Возможные реализации коммутации при переходе напряжения через ноль показаны на рис. 5. Самый простой и экономичный способ показан на рис. 5а: коммутация осуществляется по команде внешнего устройства. На рис. 5б показана коммутация с фиксированным временем цикла, в данном случае 0,2 с, контроль длительности цикла выполняется встроенной в реле схемой. Наиболее точный способ поддержания среднего значения напряжения приведен на рис. 5в: коммутация осуществляется каждые полпериода с минимальной задержкой.

Рис. 6. Схемы реверсивного включения 3-фазного электродвигателя

Нередко твердотельные реле используют в схемах включения и реверсирования электродвигателей переменного тока. На рис. 6 показана схема реверсивного включения 3-фазного электродвигателя. Реверсирование происходит с помощью механических ключей SW1 и SW2 или управляющих сигналов внешнего устройства. Следует иметь в виду, что интервал времени между командами выбора направления вращения должен составлять не менее 20 мс (при частоте сети 50 Гц). В противном случае произойдет короткое замыкание между фазами. Причем если используются реле с тиристорным выходом, то ток короткого замыкания может достичь значительной величины, т. к. выключение тиристоров произойдет только при уменьшении тока через них ниже уровня тока удержания.

Принцип работы твердотельного реле

Твердотельным реле (ТТР) или SolidState Relay (англ.) называют новое поколение реле, аналогичных твердотельным реле по функции, но отличающихся технологией. Твердотельными такие реле называют ввиду отсутствия в конструкции подвижных элементов. Вместо контактной группы применяется электронный ключ на полупроводниковых элементах, выполняющих коммутацию цепи. Для таких ключей используются транзисторы высокий мощности (для коммутации цепей постоянного тока), тиристоры или симисторы (для коммутации цепей переменного тока). Отсутствие контактной группы полностью исключает возможность возникновения искры в момент коммутации, благодаря чему, твердотельные реле можно использовать во взрыво- и пожароопасных средах и помещениях. Возможно изготовление твердотельных реле в однофазном и трехфазном исполнении для применения в сетях переменного и постоянного тока. На рисунке 1 представлено маломощное ТТР для коммутации в цепях переменного тока напряжением до 240 В и силой тока до 2,5 А. На рисунках 2 и 3 изображены ТТР для коммутации в цепях переменного тока однофазной нагрузки до 40 А и трехфазной нагрузки до 60 А. Оперативное управление (питание) ТТР может осуществляться как переменным, так и постоянным током. Наличие в конструкции полупроводниковых элементов, для которых важно соблюдение допустимой рабочей температуры, предполагает размещение ТТР с номинальным током до 10 А и больше на радиаторах с целью отвода тепла.

Внутри блока ТТР находится электронная плата, на которой расположен управляющий элемент, развязка и силовой ключ. Управляющий элемент представляет собой схему стабилизации напряжения и тока для светоизлучающего элемента. В развязке применяется оптоэлектронное устройство, например, оптрон — элемент, состоящий из светоизлучающего элемента и приемника, отделенных друг от друга прозрачным диэлектрическим материалом. Классификацию ТТР проводят относительно метода управления переключением:

  • С коммутацией перехода через ноль
  • Мгновенного включения
  • С фазовым управлением

Использование какого-либо типа управления определяется на стадии подбора ТТР в каждом конкретном случае. Многообразие типоразмеров и рабочих напряжений ТТР, а также индивидуальные преимущества каждого метода управления, позволяют подобрать подходящее реле для любых целей. На рисунке представлен принцип работы реле с симисторным ключом. Принцип действия ТТР основан на взаимодействии двух сигналов — гальванически развязанных управляющего и управляемого. Такое взаимодействие происходит в оптоэлектронном устройстве — оптроне, опто- или фототиристоре. Свечение светодиода под действием управляющего напряжения воздействует на фотодиод, после чего возникает ток управления симистором с последующей коммутацией рабочего тока подключенной нагрузки. Среди достоинств твердотельных реле моно выделить следующие:

  • Отсутствие электромагнитных помех при коммутации цепей
  • Отсутствие переходных процессов при коммутации цепей
  • Быстродействие
  • Отсутствие дребезга контактов и шума
  • Практический не исчерпаемый коммутационный ресурс
  • Возможность использования во взрыво- и пожароопасной среде
  • Низкое энергопотребление по сравнению с электромагнитным реле
  • Надежная развязка между входными и коммутируемыми цепями
  • Компактная и герметичная конструкция, защищенная от загрязнений и устойчивая к вибрации и ударным нагрузкам
  • Небольшие габариты
  • Дороговизна
  • Чувствительность к предельно допустимому току коммутации
  • Чувствительность к перегреву

Последний пункт компенсируется установкой ТТР на радиатор с применением хорошей термопасты. В итоге, твердотельное реле имеет гораздо больше преимуществ, нежели недостатков и является востребованным и технически продвинутым решением. Никогда не стоит забывать, в первую очередь важно соблюдение требований электробезопасности, а электромонтажные работы должны проводиться только квалифицированным подготовленным персоналом с соблюдением всех мер безопасности. Приобрести твердотельное реле можно в интернет-магазине «Промышленная Автоматизация».

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:

  • Для чего нужна релейная защита
  • Как работает магнитный пускатель
  • Системы дистанционного управления освещением

Опубликовано 17.11.2016 Обновлено 03.10.2017 Пользователем Александр (администратор)

Практическое применение устройств

Сфера использования твердотельных реле довольно обширна. Из-за высокой надежности и отсутствия потребности в регулярном обслуживании их часто устанавливают в труднодоступных местах оборудования.

Подключение температурного датчика в реле

Во многих реле подключение проводов управляющего контура требует соблюдения полярности, что необходимо учитывать в процессе монтажа оборудования

Основными же сферами применения ТТР являются:

  • система терморегуляции с применением ТЭНов;
  • поддержание стабильной температуры в технологических процессах;
  • контроль работы трансформаторов;
  • регулировка освещения;
  • схемы датчиков движения, освещения, фотодатчиков для уличного освещения и т.п.;
  • управление электродвигателями;
  • источники бесперебойного питания.

С увеличением автоматизации бытовой техники твердотельные реле приобретают все большее распространение, а развивающиеся полупроводниковые технологии постоянно открывают новые сферы их применения.

При желании, собрать твердотельное реле можно собственноручно. Подробная инструкция представлена в этой статье.

Выводы и полезное

Оцените статью
TutShema
Добавить комментарий