Что такое твердотельное реле, назначение, принцип работы

Содержание

Определение

Твердотельное реле — устройство электронного типа, один из видов реле, в котором нет движущихся элементов. Изделие применяется для подачи тока или разрыва цепи путем внешнего управления (действием небольшого напряжения).

Твердотельное реле (сокращено — ТТР) имеет внутри датчик, реагирующий на подачу управляющего сигнала. Кроме того, в составе изделия имеется твердотельная электроника, в том числе включающая цепочка, способная коммутировать большие I.

Устройство может устанавливаться в цепях переменного и постоянного тока, часто применяется как обычное реле. Главная разница в том, что в ТТР нет механических контактов.

Конструкция и принцип работы твердотельного реле

По технологии создания твердотельные реле можно отнести к гибридным устройствам. Функцию контактной группы в твердотельных реле берёт на себе электронный силовой ключ. Это позволяет избежать возникновения дуги в процессе коммутации. Такое качество незаменимо при эксплуатации узла на участках сильного химического загрязнения.

Среди других плюсов элемента можно выделить:

  • сверхбыструю реакцию на поступивший сигнал (тысячные доли миллисекунд);
  • отсутствие гистерезиса;
  • большой диапазон рабочих температур;
  • бесшумное изменение параметров цепи.

Свою основную функцию твердотельные реле выполняют за счёт полупроводниковых элементов. Процесс действия схож с классическим реле, которое, как мы знаем, включает в себя управляющие катушки и специальные контакты. При подаче напряжения происходит замыкание, либо размыкание контактов. Альтернативой этим контактам и являются полупроводниковые приборы.

Чаще всего в составе твердотельных реле таковыми являются симисторы, тиристоры и транзисторы. Приборы, выпускаемые в массовом производстве, имеют в составе такие элементы, которые дают возможности регулировать ток до 100+ А.

Разновидности твердотельных реле

 В первую очередь, эти реле, как и электромеханические, различаются по величине напряжения управления. А также, переменное (АС) оно или постоянное (DC). Величина напряжения, в отличие от электромеханики, может изменяться в некоторых пределах, а не иметь фиксированное значение.

От этих же реле оно унаследовало и другой параметр: величина выходного тока. Род тока зависит от того, что используется в реле в качестве ключевого элемента: транзистор или симистор. В этом их отличие от электромеханики, контакты которой могут быть всеядными. В качестве рабочего напряжения для выхода, управляющего нагрузкой, также указывается его диапазон.

Твердотельные реле могут управлять как однофазной, так и трехфазной нагрузками. То есть, манипулировать работой электродвигателей. Конечно, до коммутации токов мощных моторов им далеко, но маломощных электродвигатель задвижки вполне по силам. А чтобы иметь возможность эту задвижку как открывать, так и закрывать, используется твердотельное реле с реверсом. При этом одна фаза проходит всегда напрямую, а две другие меняются местами в зависимости от того, на каком из двух входов появился сигнал управления.

Известные модели

Расшифровка маркировки

Основные характеристики зависят от многих факторов. К популярным отечественным моделям, произведенным фирмами КИПпрбор, Протон, Cosmo, относятся:

  • ТМ-О. Устройства со встраиваемой схемой «ноль», через которую проходит переход фазы.
  • ТС. Модели, которые выключаются в любой момент времени.
  • Наиболее популярные и используемые – ТМВ, ТСБ, ТСМ, ТМБ, ТСА. Они обладают выходной RC цепью.
  • Тс/ТМ – силовые. Токи достигают значений 25 мА.
  • ТСА, ТМА – применяются в чувствительных приборах.
  • ТСБ, ТМБ – низковольтные модели. Напряжение не превышает 30 В.
  • ТСВ, ТМВ – высоковольтные. Напряжение достигает 280 В.

К иностранным аналогам относятся изделия, произведенные фирмами Carlo Gavazzi, Gefran, CPC.

Расшифровка

Модели SSR, TSR (однофазные и трехфазные соответственно) являются самыми популярными. Их сопротивление равно 50 Мом и более при напряжении 500 В.

Записывается обозначение как SSR -40 D A H. SSR или TSR обозначает число фаз. 40 – нагрузка в Амперах. Буквой обозначается сигнал на входе (L 4-20 мА, D – 3-32 В при постоянном токе, V – переменное сопротивление, A – 80-250 В при переменном токе). Следующая буква – входное напряжение (А – переменное, D – постоянное). Последняя буква – диапазон выходных напряжений (Н – 90-480 В, нет буквы – 24-380 В).

Особенности твердотельного реле

  1. Меньшие габариты по сравнению с «электромагнитным собратом»
  2. Бесшумное переключение и работа
  3. Высокая надёжность и долгий срок службы
  4. Высокая скорость переключения (сравнима со скоростью света)
  5. Отсутствие эффекта искрения и подгорания контактов
  6. Сравнительно высокая стоимость
  7. Более чувствительны к перегрузкам, поэтому должны выбираться с большим коэффициентом запаса (2-4 раза для обычных нагрузок и 6-11 раз для устройств с большими пусковыми токами).

Особенности процесса изготовления

Нагрузка нагревательного элемента составляет Вт.

Вход — это первичная цепь, в которой устанавливается постоянное сопротивление.

В обычных для приведения какой-либо электрический механизм в действие используются контакты, которые периодически замыкаются и размыкаются.

Выходная мощность порядка Вт. Здесь в схеме два варианта входа: ввод управления напрямую к диоду оптрона и входной сигнал подающийся через транзистор. Коммутация электроцепей в этом приборе выполняется по принципу электронного ключа, выполненного на полупроводниках.

Рекомендации о выборе кулеров приводятся в технической документации на конкретное твердотельное реле, поэтому давать универсальные советы нельзя. Соблюдая определенный ряд условий, твердотельные реле можно использовать для пуска асинхронных двигателей.

Похожие записи


Поэтому существует максимально возможная задержка выключения между удалением входного сигнала и отключением тока нагрузки в один полупериод. Между цепями управления и нагрузкой качественная изоляция. Эти реле, работающие бесшумно, являются хорошей заменой контакторам и пускателям. Такой же принцип регулировки используется в бытовых диммерах для освещения. Когда сигнал входного напряжения постоянного тока удаляется, выход не отключается внезапно, так как после срабатывания проводимости тиристор или триак, используемый в качестве переключающего устройства, остается включенным в течение оставшейся части полупериода, пока токи нагрузки не упадут ниже удерживающих устройств тока, в этот момент он выключается.

Видео: тестирование твердотельного реле. Нужно выделить такие свойства твердотельных реле: При помощи оптической развязки обеспечивается изоляция различных цепей электронного устройства. В твердотельных моделях эту роль выполняют тиристоры, транзисторы и симисторы.

С его помощью происходит притягивание контактов. Защита может находиться как внутри корпуса реле, так и отдельно. Обратите внимание на то, что у симисторов выводы обычно неоднозначно определяются, поэтому их нужно заранее проверить. Чтобы подать силу напряжения на нагрузку используется цепь переключающего типа, которая включает транзистор, кремниевый диод и симистор. В этом примере подойдет любое предпочтительное значение резистора между Ом и Ом.
Твердотельное реле вместо контактора.

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.

Преимущество способа – отсутствие помех при включении.

Недостатки – прерывание выходного сигнала, отсутствие возможности применения с нагрузками, обладающими высокой индуктивностью.

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.

Преимущество: непрерывность и плавная регулировка, возможность изменять значение выходного напряжения.

Недостатки: присутствуют помехи при производстве переключений.Область использования: управление систем нагрева, индуктивные нагрузки (трансформаторы), инфракрасные выключатели (резистивная нагрузка).   

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.

Поделиться ссылкой:

Области применения твердотельных реле

Исходя из принципа работы и особенностей твердотельных реле, можно сказать, что они применяются в тех случаях, когда требуется большое количество включений/выключений нагрузки за короткое время (высокая частота переключений). В таких системах обычные реле быстро вырабатывают свой ресурс и выходят из строя.

Твердотельные реле часто применяют для включения индуктивной нагрузки (например ТЭНы).

Кроме того, малые габариты и бесшумная работа, тоже могут стать причиной установки твердотельных реле.

Однако, не стоит забывать, что такие реле дороже, поэтому если можно обойтись обычным  электромагнитным реле, лучше так и сделать

Подключение реле к Ардуино

Рассмотрим одноканальный модуль реле. Он имеет всего 3 контакта, подключаются они к Ардуино Uno следующим образом: GND – GND, VCC – +5V, In – 3. Вход реле – инвертирован, так что высокий уровень на In выключает катушку, а низкий – включает.

Модуль реле ардуино

Светодиоды нужны для индикации – при загорании красного LED1 подается напряжение на реле, при загорании зеленого LED2 происходит замыкание. Когда включается микроконтроллер, транзистор закрыт. Для его открытия на базу нужен минус, подается при помощи функции digitalWrite(pin, LOW);. Транзистор открывается, протекает ток через цепь, реле срабатывает. Чтобы его выключить, на базу подается плюс при помощи digitalWrite(pin, HIGH);.

Схема подключения лампы и внешний вид макета представлены на рисунках.

Реле ардуино Реле ардуино Реле ардуино Реле ардуино

О том, как можно писать скетч для реле в ардуино мы уже писали ранее.

Виды твердотельных реле

ТТР условно разделяются по двум критериям — принципу действия и конструктивным особенностям. Чтобы упростить классификацию, выделим следующие варианты:

  • По виду сигнала управления — переменный или постоянный I.
  • По типу основного (коммутируемого) напряжения — постоянное или переменное.
  • По числу фаз (для переменного напряжения) — одна, три.
  • По наличию реверса — предусмотрен, не предусмотрен.
  • По тонкостям конструкции — на ДИН-рейке или на поверхности.

Обзор цен

Цена на твердотельные реле варьируется в зависимости от их типа и марки:

Город Стоимость SSR10АА, у. е.
Екатеринбург 4
Москва 5
Новосибирск 4
СПб 5
Краснодар 4
Воронеж 4
Нижний Новгород 4

Как подключить реле

Чтобы самостоятельно подключить реле, необходимо учитывать следующие нюансы:

  • соединения крепятся винтовым способом, пайка не используется;
  • нельзя допускать попадания внутрь прибора металлической пыли и стружки;
  • не допускается контакт корпуса прибора с посторонними предметами;
  • нельзя прикасаться к устройству в процессе его работы (можно получить ожог);
  • не стоит размещать ТТР вблизи горючих предметов;
  • необходимо обязательно проверить схему подключения твердотельного реле ;
  • при нагреве корпуса выше +60°С требуется установка радиатора.

Важно! Короткое замыкание на выходе устройства чревато мгновенной поломкой. Управление твердотельным реле должно осуществляться согласно инструкции.

Возможные схемы подключений

Схемы подключения твердотельных реле могут быть самые разнообразные. Каждая электрическая цепь строится, исходя из особенностей подключаемой нагрузки. В схему могут добавляться дополнительные предохранители, контроллеры и регулирующие устройства.

Простейшая схема подключения реле

Благодаря тому, что цепи управления и нагрузки в приборе не перекрываются, их электрические характеристики могут отличаться любыми параметрами

Далее будут представлены наиболее простые и распространенные схемы подключения ТТР.

  • нормально-открытая;
  • со связанным контуром;
  • нормально-закрытая;
  • трехфазная;
  • реверсивная.

Под нормально-открытым (разомкнутым) подразумевается реле, нагрузка в котором находится под напряжением при наличии управляющего сигнала. То есть подключенная техника оказывается в отключенном состоянии при обесточенных входах 3 и 4.

Виды однофазных схем подключения ТТР

Типы однофазных схем подключения ТТР

Перед покупкой реле необходимо определиться с требуемым типом его первоначального состояния (замкнутое или разомкнутое), чтобы обеспечить правильную работу подключенной техники

Под нормально замкнутым подразумевается реле, нагрузка в котором находится под напряжением при отсутствии управляющего сигнала. То есть подключенная техника оказывается в рабочем состоянии при обесточенных входах 3 и 4.

Существует схема подключения твердотельного реле, в которой управляющее и нагрузочное напряжение одинаково. Такой способ можно использовать одновременно для работы в сетях постоянного и переменного тока.

Трехфазные реле подключаются несколько по иным принципам. Контакты могут соединяться в вариантах «Звезда», «Треугольник» или «Звезда с нейтралью».

Способы подключения трехфазной нагрузки

Варианты подключения трехфазной нагрузки

Выбор трехфазной схемы подключения реле во многом зависит от особенностей работы техники, подключенной к нему в качестве нагрузки

Реверсные твердотельные реле применяются в электродвигателях в соответствующем режиме. Они изготавливаются в трехфазном варианте и включают два контура управления.

Реле с двумя контурами управления

Если для реле важно соблюдение полярности подключения контактов, то на маркировке всегда будет указано, куда подключать фазу и ноль

Собирать электрические цепи с ТТР необходимо только после их предварительной прорисовки на бумаге, потому что неверно подключенные устройства могут выйти из строя из-за короткого замыкания.

Фото твердотельного реле

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;
  • управление электродвигателями;
  • схемы датчиков движения, освещения, фотодатчиков и т.п.;
  • источники бесперебойного питания.

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

Как работает твердотельное реле (видео)

Твердотельные реле переменного тока имеют такие отличия, как низкий уровень помех, отсутствие треска и шума во время работы, пониженное потребление электроэнергии, большая скорость работы.

Ошибки, допускаемые при использовании твердотельных реле

  • Чаще всего потребители не правильно делают выбор реле по техническим характеристикам, в результате чего оно не работает или быстро выходит из строя;

Характеристики входных сигналов управления твердотельных реле различных производителей

Марка реле/ параметры серия протон импульс 5П19.20 Crydom H12D4825D PBF Teledyne Relays SD48D50A2 Carlo Gavazzi RA2A48D25 Celduc SOB562460
Величина напряжения постоянного тока в В. 10 — 30 4 — 15 10 – 30 4.5 — 32 3.5 — 32
Минимальная амплитуда срабатывания в В. 1 1 1 1-2 1-2
Входной ток мА. 10 — 25 13 3 До 10 13

Выводы и полезное видео по теме

Представленные видеоролики помогут лучше понять работу твердотельных реле и ознакомиться со способами их подключения.

Практическая демонстрация работы простейшего твердотельного реле:

Разбор разновидностей и особенностей работы твердотельных реле:

Тестирование работы и степени нагрева ТТР:

Смонтировать электрическую цепь из твердотельного реле и датчика может практически каждый человек.

Однако планирование рабочей схемы требует базовых знаний в электротехнике, потому что неправильное подключение может привести к удару током или короткому замыканию. Зато в результате правильных действий можно получить массу полезных в быту приборов.

Есть, что дополнить, или возникли вопросы по теме подключения и применения твердотельных реле? Можете оставлять комментарии к публикации, участвовать в обсуждениях и делиться собственным опытом использования таких устройств. Форма для связи находится в нижнем блоке.

Где купить твердотельные реле

Если вы живете в крупном городе, то лучше конечно поехать в ближайший магазин – и через час реле можно устанавливать. Но, например, у меня в Таганроге такие реле – только под заказ, и купить их можно только через фирмы в Ростове.

Поэтому, на сегодняшний день лучший вариант – покупать твердотельные реле в интернете, через АлиЭкспресс. Цены примерно те же, но минус в том, что доставка может быть около месяца.

Пишите в комментариях, у кого какие вопросы, отзывы и опыт по применению!

Понравилось? Поставьте оценку, и почитайте другие статьи блога!

Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5

(

17

оценок, среднее:

4,88

из 5)

loading.gif

Загрузка…

Надстройки для корректной работы

Если в процессе работы имеет место взаимодействие с индуктивной нагрузкой, возможны проблемы. Вот почему при использовании твердотельных реле в комплексе с трансформаторами, звонками, электрическими катушками и иными подобными приборами требуется параллельное включение R-C цепочки для снижения воздействия противо-ЭДС.

Кроме того, наличие такой цепи снижет суммарную индуктивность подключенного прибора и облегчает работу ТТР.

Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Загрузка ...
Электрик в Дом