Практическое применение и схемы подключения твердотельного реле — рассказываем в общих чертах

В данной статье поговорим про твердотельное реле, обозначим его преимущество перед механическим реле. Рассмотрим управление и подключение твердотельного реле, принцип его работы и конструкцию, а так же разберем различные схемы.

Назначение и область применения твердотельных реле

Твердотельные изделия предназначены для обеспечения замыкания и размыкания участков в высоковольтных и низковольтных электрических цепях. Они выполняют ту же функцию что и обычные реле с механическими размыкателями контактов на основе электромагнитной катушки. Основное отличие в том, что оно не имеет механических контактов и электромагнита, коммутация осуществляется полупроводниковыми приборами.

Область применения таких реле та же что и обычных, используются при необходимости коммутации элементов индуктивной нагрузки:

• В системах нагрева с электрическими тэнами;
• В производственных технологиях, где необходимо поддерживать стабильную температуру;
• Для коммутации цепей систем управления в комплексе различного оборудования;
• В некоторых случаях твердотельными реле заменяют бесконтактные пускатели реверсного типа;
• В схемах управления электродвигателями;
• В системах контроля и диагностики оборудования, нагрева трансформаторов и других элементов с установленными пределами определенных параметров в процессе эксплуатации;
• В схемах управления уровнем освещения на различных объектах.

Невозможно перечислить все варианты, сфера применения этих изделий очень обширна.

Описание

В отличие от электромеханических реле (EMR), которые используют катушки, магнитные поля, пружины и механические контакты для управления и переключения питания, твердотельное реле или SSR не имеет движущихся частей, но вместо этого использует электрические и оптические свойства полупроводниковых полупроводников, выполняет его вход в функции изоляции и переключения выхода.

Как и обычные электромеханические реле, твердотельные реле обеспечивают полную электрическую изоляцию между их входными и выходными контактами, а его выход действует как обычный электрический переключатель в том смысле, что он имеет очень высокое, почти бесконечное сопротивление в непроводящем (разомкнутом) и очень низком сопротивлении при проведении. Твердотельные реле могут быть предназначены для переключения как переменного, так и постоянного тока с помощью SCR, триак или переключающего транзисторного выхода вместо обычных механических нормально разомкнутых контактов.

В то время как твердотельное реле и электромеханическое реле в основном схожи в том, что их низковольтный вход электрически изолирован от выхода, который переключает и контролирует нагрузку, электромеханические реле имеют ограниченный жизненный цикл контакта, могут занимать много места и имеют более низкие скорости переключения, особенно большие силовые реле и контакторы. Твердотельные реле не имеют таких ограничений.

Таким образом, основные преимущества твердотельных реле по сравнению с обычными электромеханическими реле состоят в том, что у них нет движущихся частей, изнашиваемых, и, следовательно, нет проблем с отскоком контактов, они могут переключать «ВКЛ» и «ВЫКЛ» гораздо быстрее, чем механические реле может двигаться, а также включаться при нулевом напряжении и отключаться при нулевом токе, что устраняет электрические помехи и переходные процессы.

Полупроводниковые реле можно купить в стандартных готовых комплектах, от нескольких вольт или ампер до многих сотен вольт и ампер выходной коммутационной способности. Однако твердотельные реле с очень высоким номинальным током (плюс 150 А) все еще слишком дороги для покупки из-за их требований к силовым полупроводникам и теплоотдаче, и, как таковые, все еще используются более дешевые электромеханические контакторы.

Подобно электромеханическому реле, небольшое входное напряжение, обычно от 3 до 32 вольт постоянного тока, может использоваться для управления очень большим выходным напряжением или током, например 240В, 10А. Это делает их идеальными для взаимодействия микроконтроллеров, PIC и Arduino, так как слаботочный 5-вольтный сигнал, скажем, от микроконтроллера или логического вентиля, может использоваться для управления конкретной нагрузкой цепи, и это достигается с помощью опто-изолятора.

Конструкция твердотельных реле и принцип работы

Название твердотельное, указывает на структуру конструкции реле, схема которого собрана из полупроводниковых приборов на печатных платах, тиристорах, транзисторах или симисторах. Все элементы помещаются в жесткий корпус, ингда заливаются эпоксидной смолой, таким образом, получается неразборная жесткая конструкция. С наружи выведены только контакты для управления и коммутации подключаемой нагрузки.

Разные модели твердотельных реле

Фактически каждый отдельно взятый тиристор или транзистор является бесконтактным твердотельным реле. При подаче управляющего напряжения на полупроводниковый кристалл p-n-p переходы в его структуре открываются, пропуская ток, при снятии управляющего напряжения закрываются, останавливая поток электронов.

Обычное реле с электромагнитной катушкой и механическими контактами работает по такому же принципу. При подаче напряжения на электромагнитную катушку сердечник втягивается, размыкает или замыкает контакты в зависимости от конструктивных особенностей изделия.

Так как габариты полупроводников имеют малые размеры в одном корпусе можно разместить, комплексную систему коммутации групп контактов различного назначения с схемами на замыкание или размыкание. При этом используются транзисторы, симисторы, тиристоры с р-n—p или n—p—n переходами, в зависимости от функционального назначения применяют соответствующие твердотельные реле.

Структурная схема твердотельного реле с основными элементами

Изделия отличаются по техническим параметрам по величине коммутируемого тока, напряжению управления и многим другим параметрам. В большинстве случаев сигнал управления на входе предается оптическим путем, через подсветку светодиодом, фотодиода для включения коммутации.

Преимущества твердотельных реле

В виду явных преимуществ, твердотельные реле в сравнении с электромагнитными образцами, успешно вытесняют последние, рассмотрим, в чем их основные достоинства:

• Конструкции твердотельных реле имеют компактные размеры, надежную герметичность, стойки к механическим ударам и эксплуатации в условиях сильной вибрации;
• Надежность работы этих изделий такова, что производители гарантируют число срабатываний больше миллиарда раз;
• Работа прибора абсолютно бесшумна, так как отсутствует электромагнит и трескучая группа механических контактов;
• Высокое быстродействие;
• При срабатывании отсутствуют побочные электромагнитные излучения, создающие помехи для электроники и радиотехнической аппаратуры;
• Твердотельные реле практически универсальны, имеют высокую степень защит. Могут применяться на объектах с любыми производственными условиями, в бытовых условиях или на взрывоопасных участках;
• Сроки эксплуатации рассчитаны на десятки лет, при этом не требуется регулярного технического обслуживания;
• Так как отсутствуют электромагниты, то потребление электроэнергии твердотельных реле на 90% ниже контактных.

К достоинствам можно отнести и удобную конструкцию для монтажа в различных местах установки.

Входная цепь постоянного тока твердотельного реле

При использовании в качестве сигнала активации механических контактов, переключателей, кнопок, других контактов реле и т.д., используемое напряжение питания может быть равно минимальному значению входного напряжения SSR, тогда как при использовании твердотельных устройств, таких как транзисторы, вентили и микро-контроллеры, минимальное напряжение питания должно быть на один или два вольт выше напряжения включения SSR для учета внутреннего падения напряжения коммутационных аппаратов.

Но помимо использования напряжения постоянного тока, либо ослабления, либо источника, для переключения твердотельного реле в проводящее состояние, мы также можем использовать синусоидальную форму волны, добавив мостовой выпрямитель для двухполупериодного выпрямления и схему фильтра на вход постоянного тока.

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).

Выход твердотельного реле

Возможности переключения выхода твердотельного реле могут быть как переменного, так и постоянного тока, аналогичными его требованиям к входному напряжению. Выходная цепь большинства стандартных твердотельных реле сконфигурирована для выполнения только одного типа переключающего действия, дающего эквивалент нормально разомкнутого однополюсного однополюсного (SPST-NO) режима работы электромеханического реле.

Для большинства твердотельных реле постоянного тока обычно используются твердотельные коммутационные устройства — силовые транзисторы, Дарлингтона и MOSFET, тогда как для твердотельного реле переменного тока, коммутационные устройства — это симисторные или двухсторонние тиристоры. Тиристоры предпочтительны из-за их высокого напряжения и тока. Один тиристор также может использоваться в схеме мостового выпрямителя, как показано на рисунке.

Наиболее распространенным применением твердотельных реле является переключение нагрузки переменного тока, будь то управление мощностью переменного тока для включения / выключения, затемнение света, управление скоростью двигателя или другие подобные приложения, где необходимо управление мощностью, эти нагрузки переменного тока может легко управляться с помощью постоянного тока низкого напряжения с помощью твердотельного реле, обеспечивающего длительный срок службы и высокие скорости переключения.

Одним из самых больших преимуществ твердотельных реле по сравнению с электромеханическим реле является его способность выключать «переменные» нагрузки переменного тока в точке нулевого тока нагрузки, тем самым полностью устраняя искрение, электрический шум и отскок контактов, связанные с обычными механическими реле и индуктивными нагрузками.

Это связано с тем, что твердотельные реле переключения переменного тока используют SCR и триак в качестве выходного переключающего устройства, которое продолжает проводить после удаления входного сигнала до тех пор, пока переменный ток, протекающий через устройство, не опустится ниже своего порогового значения или не сохранит значение тока. Тогда выход SSR никогда не сможет выключиться в середине пика синусоидальной волны.

Отключение при нулевом токе является основным преимуществом использования твердотельного реле, поскольку оно уменьшает электрические помехи и обратную эдс, связанные с переключением индуктивных нагрузок, которые видятся как искрение контактами электромеханического реле. Рассмотрим диаграмму формы выходного сигнала ниже типичного твердотельного реле переменного тока.

Поэтапный процесс подключения ТТР (твердотельных реле)

Рассмотрим один из простейших вариантов подключения полупроводникового реле в систему освещения:

• В распределительной коробке, РЩ или на другом участке цепи делается разрыв фазного провода;
• В этот разрыв подключается реле, контактами для коммутации цепи;

Подключение твердотельного реле в разрыв линии питания осветительных приборов

• На контакты управления с соблюдением полярности подключаются провода от источника питания постоянного тока, это может быть аккумулятор, трансформаторный или полупроводниковый инвертор.

Подключение цепи управления делается через кнопку пуска, так как достаточно кратковременно подать напряжение для открытия тиристора и замыкания цепи. При подаче управляющего напряжения и замыкании цепи коммутации светится светодиодный индикатор, при размыкании он гаснет.

• Обычно реле и блок питания для цепи управления крепятся к плоской поверхности саморезами или в распределительных шкафах на дин-рейку.

Блоки питания для цепей управления на дин-рейке

Такие схемы коммутации в системах освещения в целях безопасности производства эффективно применяются на объектах химической, горнодобывающей промышленности. Везде где есть вероятность взрыва в загазованном пространстве, отсутствие искрящих механических контактов существенно снижает вероятность взрыва.  статью ⇒ Реле тока приоритетное.

Форма выходного сигнала твердотельного реле

При отсутствии входного сигнала ток нагрузки не протекает через SSR, поскольку он фактически выключен (разомкнут), а выходные клеммы видят полное напряжение питания переменного тока. При применении входного сигнала постоянного тока, независимо от того, какую часть синусоидального сигнала, положительного или отрицательного, проходит цикл, из-за характеристик переключения SSR при нулевом напряжении, выход включается только тогда, когда сигнал пересекает нулевую точку.

Когда напряжение питания увеличивается в положительном или отрицательном направлении, оно достигает минимального значения, необходимого для полного включения выходных тиристоров или симистора (обычно менее чем около 15 вольт). Падение напряжения на выходных клеммах SSR соответствует падению напряжения переключающего устройства V T (обычно менее 2 вольт). Таким образом, любые высокие пусковые токи, связанные с реактивными или ламповыми нагрузками, значительно снижаются.

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. Таким образом, высокая обратная ЭДС dv / dt, связанная с переключением индуктивных нагрузок в середине синусоиды, значительно снижается.

Тогда основными преимуществами твердотельного реле переменного тока над электромеханическим реле является его функция пересечения нуля, которая включает SSR, когда напряжение нагрузки переменного тока близко к нулю вольт, таким образом подавляя любые высокие пусковые токи, поскольку ток нагрузки всегда будет запускаться от точки, близкой к 0 В, и присущей нулевой характеристике отключения тока тиристора или симистора. Поэтому существует максимально возможная задержка выключения (между удалением входного сигнала и отключением тока нагрузки) в один полупериод.

Виды твердотельных реле

Твердотельное реле относится к модульным полупроводниковым приборам, изготовленным по гибридной технологии. В них используются симисторные, тиристорные или транзисторные структуры, которые служат основой для создания мощных силовых ключей. Они успешно заменяют традиционные контакторы и электромагнитные реле.

По типу нагрузки полупроводниковые устройства могут быть однофазными или трехфазными. Они способны коммутировать напряжение в самом широком диапазоне – от 40 до 440 вольт, что делает возможным их применение в разных областях.

В зависимости от типа управления, существует 3 группы реле:

• Для коммутации напряжения постоянного тока от 3 до 32 вольт.
• Для коммутации напряжения переменного тока от 90 до 250 вольт.
• Для ручного управления выходным напряжением, когда применяются переменные резисторы, сопротивление от 40 до 560 кОм, мощностью от 0,25 до 0,5 Вт.

Твердотельные реле различаются и по способу коммутации:

• Устройства, контролирующие переход через ноль. С их участием коммутируются резистивные, емкостные и слабоиндуктивные нагрузки. Когда подается управляющий сигнал, выходное напряжение появляется при первом пересечении нулевого уровня линейным напряжением. За счет этого происходит уменьшение начального броска тока, снижается уровень электромагнитных помех, возрастает срок эксплуатации коммутируемых нагрузок. Данный тип реле не может использоваться для коммутации высокоиндуктивных нагрузок, например, трансформаторов на холостом ходу.
• Устройства с мгновенным (случайным) включением. Применяются для коммутации нагрузок, когда необходимо мгновенное срабатывание. Выходное напряжение возникает совместно с подачей управляющего сигнала с задержкой включения, не превышающей 1 миллисекунды. Такие реле могут включаться на любых участках синусоидального напряжения. Существенным недостатком этих устройств являются импульсные помехи и начальные броски тока, возникающие при коммутации.
• Фазовое управление. С помощью реле изменяется величина выходного напряжения нагрузки. Это позволяет регулировать мощность нагревательных элементов и уровень освещенности ламп накаливания.    

Фазорегулирующее твердотельное реле

Хотя твердотельные реле могут выполнять прямое переключение нагрузки при пересечении нуля, они также могут выполнять гораздо более сложные функции с помощью цифровых логических схем, микропроцессоров и модулей памяти. Другое превосходное применение твердотельного реле — в устройствах с диммером ламп, будь то дома, для шоу или концерта.

Твердотельные реле с ненулевым включением (мгновенное включение) включаются сразу после подачи входного управляющего сигнала, в отличие от SSR пересечения нуля, который выше, и ожидает следующей точки пересечения нуля синусоидальной волны переменного тока. Это случайное переключение при пожаре используется в резистивных устройствах, таких как диммер ламп, и в устройствах, в которых нагрузка должна подаваться только в течение небольшой части цикла переменного тока.

Использование андруино

Для расширения возможностей и сфер применения твердотельных реле широко используют универсальные платы с процессором андруино, которые позволяют управлять переключением самых разных устройств. Это тот случай, когда сигнал управления 3-5В, процессор подключается к компьютеру, с соответствующим программным обеспечением которое управляет работой твердотельных реле, посылая на вход сигналы управления.

Программное обеспечение можно корректировать самостоятельно, методика С++ не сложная, доступна для обычного обывателя не имеющего специального образования программиста и навыков в электронике. Эта тема требует отдельного детального рассмотрения. Управление осуществляется работой различных устройств:

• Замыканием кнопки пуска любого устройства (звонка, освещения, звуковой сигнализации);
• Поворотом устройства приводов;
• Включением электромоторов;
• Включением датчиков освещения;
• При пресечении лазерного луча в охранных системах сигнализации;
• Срабатывание датчиков движения;
• Датчики температур, управляющие отопительной системой;
• Отправлять сигналы на другой андруино и много других функций.

Все варианты применения этого устройства трудно описать, плата с процессором может содержать 1 — 4 – 8 и больше каналов. Коммутация может программироваться по времени или управляться с клавиатуры ПК.Для упрощения монтажа можно использовать универсальную панель, на которой можно собирать схемы любой коммутации без пайки, через разъемы с пружинными зажимами.Более сложная система, включающая в себя центральный контролер, позволяет контролировать и управлять бытовыми приборами, на базе андруино можно создать самостоятельно комплекс «Умный дом».

Форма сигнала с произвольным переключением

Хотя это позволяет контролировать фазу сигнала нагрузки, основная проблема случайного включения SSR заключается в том, что начальный скачок тока нагрузки в момент включения реле может быть высоким из-за переключающей мощности SSR, когда напряжение питания составляет близко к своему пиковому значению (90 o ). Когда входной сигнал удаляется, он перестает проводить, когда ток нагрузки падает ниже тока тиристоров или триаков, как показано на рисунке. Очевидно, что для твердотельного реле постоянного тока действие включения-выключения является мгновенным.

Твердотельное реле идеально подходит для широкого диапазона применений ВКЛ / ВЫКЛ переключения , поскольку они не имеют подвижных частей или контактов в отличие от электромеханического реле (ЭМР). Существует много различных коммерческих типов на выбор для входных сигналов управления переменного и постоянного тока, а также для переключения выходов переменного и постоянного тока, так как они используют полупроводниковые переключающие элементы, такие как тиристоры, триаки и транзисторы.

Но используя комбинацию хорошего оптоизолятора и симистора, мы можем сделать наше собственное недорогое и простое твердотельное реле для управления нагрузкой переменного тока, такой как нагреватель, лампа или соленоид. Поскольку для работы оптоизолятора требуется только небольшое количество входной / управляющей мощности, управляющий сигнал может поступать от PIC, Arduino, Raspberry PI или любого другого такого микроконтроллера.

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

Характеристики цепей коммутации этих производителей

Марка реле/ параметры	Протон импульс 5П19.20	Crydom H12D4825D PBF	Teledyne Relays SD48D50A2	Carlo Gavazzi RA2A48D25	Celduc SOB562460
Коммутируемое напряжение в В.	30 — 540	50 — 530	25 — 600	40 — 530	25 — 600
Коммутируемый ток в А.	0.06 — 25	0.15 — 25	0.005 — 50	0.15 — 25	25
Пиковое напряжение в В.	1200	1200	1200	1200	1200
Пиковый ток в А.	300	250(16,5мс)	550	300(10мс)	230
Рабочая температура.	— 40…+85  ̊С	— 40…+80  ̊С	— 40…+100 ̊С	— 20…+80 ̊С	— 40…+100  ̊С

• При монтаже изделий для сетей 220 и 380В старайтесь их размещать в РЩ, а не в распределительных коробках и подрозетниках. Это упростит монтаж и доступ при необходимости изменения схемы или ремонта;
• Обязательно учитывайте полярность при подключении цепи управления и выхода реле с постоянным током.

Схема реле переменного тока

Этот тип конфигурации оптопары формирует основу очень простого применения твердотельного реле, которое может использоваться для управления любой нагрузкой от сети переменного тока, такой как лампы и двигатели. Здесь мы использовали MOC 3020, который является изолятором со случайным переключением. Опто-триачный изолятор MOC 3041 имеет те же характеристики, но со встроенным обнаружением пересечения нуля, позволяющим нагрузке получать полную мощность без больших пусковых токов при переключении индуктивных нагрузок.

Диод D 1 предотвращает повреждение из-за обратного подключения входного напряжения, в то время как резистор 56 Ом (R 3 ) шунтирует любые токи di / dt при отключенном симисторе, устраняя ложные срабатывания. Он также связывает терминал затвора с MT1, обеспечивая полное отключение симистора.

Если используется входной сигнал ШИМ с широтно-импульсной модуляцией, частота переключения ВКЛ / ВЫКЛ должна быть установлена ​​не более 10 Гц для нагрузки переменного тока, иначе выходное переключение этой полупроводниковой релейной цепи может не выдержать.

Часто задаваемые вопросы

1. Как защитить реле от скачков тока и напряжения в аварийных ситуациях?

В первую очередь устанавливайте изделия, которое соответствует по техническим параметрам цепи, в которой производится коммутация. При коротком замыкании большинство реле выдерживают повышенную нагрузку до 10 мс, в этом случае рекомендуется ставить полупроводниковые предохранители, которые отключают цепь за 2 мс. И реле и предохранители стоят не дешево, но защита дорогостоящего оборудования вполне оправдывает затраты.

2. Какое пиковое напряжение реле надо выбрать в цепях 220В?

Реле через которое коммутируются цепи с переменным напряжением в 220В рекомендуется выбирать с 9 классом по напряжению, оно выдерживает пиковые скачки до 900В.