Назначение и область применения твердотельных реле

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

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.

Подключение

Посмотрим схему этого очень полезного и нужного устройства.

Основу схемы составляют силовой симистор Т1 — BT138-800 на 16 Ампер и управляющий им оптрон МОС3063. На схеме выделены чёрным цветом проводники, которые нужно проложить медным проводом повышенного сечения, в зависимости от планируемой нагрузки.Управление светодиодом оптрона мне удобнее запитать от 220 Вольт, а можно от 12 или 5 Вольт, кому как нужно.

Для управления от 5 Вольт, нужно гасящий резистор 630 Ом поменять на 360 Ом, остальное всё одинаково.Номиналы деталей рассчитаны на МОС3063, если примените другой оптрон, то номиналы нужно пересчитать.Варистор R7 защищает схему от бросков напряжения.Цепочку индикаторного светодиода можно совсем убрать, но с ней получается нагляднее, что аппарат работает.

Резисторы R4, R5 и конденсаторы C3, C4 служат для предотвращения выхода из строя симистора, их номиналы рассчитаны на ток не выше 10 Ампер. Если потребуется реле на большую нагрузку, то номиналы нужно пересчитывать.Радиатор охлаждения для симистора впрямую зависит от нагрузки на него. При мощности триста Ватт, радиатор не нужен вовсе, и соответственно – чем больше нагрузка, тем больше площадь радиатора.

Чем меньше будет симистор перегреваться, тем дольше проработает и поэтому даже кулер охлаждения не будет лишним.Если вы планируете управлять повышенной мощностью, то наилучшим выходом будет поставить симистор большей мощности, например, ВТА41, который рассчитан на 40 Ампер, или подобный ему. Номиналы деталей подойдут без пересчёта.

Модель SR-A3825.

Производство «CAНO» Тайвань.

Рабочее напряжение 24-380V AC

Управляющее напряжение 90-250V АC

Рабочий ток 25А

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.

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.

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».

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

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.

Изготовить твердотельное реле своими руками под силу даже начинающему радиолюбителю. Ничего сложного в конструкции этого устройства нет, но разобраться со схемотехникой, особенностями применения и подключения, все же нужно.

Твердотельное реле – это элемент, изготовленный на основе полупроводников. В его конструкции имеются силовые ключи на симисторах, тиристорах или транзисторах. Эти реле, работающие бесшумно, являются хорошей заменой контакторам и пускателям.

С их помощью устройства подключаются более надежно и безопасно.

Простая схема реле

В силовой электронике часто возникает необходимость использовать одно или 3 х фазное твердотельное реле. Своими руками изготовить это устройство можно по одной из схем, представленных в статье.

Рекомендуется заключать все элементы схемы в металлический корпус, чтобы охлаждение происходило намного лучше. Для надежности нужно заливать короб при помощи клеевого пистолета.

Главное при работе – это правильно подобрать металлическую подложку, чтобы обеспечить наилучшее отведение тепла. Для изготовления используется опалубка, в которую заключается твердотельное реле постоянного тока.

Своими руками ее изготовить можно из любого материала.

Идеально подойдет пластиковая коробка или отрезок трубы. Все зависит от того, какой размер у изделия. Металлическая подложка должна размещаться в этой опалубке. Тщательно нужно залить клеем все элементы схемы, отверстия в корпусе, чтобы обеспечить качественную изоляцию.

Как только симистор откроется, сопротивление изменится от нескольких десятков мегаом до 1 2 кОм.

Независимо от того, какой производитель твердотельного реле, элементная база у него постоянна – в редких случаях можно найти незначительные различия.

На входе обычно устанавливается резистор, соединяется он последовательно с оптическим устройством.

Иногда сопротивление изготавливается по сложной конструкции, в которую включается защита от обратной полярности и регулятор тока. Нужно выделить такие свойства твердотельных реле:

1. При помощи оптической развязки обеспечивается изоляция различных цепей электронного устройства.
2. При помощи переключающей цепи удается осуществить подачу на нагрузку питающего напряжения.
3. С помощью триггерной цепи обрабатывается входной сигнал и происходит его переключение на выход.

По этой схеме своими руками твердотельное реле можно довольно быстро изготовить, трудностей при этом не возникнет. Главное – это найти необходимые компоненты или аналоги. Защита может находиться как внутри корпуса реле, так и отдельно. Теперь нужно рассмотреть дополнительные устройства, которые необходимо использовать совместно с реле.

Как видите, трудностей при изготовлении нет никаких. Если сомневаетесь в своих силах, то лучше, конечно, приобрести промышленный образец устройства. Можно выделить ключевые особенности самодельных реле:

1. Управляющее напряжение – 3..30 В, ток постоянный.
2. К выходу допускается подключать источники напряжением 115..280 В.
3. Выходная мощность порядка 400 Вт.
4. Минимальный ток, при котором работает устройство, составляет около 50 мА.

Если устройство используется для коммутации низких токов (до 2 А), то нет необходимости устанавливать радиатор. Но если токи высокие, будет происходить сильный нагрев элементов. Поэтому об охлаждении нужно позаботиться – установите дополнительный радиатор и кулер (если имеется возможность организовать питание для него).

Обратите внимание на то, что при управлении асинхронными моторами нужно увеличивать примерно в 10 раз запас по току. При запуске двигатель «тянет» из сети ток, который в несколько раз превышает рабочее значение. Именно по этой причине нужно использовать силовые элементы со значительным запасом по току.

При изготовлении своими руками твердотельного реле на полевом транзисторе важно учитывать параметры схемы, в которой оно будет использоваться. Но давайте, чтобы разобраться в особенностях работы твердотельных элементов, рассмотрим обычные электромагнитные реле. В них, когда на обмотку подается напряжение, генерируется магнитное поле. С его помощью происходит притягивание контактов.

При этом цепь либо размыкается, либо замыкается. Есть один недостаток у такого механизма – имеется в конструкции немало подвижных элементов. У твердотельных их нет, а это является основным преимуществом. Также можно выделить следующие особенности:

1. Включение и отключение нагрузки происходит только в том случае, когда напряжение проходит через нуль.
2. При работе не происходит появление помех электрического типа.
3. Достаточно большой диапазон напряжений, при котором работает устройство.
4. Между цепями управления и нагрузкой качественная изоляция.
5. Высокая механическая прочность изделия.

А еще при работе не издается ни единого звука – просто открывается и закрывается переход полупроводника.

Вы знаете, как изготовить твердотельное реле своими руками. Аналоги такого устройства встречаются в продаже достаточно часто. Можно использовать как любительские схемы, так и промышленные – зависит от того, какие возможности нужно получить от устройства. С помощью такого устройства обеспечивается контакт высоковольтной и низковольтной цепей.

Структура устройства:

1. Оптическая развязка цепей.
2. Триггерная цепь (может быть несколько).
3. Защитные устройства и переключатели.
4. Входы.

Вход – это первичная цепь, в которой устанавливается постоянное сопротивление. Функция входа заключается в приеме сигнала и передаче нужной команды на устройство, которое производит коммутацию нагрузки.

Оптическая развязка – это прибор, который осуществляет изоляцию входов и выходов. Когда происходит обработка сигнала, поступающего на вход, обязательно нужно использовать триггерную цепь. Это отдельный компонент, но иногда он включен в конструкцию оптической развязки. Цепь переключения используется в том случае, когда нужно подать напряжение к нагрузке.

В системах автоматики для управления силовыми цепями с помощью низковольтного сигнала применяют коммутаторы, называемые реле. Они бывают разных видов и устройств. Самые простые электромагнитные реле содержат обмотку на сердечнике и контакты.

При подаче на обмотку управляющего напряжения в сердечнике возникает магнитное поле, которое притягивает контакты. Они замыкают либо размыкают цепь нагрузки.

Наряду с электромагнитными все большее применение находят реле нового поколения – твердотельные, обладающие рядом преимуществ.

Устройство, предназначенное для коммутации цепей нагрузки высокого напряжения постоянного или переменного тока с помощью низковольтного управляющего напряжения и работающего на основе полупроводниковых связей в тиристорах, симисторах и транзисторах, называется твердотельным реле (ТТР).

Преимущества твердотельных реле

Твердотельные реле не зря вытесняют с рынка обычные пускатели и контакторы. Эти полупроводниковые приборы обладают множеством преимуществ перед электромеханическими аналогами, которые заставляют потребителей останавливать выбор именно на них.

К таким достоинствам относят:

1. Низкое потребление электроэнергии (на 90% меньше).
2. Компактные габариты, позволяющие монтировать устройства в ограниченном пространстве.
3. Высокая скорость запуска и отключения
4. Пониженная шумность работы, отсутствуют характерные для электромеханического реле щелчки.
5. Не предполагается техническое обслуживание.
6. Длительный срок службы благодаря ресурсу в сотни миллионов срабатываний.
7. Благодаря широким возможностям по модификации электронных узлов, ТТР имеют расширенные сферы применения.
8. Отсутствие электромагнитных помех при срабатывании.
9. Исключается порча контактов вследствие их механического удара.
10. Отсутствие прямого физического контакта между цепями управления и коммутации.
11. Возможность регулирования нагрузки.
12. Наличие в импульсных ТТР автоматических цепей, защищающих от перегрузок.
13. Возможность использования во взрывоопасных средах.

Указанных преимуществ твердотельных реле не всегда достаточно для нормальной работы оборудования. Именно поэтому они ещё не полностью вытеснили электромеханические контакторы.

ТТР имеют и недостатки, которые не позволяют им использоваться во многих случаях. К ним относят:

1. Невозможность работы большинства устройств с напряжениями свыше 0,5 кВ.
2. Высокая стоимость.
3. Чувствительность к высоким токам, особенно в пусковых цепях электродвигателей.
4. Ограничения по использованию в условиях повышенной влажности.
5. Критическое снижение рабочих характеристик при температурах ниже 30°С мороза и выше 70°С тепла.
6. Компактный корпус приводит к избыточному нагреву устройства при стабильно высоких нагрузках, что требует применения специальных устройств пассивного или активного охлаждения.
7. Возможность расплавления устройства от нагрева при коротком замыкании.
8. Микротоки в закрытом состоянии реле могут быть критическими для работы оборудования. Например, подключенные в сеть люминесцентные лампы могут периодически вспыхивать.

Читать далее: Как подключить дифференциальный автомат схемы подключения

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.

Работа твердотельного реле довольно проста. Большинство ТТР предназначено для управления автоматикой в сетях 20-480 В.

При классическом исполнении в корпус прибора входит два контакта коммутируемой цепи и два управляющих провода. Их количество может изменяться при увеличении количества подключенных фаз. В зависимости от наличия напряжения в управляющей цепи, происходит включение или выключение основной нагрузки полупроводниковыми элементами.

Особенностью твердотельных реле является наличие небесконечного сопротивления. Если контакты в электромеханических устройствах полностью разъединяются, то в твердотельных отсутствие тока в цепи обеспечивается свойствами полупроводниковых материалов. Поэтому при повышенных напряжениях возможно появление небольших токов утечки, которые могут негативно сказаться на работе подключенной техники.

Достоинства

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.

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

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.

2. Фазовое управление твердотельным реле

Рис.№9. Схема фазного управления.

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

Инструкция по сборке твердотельного реле своими руками

Это малый ток управления, отсутствие электромагнитных помех при коммутации потребителя, высокое напряжение изоляции, широкий диапазон рабочих температур. Кроме того, небольшие габариты и большая надежность (наработка на отказ) делают их очень удобными в различных применениях.Технические характеристики опторелеУправляющее напряжение, В, 5…

15Управляющий ток, мА, 10Нагрузка, не более, А, 16Напряжение коммутации, В, 220Семистор VS1 BT 139-600 необходимо установить на радиатор.Применяя оптореле вы увеличиваете надежность и срок службы устройств.

Если вы намерены собрать твердотельное реле, то вам понадобится соорудить цепочку с симистором, схемой управления и гальванической развязкой (по типу симисторной оптопары).

В качестве иллюстративного образца предлагается воспользоваться следующими деталями:

• симисторной оптопарой MOC3083 (VD1);
• симистором с изолированным анодом BT139-800 16A (V1 от Philips);
• сопротивлением для ограничения тока через светодиод MOC3083 (R1 750Ом 0,5Вт);
• светодиодом индикации АЛ307А (LD1);
• резистором на управляющий электрод симистора 160 Ом (R2 , 0.125Вт).

1. Для самостоятельной сборки твердотельного реле понадобится в первую очередь металлическая (лучше всего из алюминия) быстро проводящая тепло подложка. Конкретные габариты подложки (размеры и толщина) зависят от того, какое количество тепла нужно будет отводить от симистора (учитывайте также, что и сама подложка может располагаться на поверхности из металла).
2. После потребуется опалубка под заливку. Она должна быть таких размеров, чтобы вместить все компоненты устройства. Под опалубку пойдёт любая подходящих габаритов пластиковая деталь.
3. Клеевым пистолетом опалубка скрепляется с подложкой. Герметизируются все имеющиеся щели.
4. Размещается предварительно спаянная и протестированная схема. Учтите, что не всегда можно сразу же точно определить положение выводов симистора. Чтобы уточнить этот момент следует соединить тестер на мегаомах с выходными концами симистора. Если симистор открывается, то уровень сопротивления вместо десятков мегаом снизится до единиц килоом.
5. Между спинкой корпуса симистора и поверхностью подложки необходима прослойка из теплопроводной пасты (КПТ-8). Ранее не изолированный анод симистора также необходимо отгородить изоляционной прокладкой. В любом случае, ни одна составляющая схемы не должна иметь прямого контакта с металлической подложкой.
6. Вновь вооружившись клеевым пистолетом нужно скрепить корпус симистора с подложкой.
7. Уложить все прочие составляющие схемы, продолжая крепить их так, чтобы они не контактировали с подложкой.
8. Залить форму компаундом.

Как мы видим, полупроводниковая технология является основой для любого полупроводникового реле.

Основные параметры CPC1035:

• Напряжение переключения (напряжение блокировки) — 0 … 350 В;
• Максимальная токовая нагрузка (ток нагрузки) составляет 100 мА;
• Макс. Сопротивление по сопротивлению — 35 Ом;
• Размер управляющего тока 2 … 50 мА (постоянный ток управления).

Такие низкоэнергетические и миниатюрные реле активно используются в датчиках безопасности.

Здесь, например, реле COSMO тип CPC1008 на панели датчика движения «Фотон-Ш», Он подключен к петле безопасности приемных и контрольных устройств (например, PPKOP «гранит») или к линии, которая подключена к центральной станции управления (CMS).

Серия твердотельных реле CPC10xx также в датчике безопасности «Астра-621»,

Это многофункциональный датчик. Он контролирует движение в защищенном пространстве из-за пироэлектрического датчика и управление прерыванием окон из-за чувствительного микрофона. На печатной плате имеется два полупроводниковых реле CPC1016N.

Один срабатывает, когда движение обнаружено в области защиты, а другое срабатывает, когда окна прерываются.

Если вы посмотрите внимательно, вы увидите, что полупроводниковое реле на печатной плате определено как DA4 и DA5.

Как известно, аббревиатура DA Обычно они показывают аналоговые схемы на схемах. Поэтому разумно понимать, что полупроводниковое реле не является отдельным электронным компонентом, а по существу специальным микрочипом, подобным ИК-приемнику.

Твердотельные реле имеют основное предназначение — обеспечение изоляции между цепями, имеющими разное напряжение; работать они могут в самых разных приборах — от домашней техники до крупных производственных систем.

Твердотельные реле, в зависимости от своей конструкции, обеспечивают бесконтактную коммутацию цепей переменного или постоянного тока различного напряжения.

Модель SR-A3825.

Рабочий ток 25А

Достоинства

В связи с особенностями конструкции, необходимо всячески избегать любых повреждений прибора, следить, чтобы в него не попадала пыль, особенно металлические элементы и другие инородные тела. Не допускаются какие-либо внешние воздействия, в том числе и механические, по отношению к корпусу прибора. В результате повреждений прибор быстро выйдет из строя и перестанет работать.

Рекомендуется правильно выбирать место расположения твердотельного реле. Не следует размещать их возле предметов, которые могут легко воспламениться. Запрещается прикасаться к устройству во время работы, чтобы не получить ожоги. До начала включения нужно проверить правильность всех коммутируемых соединений.

• По характеристикам напряжения управляющего сигнала постоянное или переменное, его величина;
• По напряжению на линии коммутации, так же переменного или постоянного тока;
• По количеству фаз, в цепях переменного тока, однофазные или трехфазные реле;
• По схемам коммутации в трехфазных цепях могут быть варианты с реверсом и без него;
• По конструкции корпуса, для монтажа на плоскую поверхность, на дин – рейку или универсальные.

В некоторых случаях в одном корпусе с реле устанавливаются инверторы напряжения, тогда на входе изделия переменное напряжение а на выходе получается постоянное или наоборот, в зависимости от назначения инвертора. Полупроводниковые реле способны коммутировать нагрузку в цепи с токами до сотен ампер.

Твердотельное реле для коммутации трехфазной цепи переменного тока

Такие изделия применяют для управления работой асинхронных электродвигателей с питанием 380/220В. С левой стороны две клеммы для подачи управляющего напряжения постоянного тока с указанием полярности, величина от 4 до 32 В.

На контакты R—S—T подключаются три фазы по 220В от РЩ, к клеммам U—V—W провода, идущие к электродвигателю. При кратковременной подаче управляющего напряжения постоянного тока 12 или 24В все три фазы замыкаются, и ток поступает на обмотки электродвигателя.

Существуют реле с более простой схемой коммутации одной фазы, для подключения осветительной системы, нагревательных приборов и другого оборудования с питанием от 220 В.

Такое реле коммутирует однофазные цепи, принцип действия аналогичный на контакты управления подается напряжение постоянного тока от 3 до 18 В, в результате чего открывается тиристор пропуская ток через коммутируемую фазу.

На корпусе указаны основные технические характеристики этой модели. Напряжение в цепи коммутации должно быть не более 240 А, токи нагрузки не более 2.5А.

Схем коммутации много вариантов это зависит от функционального назначения систем в которых они используются.

В данной схеме в цепи управления и коммутации используются напряжения с постоянным током. Такие варианты часто применяются в схемах электроснабжения автомобильного транспорта, где источником питания является аккумулятор.

• 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

Твердотельное реле (ТТР) – прибор из серии электронных компонентов немеханического действия. Отсутствие механики открывает больше возможностей любителям электроники сделать твердотельное реле своими руками для личного пользования.

Читать далее: Монтаж металлических водостоков для крыши своими руками

Рассмотрим такую возможность подробнее.

Если большая часть подобной электроники традиционно содержит подвижные детали контактных групп, твердотельное реле таких деталей не имеет совсем. Коммутация цепи схемой устройства осуществляется по принципу электронного ключа. А роль электронных ключей обычно исполняют встроенные в тело реле полупроводники – силовые транзисторы, симисторы, тиристоры.

Прежде чем пытаться изготовить твердотельное реле самостоятельно, логично ознакомиться с базовой конструкцией подобных устройств, понять принцип их функционирования.

Промышленным производством выпускаются реле твердотельные различной конфигурации, предназначенные под самые разные условия практического применения. Выбор модификаций обширный

В рамках плотного изучения прибора сразу же следует выделить преимущественные стороны ТТР:

• коммутация мощной нагрузки;
• высокая скорость переключения;
• идеальная гальваническая развязка;
• способность кратковременно держать высокие перегрузки.

Среди механических конструкций найти реле с подобными параметрами реально не представляется возможным. Вообще, преимущества относительно механических собратьев у твердотельных реле выражаются внушительным списком.

Два электронных прибора, функционально обеспечивающих коммутацию цепей: слева сделан на основе твердотельной конструкции, справа — традиционная механическая система переключения

Условия эксплуатации для ТТР практически не ограничивают применение этих устройств. К тому же отсутствие подвижных механических деталей благоприятно сказывается на продолжительности службы приборов. Так что есть все основания, чтобы заняться твердотельным реле – собрать устройство своими руками.

Простая схема реле

Изготовление твердотельного реле

Сначала намечаем размещение радиатора, макетной платы и прочих деталей в корпусе и закрепляем их на места.

Симистор нужно изолировать от радиатора охлаждения специальной теплопроводной пластиной с применением теплопроводной пасты. Паста должна слегка вылезти из-под симистора при закручивании крепёжного винта.

Далее размещаем следующие детали в соответствии со схемой и припаиваем их.

Припаиваем провода для подключения питания и нагрузки.

Помещаем устройство в корпус, предварительно испытав его при минимальной нагрузке.

Испытание прошло успешно.

Критерии выбора твердотельных реле

Iреле=Pнагр / UPнагр=5кВт, U=220ВIреле=5000 / 220=22,7АУчитывая необходимый запаспо току выбираем ТР на 40А.Iреле=Pнагр /(U x 1,732)Pнагр=27кВт, U=380ВIреле=27000 /(380 x 1,732)=41,02АС учетом запаса по току выбираемТР на 60А.Охлаждение

Еще одним немаловажным фактором для надежной работы твердотельных реле является его рабочая температура.

При работе SSR из-за потерь на силовых элементах выделяется большое количество тепла, которое необходимо отводить с помощью радиаторов охлаждения. Заявленный номинальный ток реле способны коммутировать при его температуре не более 40°С.

При увеличении температуры ТР снижается его пропускная способность из расчета 20-25% на каждые 10°С. При температуре примерно 80°С его пропускная способность по току сводится к нулю, и как следствие реле выходит из строя.

Защита

Примеры применения

Выбор полупроводникового реле определяет несколько факторов:

• Функциональное назначение схемы с нагрузкой, в которой его планируется использовать;
• Условия эксплуатации, влажность, окружающая температура;
• Технические параметры цепи питания схемы оборудования.

В первую очередь определяется ток, проходящий через цепи коммутации, для этого мощность нагрузки надо поделить на напряжение питания.

In=PU

Если в системе подключается нагревательный тэн мощностью 1.5 кВт, контакты реле должны выдерживать ток 1500Вт 220В=6,8 А. Но обычно для запаса выбирают на 25% больше расчетной величины, это делается по причине неравномерного потребления тока на различных этапах работы нагрузки. Приборы могут быть индуктивной или реактивной нагрузкой в цепи, реактивная нагрузка в момент включения имеет пиковый скачек по величине потребляемого тока.

Коммутируемая реле нагрузка	Коэффициент
Лампы со спиралью накаливания	6
Светодиодные светильники	1
Схемы управления двигателем, драйверы	6
Люминесцентные экономичные лампы	10
Понижающие трансформаторы	20
Нагревательные элементы, ни ромовые спирали, тэны, кипятильники	1

В нашем случае нагревательный элемент с коэффициентом 1 х 6.8=6.8А.

Для индуктивных нагрузок желательно кратковременный процесс переключения, поэтому управление реле делаются со схемами, где полупроводниковые элементы открываются в любой момент фазы или при нулевом ее значении.

График управления коммутацией при прохождении током нулевого уровня

Для управления в системах цифровой техники логично использовать реле с управляющим напряжением 3-5В постоянного тока, так как сигналы управления в этих схемах имеют такие параметры.

Большое значение имеет температура окружающей среды, полупроводниковые элементы эффективно работают до 80 ̊С. Поэтому в некоторых случаях реле устанавливают на металлический радиатор, который отводит тепло или делают принудительную вентиляцию. В любом случае чтобы реле работало долго и надежно надо учитывать все детали условия эксплуатации и подбирать соответствующие технические характеристики.

Коммутационные разновидности твердотельного реле

По типу коммутации существую следующие разновидности твердотельного реле:

• приборы, осуществляющие нагрузки по ёмкостному и редуктивному типу, обладающие слабой индукцией;
• приборы, оснащённые функцией случайного, либо мгновенного выключения, применяются для механизмов и систем, где возникает необходимость мгновенного срабатывания;
• приборы с фазовым управлением, помогают настраивать нагревательные элементы и лампы накаливания.

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.

• 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

Защита твердотельного реле

Для того, чтобы обеспечить бесперебойную работу реле применяется специальная цепь защиты. Она может быть внутренней или внешней.

Для внутренней защиты можно воспользоваться разнообразными предохранителями:

• g R –обеспечивает высокий уровень быстродействия, подходят для работы с широким спектром мощностей;
• g S –применяются для работы с токами разной силы и помогают защищать полупроводники при излишне высоких нагрузках питающей сети;
• a R –применяются как страховка от потерь, наносимых коротким замыканием.

К сожалению, покупка такого предохранителя обычно немногим уступает цене, за которую приобретают само реле. Если на такую роскошь тратиться жалко, то можно воспользоваться предохранителями класса В, С и D, которые не столь качественны, но и стоят гораздо меньше.

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.

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.

Реле производства «CAHO», Тайвань

Твердотельные реле (SSR — Solid State Relays) этого производителя подходят для коммутации силовых цепей под управлением сигналов слабого тока.

Сигнал слабого тока управляется за счет применения силового ключа, действующего через гальваническую развязку. В цепях с постоянным током применяют IGBT транзисторы, а с переменным током — симисторные и тиристорные ключи. Немаловажное преимущество устройства компактные размеры, за что их и называют малогабаритными твердотельными реле переменного тока. Впрочем, малые размеры вовсе не означают низкую функциональность.

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.

Однофазные ТТР позволяют работать с токами 10-100 или 100-500А. Их управление производится с помощью аналогового сигнала.

Трехфазные твердотельные реле способны пропускать ток в диапазоне 10-120А. 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.

Аналогично можно классифицировать ТТР и по виду напряжения активной нагрузки. Большинство реле в бытовых приборах работают с переменными параметрами.

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.

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.

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.

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.

Твердотельные реле различаются по своим конструктивным и техническим характеристикам.

Они бывают:

• постоянного тока,
• переменного тока,
• одно- и трехфазные,
• с фазовой регулировкой за счет изменения угла открытия ключа,
• регулирующие соединение за счет пропуска тока через нулевую фазу,
• в стандартных корпусах,
• в модульных корпусах.