Твердотельное реле: принцип работы, достоинства, виды, схемы включения

Твердотельные реле. Схемы подключения

В этой статье обсудим схемы подключения твердотельными реле (ТТР), и способы управления ими.

Напоминаю, для тех кто не в курсе – что такое твердотельное реле и как оно работает – обратитесь к более старой моей статье О принципах работы твердотельных реле.

Схемы включения подобных реле не очень сложны, но, как и везде, есть свои особенности.

Твердотелки – надо ли их использовать?

Для начала рассмотрим также целесообразность применения таких реле. Например, реальный случай:

У нас на предприятии на одном станке стоят соленоидные клапаны с питанием 24VDC 2А. Эти два клапана соединены параллельно, и включаются-выключаются с частотой примерно 1 раз в секунду. Питание идёт через реле. И, несмотря на то, что номинальный ток реле 10А индуктивной нагрузки, приходилось менять его каждый месяц-два. Поставили мы твердотелку – и забыли, работает без шума и проблем уже два года.

Другой случай, когда такие реле не нужны:

Простейший контроллер температуры, точность поддержания не существенна. Нагрузка – ТЭНы, работают в воде круглосуточно. Чаще, чем раз в год, один из ТЭНов замыкает или коротит на корпус. Здесь большая вероятность того, что ТТР выгорит, так как они очень чувствительны к перегрузкам.

О перегрузках и защите твердотельных реле будет подробно сказано ниже, а в данном случае целесообразно применить обычный контактор, который прекрасно справляется с перегрузкой и стоит в 10 раз дешевле.

Поэтому, за модой гнаться не стоит, а лучше применить трезвый расчет. Расчет по току и по финансам.

Если кому-то придёт в голову, можно кнопкой звонка или герконом запускать двигатель мощностью 10 кВт! Но не так всё просто, подробности будут ниже.

Различия схем включения реле

По виду подключения твердотельные реле можно разделить на следующие категории:

СамЭлектрик.ру в социальных сетях:

Подписывайтесь! Там тоже интересно!

По управлению (виду входного управляющего сигнала):

постоянное напряжение (встречается чаще всего),
переменное напряжение,
постоянный ток 4-20 мА,
переменный резистор.

По виду коммутируемого тока

твердотельные реле переменного тока
твердотельные реле постоянного тока

По количеству фаз

одна фаза
три фазы (как правило, фактически это две фазы)

В любом случае, для выбора ТТР и его схемы включения нужно руководствоваться мануалами на данное реле.

Кстати, рекомендую мою статью про трехфазное и однофазное напряжение. Терминология и отличия разжеваны не пальцах)))

Схемы подключения твердотельных реле

Теперь рассмотрим подключение твердотельного реле подробнее.

Управление твердотельными реле схемотехнически такое же, как и у обычного реле. Ниже упрощенно показана схема включения реле переменного тока с сигналом управления 24В постоянного тока:

Схема включения твердотельного реле

Схема показана для реле, у которого управляющее напряжение постоянное, от 5 до 24 Вольт. Данное реле может коммутировать переменное напряжение до 240 Вольт, ток до 20 А.

С током не всё так просто, но об этом ниже.

Как работает схема. На вход (контакты 3 и 4, соблюдать полярность!) подается управляющее напряжение от источника 24В. Подается оно через цепь управления, которая представлена как НО контакт. Этим контактом может быть и обычное реле, и выход контроллера, и датчик с релейным выходом или транзисторным выходом типа PNP.

Про НО контакты и PNP выходы датчиков я подробно написал в этой статье. Очень рекомендую!

Ещё раз напоминаю –

НЗ – это закрытые (замкнутые) контакты, через которые в нормальном положении (без активации управляющим сигналом) течёт ток.

НО – это открытые (незамкнутые) контакты, через которые в нормальном положении (без активации управляющим сигналом) ток не течёт.

Условные выходные контакты ТТР также будут НО, т.к. без активации цепи управления нагрузка выключена.

Теперь подробнее по управлению твердотелками.

Схемы с управлением от транзистора

Здесь транзистор может быть выходом любого полупроводникового прибора – датчика приближения, контроллера, и т.п.

Управление транзистором PNP, НО реле

Скажу, что со схемами управления, которые я взял из фирменных инструкций, полная путаница. Можете сами разобраться, а я расскажу своё мнение.

Управление транзистором PNP, НО реле

Под “нормально открытым контактом” (читали, что это, ссылку я давал выше?) подразумевается, что без управляющего напряжения (на базе транзистора) твердотельное реле не пропускает ток. Напряжение между входными контактами 3 и 4 близко к нулю, реле выключено. При подаче входного управляющего напряжения на базу транзистора (например, +5В), транзистор открывается и плюс подается на вход 3. Реле открывается, нагрузка получает питание.

Управление транзистором NPN, НЗ реле

Когда транзистор закрыт (не активен), на управляющий вход твердотельного реле подается напряжение, нагрузка под напряжением.

Управление транзистором NPN, НО реле

Когда транзистор закрыт (не активен), на управляющий вход твердотельного реле подается напряжение, близкое к нулю, и нагрузка без напряжения.

Управление резистором

Плавно подходим к переменному току.

Управление переменным резистором

Не путать переменный ток и переменный резистор! В данном случае твердотельное реле фактически является диммером, который изменяет скважность выходного напряжения для нагрузки, которая приспособлена для этого. Такие реле – только с коммутацией переменного тока, и включаются/выключаются 100 раз в секунду.

Схема с фиксацией и управлением кнопками (защелка)

Управление твердотельным реле с фиксацией включения

Схема включения интересна тем, что можно включать – выключать нагрузку, используя только две кнопки – Пуск и Стоп. То есть, схема такая же, как и при использовании обычного реле. Точнее, магнитного пускателя. Важно, что управляющее напряжение равно напряжению питания нагрузки.

Схема нарисована тайваньскими инженерами, попробуем разобраться в ней.

Кстати, её же можно использовать для коммутации и переменного, и постоянного тока.

Схема работает таким образом. Исходно управляющее напряжение поступает на клемму 3 ТТР с источника питания через НЗ контакты кнопки Стоп. При нажатии кнопки Пуск (слева на схеме) напряжение с другого полюса источника поступает через НО контакты на клемму 4 ТТР. Реле включается, напряжение на клемме 1 появляется, и подается через резистор (вверху схемы) на клемму 4. Прошла доля секунды, кнопку Пуск можно отпускать, нагрузка питается до тех пор, пока не будет нажата кнопка Стоп.

Схемы включения трехфазных твердотельных реле

Трехфазное твердотельное реле, схемы подключения.

Тут источник трехфазного напряжения – справа по схемам, нагрузка – слева. Управляющее напряжение может быть любым (переменным или постоянным).

Кроме того, коммутация может быть как по двум фазам, так и по трём, это важно! Подробнее ниже.

Реверсивные твердотельные реле

Существуют также специальные трехфазные твердотельные реле для реверса двигателей, у которых два управляющих входа.

Пример включения трехфазного реле – на фото ниже:

Включение трехфазного твердотельного реле

Как видно, реле не совсем трехфазное, одна фаза подается на двигатель постоянно, что может стать причиной опасности.

На корпусе реле напечатана его схема включения, где всё понятно. Реле реверсивное, и у него два входа – Forward и Reverse (Вперёд/Назад). Для реверса фазы L1 и L2 меняются местами.

Важно – внутри реле нет блокировки от одновременного включения в обоих направлениях, и ее надо обеспечить аппаратно (блокировочные контакты кнопок/реле) и программно (если управление – от контроллера). Если это не предусмотреть, то вероятна ситуация, когда силовые выходы 1, 2, 3, 4 будут замкнуты накоротко .

Выбор твердотельных реле, защита и особенности работы

Обычное реле и контактор без особых проблем выдерживают кратковременные перегрузки до 150 и даже 200% от номинала. Особенно, если не коммутировать нагрузку с таким током, а повышать ток после замыкания, и понижать перед размыканием.

Обычные контакты могут выдержать и кратковременный ток КЗ, если сработает защита с правильной уставкой тока. Просто, возможно, придётся потом контакты почистить.

Твердотельные реле от перегрузок страдают сильнее, за пол периода портятся безвозвратно, и контакты потом не почистить, из-за отсутствия таковых.

Это как в звукотехнике. Ламповая техника при перегрузках чувствует себя нормально, только слегка “потеет”, а транзисторы начинают жутко искажать сигнал и могут выйти из строя. За это до сих пор так ценятся ламповые усилители, за их мягкий, бархатный звук на предельных мощностях. Другое дело, что источников качественного сигнала сейчас практически нет, всё заполонил mp3 128kbps, и то в лучшем случае. Но это тема отдельной статьи…

Если при выборе контактора достаточно выбрать запас в 10-20% и защитить его обычным автоматом, то с твердотельными устройствами всё сложнее.

Поэтому для твердотельных реле рекомендуется для активной нагрузки (лампы, ТЭНы) запас по номинальному току в 2-4 раза. При пуске асинхронных двигателей из-за большого пускового тока запас по току нужно увеличить до 6-10 раз.

То есть, трехфазная твердотелка Fotek TSR-40AA-H на 40А, показанная на фото чуть выше, на своих 40 амперах работать вряд ли будет. Мощность двигателя, которую можно коммутировать в данном случае – от 2,2 кВт до 5 кВт. Причём двигатель 5 кВт (это около 10А) должен запускаться обязательно на холостом ходу, с минимальным пусковым моментом, а нагрузку к нему прикладывать можно после пуска и разгона.

Кстати, с индуктивной нагрузкой твердотельные реле могут вести себя неадекватно, у меня бывали проблемы. В случае высокоиндуктивных нагрузок (трансформаторы, катушки с магнитопроводами, электрические звонки, и т.п.) нужно параллельно нагрузке включать RC-цепь (снабберную цепь из последовательных резистора и конденсатора) для уменьшения влияния противо-ЭДС. Кроме того, эта цепь уменьшает общую индуктивность нагрузки, т.е. делает её более активной. И ТТР легче работать.

Напоследок – защита при КЗ

Производители рекомендуют использовать специальные предохранители для твердотельных приборов:

gR – предохранители для всего диапазона рабочих токов, для защиты полупроводниковых элементов(более быстродействующие , чем gS)
gS – предохранители для всего диапазона рабочих токов, для защиты полупроводниковых элементов, при повышенной загрузке линии.
aR – предохранители для всего диапазона рабочих токов, для защиты полупроводниковых элементов от короткого замыкания.

Такие предохранители стоят дорого (сравнимы со стоимостью самого твердотельного реле), поэтому в большинстве случаев можно использовать защитные автоматы класса В. Чем же они хороши и как они спасут наши твердотельные реле от выгорания при КЗ?

Напомню, в 99% везде встречаются автоматы класса С. Класс D ставят в качестве вводных рубильников и при больших пусковых токах (мощные двигатели, трансформаторы). А класс В – самый чувствительный, срабатывает раньше всех.

Кстати, гуру электрики и электропроводки, cs-cs.net, предлагает дома ставить автоматы только В класса. И некоторые производители – рекомендуют ставить В класс на электроплиты, водонагреватели – туда, где нет двигателей и пусковых токов.

Почему – поясню на графике.

Кривые отключения или токо-временные характеристики

Подробно про выбор защитного автомата рассказано в другой статье.

Но мы вернёмся к нашему трехфазному твердотельному реле Fotek TSR-40AA-H на 40А, про которое я писал выше. Чтобы его гарантированно защитить от КЗ, надо обязательно поставить вот такой автомат:

Автомат с характеристикой В6 (обведено красным)

Он мгновенно сработает при токе 20…30 Ампер и спасет твердотелку. А от перегруза надо будет поставить мотор-автомат на ток 4-6,3 А. И это всё будет питать двигатель на 2,2 кВт, лучше меньше. Либо ТЭН, тогда мотор-автомат не нужен.

Пишите в комментариях, у кого какой опыт по применению!

Полезные файлы, возможно, написано информативнее, чем у меня:

• Твердотельные реле Фотек / Твердотельные реле Фотек. Руководство пользователя. Рассмотрена вся линейка Fotek, даны рекомендации по применению и схемы включения., pdf, 757.78 kB, скачан: 4393 раз./
• Твердотельные реле – устройство и принцип работы / Подробно изложено, как устроены и работают твердотельные реле, приведены схемы включения, и т.п. Автор, отзовись!, pdf, 414.19 kB, скачан: 4905 раз./

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!

Что такое твердотельное реле и как его правильно использовать

Во всех электрических цепях приходится включать и отключать приборы и устройства. Для этого используют коммутационные аппараты, это может быть, как простой выключатель или рубильник, так и реле, контакторы и т.д. Сегодня мы рассмотрим один из таких приборов — твердотельное реле, поговорим о том, что это такое, как выбрать и подключить в цепь управления нагрузкой.

Содержание статьи

Что это такое

Твердотельное реле — это устройство, построенное на полупроводниковых элементах и силовых ключах, таких как симисторы, биполярные или МОП-транзисторы. В англоязычных источниках твердотельные реле называют SSR от Solid State Relay (что в дословном переводе эквивалентно русскому названию).

Как и у электромагнитных реле и других коммутационных приборах они предназначены для управления слабым сигналом нагрузкой с бо́льшим напряжением или током.

Отличия от электромагнитных реле

Обычные реле, как и все электромагнитные коммутационные приборы работает следующим образом — есть катушка на которую подается ток от системы управления или кнопочного поста. В результате протекания тока через катушку возникает магнитное поле, которое притягивает якорь с контактной группой. После этого контакты замыкаются и по ним начинает протекать ток в нагрузку.

У твердотельных нет катушки управления и нет подвижной контактной группы. Что внутри твердотельного реле вы можете видеть ниже. В нём, как было сказано выше, вместо силовых контактов используются полупроводниковые ключи: транзисторы, симисторы, тиристоры и другие в зависимости от сферы применения (правая часть фотографии).

Это есть главное отличие полупроводникового реле от электромагнитного. В связи с этим у твердотельного значительно больше срок службы, поскольку нет механического износа контактной группы, также стоит отметить что и быстродействие полупроводниковых реле выше, чем у электромагнитных.

Кроме отсутствия механического износа нет и искр или дуг при коммутации, как и звуков от ударов контактов при переключении. Кстати если нет искр и дуговых разрядов при коммутации – твердотельные реле могут работать во взрывоопасных помещениях.

Сравнение

Плюсы у твердотельных реле по сравнению с электромагнитными следующие:

2. Есть данные о том, что их наработка на отказ порядка 10 миллиардов переключений, что в 1000 и более раз превышает ресурс электромагнитных реле.

3. Если для электромагнитных реле импульсные перенапряжения практически не страшны, то электронная схема полупроводникового реле в большинстве случаев выходит из строя, если не было принято схемотехнических решений по ограничению этих импульсов. Поэтому сравнивать эти приборы по количеству переключений не всегда корректно.

4. Быстродействие полупроводниковых реле составляет доли и единицы миллисекунд, тогда как у электромагнитного от 50 мс до 1 с.

5. Энергопотребление на 95% ниже чем потребление катушки электромагнитных аналогов.

Однако эти плюсы прикрывается рядом недостатков:

Полупроводниковые реле греются во время работы. В тепло выделяется мощность равная произведению падения напряжения на силовом ключе (порядка 2 вольт) на силу тока через него протекающего;

При перегрузке и коротких замыканиях есть высокая вероятность выхода из строя силового ключа, перегрузочная способность обычно составляет 10In в течении 10 мс — одного периода в сети с частотой 50 Гц (может отличаться в зависимости от используемых компонентов);

Автоматический выключатель, скорее всего, не успеет сработать прежде, чем реле выйдет из строя при КЗ;

При импульсных перенапряжениях (скачки напряжения) – срок службы твердотельного реле может закончится моментально.

У твердотельных реле есть ток утечки (до 7-10 мА) в связи с этим, если они стоят в цепи управления, например, светодиодных светильников — последние будут мигать аналогично ситуации с выключателем с подсветкой. Соответственно на фазном проводе будет напряжение даже когда реле отключено!

В следующей таблице приведены общие характеристики твердотельных реле серий TSR (трёхфазных) и SSR (однофазных) от производителя «FOTEK» (кстати одни из самых распространенных). В принципе у других производителей характеристики продукции будут похожими или такими же.

Сопротивление изоляции	>50 МОм/500В DC
Электрическая прочность изоляции вход/выход	Выдерживает 2,5 кВ АС в течение 1 минуты
Ток срабатывания	Не более 7.5 мА
Перегрузочная способность	До 10 номинальных токов в течение 10 мс
Метод коммутации	При переходе через ноль (в моделях для переменного тока) или мгновенно через оптрон (для постоянного тока)
Встроенная защита	В серии SSR-F есть сменный предохранитель

Виды

Твердотельное реле можно классифицировать:

По роду тока (постоянный или переменный);

По силе тока (маломощные, силовые);

По способу монтажа;

По количеству фаз;

По типу управляющего сигнала (постоянным или переменным током, аналоговый вход для управления переменным резистором, в цепь 4-20 мА и т.д.).

По типу переключения – коммутация при переходе напряжения через ноль (в цепях переменного тока), или коммутация по управляющему сигналу (для регулировки мощности, например).

Итак, по количеству фаз бывают одно- и трехфазное реле. А вот типов, управляющих сигналов гораздо больше. В зависимости от внутреннего устройства твердотельные реле могут управляться как постоянным напряжением, так и переменным.

Наиболее распространены твердотельное реле, которые управляются постоянным напряжением в диапазоне от 3 до 32 Вольт. При этом величина управляемого напряжения должно находиться в этом диапазоне, а не быть равной какой-то конкретной величине из него, что очень удобно при интеграции в системы с различным напряжением.

Также встречаются полупроводниковые реле, для управления которыми используется аналоговый сигнал:

0-10 вольт постоянного тока;

Переменным резистором 470-560 кОм.

При этом такими реле можно регулировать мощность на подключенном приборе, по принципу фазового управления. Такой же принцип регулировки используется в бытовых диммерах для освещения.

В таблице ниже вы видите виды сигналов управления твердотельных реле с фазовым методом управления от компании IMPULS.

Обратите внимание на последние буквы маркировки (LA, VD, VA), у большинства производителей они одинаковы, и говорят, как раз, о типе сигнала.

Как уже было сказано, в реле с фазовым управлением, в зависимости от величины управляющего сигнала изменяется напряжение на выходе, что отображено на графике ниже.

Распознать такое реле можно по условному изображению возле входных клемм, например, на фото ниже видно, что ко входу подключается переменный резистор 470-560 кОм.

Есть и твердотельные реле с сигналом управления от сети переменного тока 220В, как изображено ниже. Они подходят для использования в качестве замены маломощных контакторов или электромагнитных реле.

Маркировка и тип управления

Для определения «фазности» реле используют символы в начале маркировки:

Что эквивалентно однополюсным и трёхполюсным коммутационным приборам.

Сила тока также шифруется, например, FOTEK указывает её в виде: Pxx (смотрите – Каталог средств автоматизации FOTEK)

Где «хх» – это сила тока в амперах, например, P03 – 3 ампера, а P10 – 10 ампер.

Если в маркировке есть буква H – то это реле предназначено для коммутации повышенного напряжения.

В маркировке данные о типе управления указаны в последних символах, она может отличаться у разных производителей, но зачастую она имеет такой вид и значение (данные собраны по разным производителям):

VA – переменный резистор 470-560кОм/2Вт (фазовое управление);

LA – аналоговый сигнал 4-20мА (фазовое управление);

VD – аналоговый сигнал 0-10V DC (фазовое управление);

ZD – управление 10-30V DC (коммутация при переходе через ноль);

ZD3 – управление 3-32V DC (коммутация при переходе через ноль);

ZA2 – управление 70-280V AC (коммутация при переходе через ноль);

DD3 – управление сигналом 3-32V постоянного тока цепью постоянного тока (коммутация напряжения постоянного тока);

DA – управление сигналом постоянного тока, коммутация цепи переменного тока.

AA – управление сигналом переменного тока (220В), коммутация цепи переменного тока.

Проверим это на практике, допустим вы столкнулись с таким изделием как на рисунке ниже, и хотите узнать, что оно собой представляет.

Если внимательно изучить надписи возле клемм для подключения проводов уже станет ясно, что это реле для управления цепями переменного тока от 90 до 480 вольт, при этом управление происходит также переменным током с напряжением от 80 до 250 вольт.

Если же видна только маркировка, то: «SSR» – однофазное; «-10» – номинальная сила тока 10 ампер; «АА» – управление переменным током, коммутация переменного тока; «H» – для коммутации повышенного напряжения в силовой цепи — до 480В (если бы H не было, то было бы до 380-400В).

И для закрепления и лучшего понимания изучите следующую таблицу с маркировками и характеристиками твердотельных реле.

Устройство

Внутренняя схема твердотельного реле зависит от того на какой ток оно рассчитано (постоянный или переменный) и вида сигнала управления им. Рассмотрим некоторые из них.

Начнем с реле, которое управляется постоянным током и коммутируется при переходе через ноль. Иногда их называют «твердотельное реле Z-типа».

Здесь контакты 3-4 – это вход управляющего сигнала, в котором используется управление с помощью оптопары, которая служит для гальванической развязки входных и выходных цепей.

Блок контроля перехода через 0, или как его называют Zero Cross Circuit – отслеживает фазу напряжения в питающей сети и когда оно переходит через ноль производит коммутацию цепи (включение или отключение). Такой способ также называют Zero Voltage Switch, он позволяет снизить броски тока при включении (так как напряжение в этот момент равняется нулю) и всплески ЭДС-самоиндукции при отключении нагрузки.

Схематически это реализуется следующим образом:

Здесь напряжение от сети подаётся на блок с симистором и блоком который отслеживает переход через ноль. Элементы Q1, R3, R4, R5, C4 при высоком напряжении блокируют открытие тиристора T2, который управляет силовым симистором T1. Тогда коммутация возможна только при напряжении в сети близком к нулю. Входная цепь выполнена н U1 – транзисторной оптопаре, которая подаёт сигнал на управляющий электрод драйвера симистора T2, через Q2.

Реле мгновенного включения устроены несколько иначе чем, реле с коммутацией при переходе через ноль. В них отсутствует каскад ZCC.

При управлении переменным током схема отличается лишь наличием на входе выпрямителя (диодного моста).

А при коммутации цепей постоянного тока симистор заменяют транзистором.

Также есть универсальные реле для постоянного и переменного тока, где используется сборка из транзисторов. Вообще есть множество схем выходных каскадов твердотельных реле, ниже приведены примеры схемотехники разных моделей от такого производителя, как International Rectifier.

В реле с фазовым методом управления дело обстоит несколько иначе. Оно подобно диммеру умеет регулировать мощность нагрузки (выходное напряжение), для этого на вход подают аналоговый сигнал — напряжение, ток или подключают переменное сопротивление. В качестве силового элемента здесь применяется тиристор. Но учтите, что из-за такого метода регулировки возникают помехи в сети, для подавления которых применяют сетевые фильтры с синфазными дросселями, но это совсем другая тема.

Отличия коммутации при переходе через ноль от фазовой коммутации вы можете увидеть на рисунке ниже.

Схемы подключения и особенности использования

На самом деле схема подключения твердотельных реле почти ничем не отличается от обычных. Как правильно подключить? Давайте разбираться.

Если вам нужно заменить обычное реле 220В с управлением от переменного тока 220В – используйте следующую схему, на примере LDG LDSSR-10AA-H. На схеме для примера изображено подключение через обычный выключатель или тумблер. Вместо этого сигнал включения может подаваться от термостата, регулятора и других устройств.

Если вам нужно управлять с помощью низковольтного сигнала цепью 220В, то можно использовать FOTEK HPR-80AA (смотрите – Каталог электронных тведотельных реле FOTEK).

В этой схеме в качестве источника низкого напряжения постоянного тока используется блок питания 12VDC, которые широко распространены как блоки питания для светодиодных лент. Кстати вы даже можете управлять таким твердотельным реле подав на вход напряжение от зарядного устройства мобильного телефона, ведь на его выходе 5В, что больше минимального сигнала в 3В.

Читайте также:

Цветовая гамма в оформлении интерьера

Учтите и то, что напряжение управления нужно отключать полностью, так как у каждого реле есть определенные параметры, при которых оно работает, например, у приведенного выше напряжение отключения порядка 1 вольта, а сработать оно может не при 3 номинальных вольтах, а уже при 2.5 (данные приведены усредненные, для примера, и могут отличаться в зависимости не только от конкретного изделия, но и от условий окружающей среды и монтажа.)

Но напомним, что есть и реле с фазовым методом управления. Схемы подключения таких реле проиллюстрированы далее (иллюстрация из инструкции к ним).

Вопрос – для чего нужны такие реле и где их используют? Поиск ответа на данный вопрос был недолгим, стоило мне ввести начало запроса и сразу выдало варианты использования в качестве силового ключа для управления нагревательными элементами от терморегуляторов с выходом 4-20 мА или 0-10В.

Кстати, для промышленного применения есть и отечественные разработки, например, ОВЕН ТРМ132 и другие модели, которые могут работать с выходными сигналами 4-20мА и 0-10В.

Однако использование твердотельного реле для управления мощной нагрузкой невозможно без охлаждения. Для этого используют пассивное (простой радиатор) или активное охлаждение (радиатор+кулер).

Рекомендации о выборе кулеров приводятся в технической документации на конкретное твердотельное реле, поэтому давать универсальные советы нельзя.

Заключение

Твердотельные реле могут использоваться как замена электромеханическим в ряде случаев. Самыми популярными вариантами в быту является замена контактора в электрокотле, по причине его громкого хлопка при включении, соответственно и включение ТЭНов станет бесшумным.

А также реализация различных мощных регуляторов мощности для тех же ТЭНов и прочего, для чего применяется твердотельное реле с аналоговым входом сигнала от переменного сопротивления (тип VA).

Радиолюбители же могут собрать простейшее твердотельное реле, на основе оптодрайвера для симисторов с ZCC типа MOC3041 и подобных.

Я считаю, что это достойные изделия для использования их в различных средствах автоматизации, к тому же они не требуют обслуживания (разве что чистки радиаторов от пыли), а срок службы, можно сказать, что неограничен. Они прослужат в разы дольше чем контакторы при условии отсутствия перегрузок, перегрева, КЗ и импульсных перенапряжений!

Надеюсь, что эта статья была для вас полезной. Смотрите также другие статьи в категории В помощь начинающим электрикам, Электрообзоры

Твердотельное реле: виды, практическое применение, схемы подключения

Классические пускатели и контакторы постепенно уходят в прошлое. Их место в автомобильной электронике, бытовой технике и промышленной автоматике занимает твердотельное реле — полупроводниковое устройство, в котором отсутствуют какие-либо подвижные части.

Приборы имеют различные конструкции и схемы подключения, от которых зависят их сферы применения. Прежде чем использовать устройство, необходимо разобраться в его принципе действия, узнать об особенностях функционирования и подключения разных видов реле. Ответы на обозначенные вопросы подробно изложены в представленной статье.

Устройство твердотельного реле

Современные твердотельные реле (ТТР) представляют собой модульные полупроводниковые приборы, являющиеся силовыми электропереключателями.

Ключевые рабочие узлы этих устройств представлены симисторами, тиристорами или транзисторами. ТТР не имеют подвижных частей, чем отличаются от электромеханических реле.

Размер твердотельного реле во многом зависит от максимально допустимой нагрузки и возможности отводить тепло путем теплопередачи и конвекции (+)

Внутреннее устройство этих приборов может сильно различаться в зависимости типа регулируемой нагрузки и электрической схемы.

Простейшие твердотельные реле включают такие узлы:

входной узел с предохранителями;
триггерная цепь;
оптическая (гальваническая) развязка;
переключающий узел;
защитные цепи;
узел выхода на нагрузку.

Входной узел ТТР представляет собой первичную цепь с последовательно подключенным резистором. Предохранитель в эту цепь встраивается опционально. Задача узла входа – принятие управляющего сигнала и передача команды на коммутирующие нагрузку переключатели.

При переменном токе для разделения контролирующей и основной цепи применяют гальваническую развязку. От её устройства во многом зависит принцип работы реле. Ответственная за обработку входного сигнала триггерная цепь может включаться в узел оптической развязки или располагаться отдельно.

Защитный узел препятствует возникновению перегрузок и ошибок, ведь в случае поломки прибора может выйти из строя и подключенная техника.

Основное предназначение твердотельных реле – замыкание/размыкание электрической сети с помощью слабого управляющего сигнала. В отличие от электромеханических аналогов, они имеют более компактную форму и не производят в процессе работы характерных щелчков.

Принцип работы ТТР

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

Оптическая развязка позволяет создавать управленческие сигналы минимальной мощности, что критически важно для датчиков, работающих от автономных источников питания (+)

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.

Классификация твердотельных реле

Сферы применения реле разнообразны, поэтому и их конструктивные особенности могут сильно отличаться, в зависимости от потребностей конкретной автоматической схемы. Классифицируют ТТР по количеству подключенных фаз, виду рабочего тока, конструктивным особенностям и типу схемы управления.

По количеству подключенных фаз

Твердотельные реле используются как в составе домашних приборов, так и в промышленной автоматике с рабочим напряжением 380 В.

Поэтому эти полупроводниковые устройства, в зависимости от количества фаз, разделяются на:

однофазные;
трехфазные.

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

К трехфазному реле рекомендуется подключать провода различных цветов, чтобы при монтаже оборудования можно было правильно их присоединить

Трехфазные твердотельные реле способны пропускать ток в диапазоне 10-120 А. Их устройство предполагает реверсивный принцип функционирования, который обеспечивает надежность регуляции одновременно нескольких электрических цепей.

Часто трехфазные ТТР используются для обеспечения работы асинхронного двигателя. В его электросхему управления обязательно включаются быстрые предохранители из-за высоких пусковых токов.

По виду рабочего тока

Твердотельные реле нельзя настроить или перепрограммировать, поэтому они могут нормально работать только при определенном диапазоне электропараметров сети.

В зависимости от потребностей ТТР могут управляться электроцепями с двумя видами тока:

постоянным;
переменным.

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

Постоянный ток не используется в качестве основного источника электроэнергии ни в одной стране мира, поэтому реле такого типа имеют узкую сферу применения

Устройства с постоянным управляющим током характеризуются высокой надежностью и используют для регуляции напряжение 3-32 В. Они выдерживают широкий диапазон температур (-30..+70°С) без значительного изменения характеристик.

Реле, регулирующиеся переменным током, имеют управляющее напряжение 3-32 В или 70-280 В. Они отличаются низкими электромагнитными помехами и высокой скоростью срабатывания.

По конструктивным особенностям

Твердотельные реле часто устанавливают в общий электрощит квартиры, поэтому многие модели имеют монтажную колодку для крепления на DIN-рейку.

Кроме того, существуют специальные радиаторы, располагающиеся между ТТР и опорной поверхностью. Они позволяют охлаждать прибор при высоких нагрузках, сохраняя его рабочие характеристики.

Реле крепиться на DIN-рейку преимущественно через специальный кронштейн, который имеет и дополнительную функцию – отводит излишки тепла при работе прибора

Между реле и радиатором рекомендуется наносить слой термопасты, который увеличивает площадь соприкосновения и увеличивает теплоотдачу. Существуют и ТТР, предназначенные для крепления к стене обычными шурупами.

По типу схемы управления

Не всегда принцип работы регулируемой реле техники требует его мгновенного срабатывания.

Поэтому производители разработали несколько схем управления ТТР, которые используются в различных сферах:

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.
Мгновенное. Используется при необходимости резкого срабатывания реле при подаче управляющего сигнала.
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.

Преимущества и недостатки ТТР

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.

Реле для микросхем имеет компактные размеры и сильно ограничены по максимально пропускаемому току. Крепятся они преимущественно путем припаивания специальных ножек

К таким достоинствам относят:

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

Для стабильной работы мощных твердотельных реле важен эффективный отвод тепла, потому что при повышенных температурах резко искажается напряжение нагрузки (+)

ТТР имеют и недостатки, которые не позволяют им использоваться во многих случаях.

К минусам относят:

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

Таким образом, твердотельные реле имеют определенные сферы применения. В цепях высоковольтного промышленного оборудования их использование резко ограничено из-за несовершенных физических свойств полупроводниковых материалов.

Однако в бытовой технике и автомобильной промышленности ТТР занимают прочные позиции за счет своих положительных свойств.

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.

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.

Нормально-открытая (разомкнутая) схема — 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.

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

Нормально-замкнутая схема — 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».

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.

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.

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.

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; .

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 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.

Всё, что нужно знать о твердотельных реле. Схемы включения и защита

В этой статье обсудим схемы подключения твердотельными реле (ТТР), и способы управления ими.

Схемы включения подобных реле не очень сложны, но, как и везде, есть свои особенности.

Твердотелки – надо ли их использовать?

Для начала рассмотрим также целесообразность применения таких реле. Например, реальный случай:

У нас на предприятии на одном станке стоят соленоидные клапаны с питанием 24VDC 2А. Эти два клапана соединены параллельно, и включаются-выключаются с частотой примерно 1 раз в секунду. Питание идёт через реле. И, несмотря на то, что номинальный ток реле 10А индуктивной нагрузки, приходилось менять его каждый месяц-два. Поставили мы твердотелку – и забыли, работает без шума и проблем уже два года.

Другой случай, когда такие реле не нужны:

Простейший контроллер температуры, точность поддержания не существенна. Нагрузка – ТЭНы, работают в воде круглосуточно. Чаще, чем раз в год, один из ТЭНов замыкает или коротит на корпус. Здесь большая вероятность того, что ТТР выгорит, так как они очень чувствительны к перегрузкам.

Поэтому, за модой гнаться не стоит, а лучше применить трезвый расчет. Расчет по току и по финансам.

Различия схем включения реле

По виду подключения твердотельные реле можно разделить на следующие категории:

По управлению (виду входного управляющего сигнала):

постоянное напряжение (встречается чаще всего),
переменное напряжение,
постоянный ток 4-20 мА,
переменный резистор.

По виду коммутируемого тока

твердотельные реле переменного тока
твердотельные реле постоянного тока

По количеству фаз

одна фаза
три фазы (как правило, фактически это две фазы)

В любом случае, для выбора ТТР и его схемы включения нужно руководствоваться мануалами на данное реле.

Кстати, рекомендую мою статью про трехфазное и однофазное напряжение . Терминология и отличия разжеваны не пальцах)))

Схемы подключения твердотельных реле

Теперь рассмотрим подключение твердотельного реле подробнее.

Схема включения твердотельного реле

Ещё раз напоминаю –

Условные выходные контакты ТТР также будут НО, т.к. без активации цепи управления нагрузка выключена.

Теперь подробнее по управлению твердотелками.

Схемы с управлением от транзистора

Управление транзистором PNP, НО реле

Управление транзистором NPN, НЗ реле

Управление транзистором NPN, НО реле

Управление резистором

Плавно подходим к переменному току.

Не путать переменный ток и переменный резистор! В данном случае твердотельное реле фактически является диммером , который изменяет скважность выходного напряжения для нагрузки, которая приспособлена для этого. Такие реле – только с коммутацией переменного тока, и включаются/выключаются 100 раз в секунду.

Схема с фиксацией и управлением кнопками (защелка)

Схема нарисована тайваньскими инженерами, попробуем разобраться в ней.
Кстати, её же можно использовать для коммутации и переменного, и постоянного тока.

Схемы включения трехфазных твердотельных реле

Кроме того, коммутация может быть как по двум фазам, так и по трём, это важно! Подробнее ниже.

Реверсивные твердотельные реле

Пример включения трехфазного реле – на фото ниже:

Выбор твердотельных реле, защита и особенности работы

Это как в звукотехнике. Ламповая техника при перегрузках чувствует себя нормально, только слегка “потеет”, а транзисторы начинают жутко искажать сигнал и могут выйти из строя. За это до сих пор так ценятся ламповые усилители, за их мягкий, бархатный звук на предельных мощностях. Другое дело, что источников качественного сигнала сейчас практически нет, всё заполонил mp3 128kbps, и то в лучшем случае. Но это тема отдельной статьи…

Поэтому для твердотельных реле рекомендуется для активной нагрузки (лампы, ТЭНы) запас по номинальному току в 2-4 раза . При пуске асинхронных двигателей из-за большого пускового тока запас по току нужно увеличить до 6-10 раз .

То есть, трехфазная твердотелка Fotek TSR-40AA-H на 40А , показанная на фото чуть выше, на своих 40 амперах работать вряд ли будет. Мощность двигателя, которую можно коммутировать в данном случае – от 2,2 кВт до 5 кВт. Причём двигатель 5 кВт (это около 10А) должен запускаться обязательно на холостом ходу, с минимальным пусковым моментом, а нагрузку к нему прикладывать можно после пуска и разгона.

Особенности использования твердотельных реле

При использовании, практически, любых электрических цепей существует необходимость включения, или отключения электронных приборов, устройств, агрегатов и т.п. Используемое для этого оборудование относится к категории коммутационного оборудования, и включает в себя выключатели, рубильники, контакторы, реле и т.д.

Одним из устройств, входящих в категорию коммутационного оборудования, являются твердотельные реле. Что же такое – твердотельное реле? Твердотельное реле – это устройство, построенное на полупроводниковых элементах и силовых ключах, таких, как симисторы, биполярные, или МОП-транзисторы. Также как и электромагнитные реле, предназначены они для управления слабым сигналом нагрузкой с большим напряжением, или током.

Твердотельные реле – уникальные устройства, которые после монтажа не требуют особого обслуживания. К примеру, они не нуждаются в очистке контактной группы, так как само понятие «контактная группа» отсутствует у твердотельных реле вообще. Преимущества твердотельных реле перед электромагнитными достаточно известны. Это и небольшие габариты, отсутствие шума и вибрации, продолжительный ресурс, отсутствие искрения, постоянное выходное сопротивление, которое не меняется в течение срока эксплуатации. Но есть у твердотельных реле и свои особенности применения, которые нельзя не учитывать при их эксплуатации. И вопросы в службу технической поддержки подтверждают это.

Блок-схема твердотельного реле с управлением постоянным током изображена на рисунке:

Как видно, управление реле осуществляется с помощью светодиода, установленного внутри корпуса реле. Сразу возникает вопрос – какое напряжение необходимо подать на вход реле, что оно «включилось», или «отключилось»? Для реле серии HHG1 управляющее напряжение указано как 3-32VDC. И с этим, как бы, вопросов не возникает. Но необходимо иметь в виду, что для «отключения» реле, управляющее напряжение надо отключать полностью. Согласно документации на это реле, напряжение отключения составляет 1VDC. То есть, при снижении управляющего напряжения от значения 3VDC до 1VDC, реле останется в открытом состоянии. А если принять во внимание возможное наличие электромагнитных «наводок» в цепи управления реле, то может возникнуть ситуация, что реле останется включенным постоянно.

Далее, нельзя проверить работоспособность реле, подключив к выходным контактам тестер, и «прозвонить» его. В отличие от электромагнитного реле, в котором коммутирующая цепь имеет всего два состояния – «замкнуто» и «разомкнуто» – твердотельные реле имеют силовые ключи, построенные на симисторах, или транзисторах. Проверить работоспособность твердотельного реле можно, собрав, простейшее устройство, изображенное на рисунке
.

Кроме того, твердотельные реле имеют свои особенности для выбора нагрузки. При выборе твердотельного реле следует обращать особое внимание на нагрузочный ток. При эксплуатации твердотельного реле стоит учитывать не только рабочий ток, но также и токи, возникающие в процессе пуска, которые могут превышать номинальный параметр в несколько раз. Как правило, твердотельные реле выдерживают 10-кратную токовую перегрузку в течение 10 миллисекунд. Иначе говоря, при 10-кратной токовой перегрузке продолжительностью более 10 миллисекунд реле, практически, гарантировано выходит из строя.

Значения превышений максимального тока по отношению к номинальному отображены в таблице:

Применение	Запас по току
Для ТЭНов	30-40% больше номинального значения
Для асинхронных двигателей	6-10 крат.
Для ламп накаливания	8-12 крат.
Электромагнитные реле	4-10 крат.

Поэтому для твердотельных реле рекомендуется: для активной нагрузки (лампы, ТЭНы) запас по номинальному току в 2-4 раза. При пуске асинхронных двигателей, из-за большого пускового тока, запас по току нужно увеличить до 6-10 раз. Несколько снизить запас по току можно, предусмотрев пуск двигателя на холостом ходу с минимальными оборотами.

Немаловажным фактором при эксплуатации твердотельных реле является обеспечение теплового режима. Твердотельные реле способны проводить заявленный производителем ток при температурах не выше 40°С. При нагреве на каждые 10°С способность реле пропускать ток уменьшается на 20-25%. То есть, при температуре 80°С реле, практически, не способно пропускать ток.

И напоследок – для защиты твердотельного реле от выхода из строя вследствие короткого замыкания, нагрузку имеет смысл защитить установкой автоматических выключателей класса В.

Может показаться, что переход от обычных реле и контакторов на твердотельные реле слишком сложен. Действительно, такой переход требует более ответственного подхода. Но при правильном выборе твердотельного реле и обеспечения соответствующих условий его работоспособности, преимущества проявятся в первую очередь.

Щелкаем реле правильно: коммутация мощных нагрузок

Управление мощными нагрузками — достаточно популярная тема среди людей, так или иначе касающихся автоматизации дома, причём в общем-то независимо от платформы: будь то Arduino, Rapsberry Pi, Unwired One или иная платформа, включать-выключать ей какой-нибудь обогреватель, котёл или канальный вентилятор рано или поздно приходится.

Традиционная дилемма здесь — чем, собственно, коммутировать. Как убедились многие на своём печальном опыте, китайские реле не обладают должной надёжностью — при коммутации мощной индуктивной нагрузки контакты сильно искрят, и в один прекрасный момент могут попросту залипнуть. Приходится ставить два реле — второе для подстраховки на размыкание.

Вместо реле можно поставить симистор или твердотельное реле (по сути, тот же тиристор или полевик со схемой управления логическим сигналом и опторазвязкой в одном корпусе), но у них другой минус — они греются. Соответственно, нужен радиатор, что увеличивает габариты конструкции.

Я же хочу рассказать про простую и довольно очевидную, но при этом редко встречающуюся схему, умеющую вот такое:

Гальваническая развязка входа и нагрузки
Коммутация индуктивных нагрузок без выбросов тока и напряжения
Отсутствие значимого тепловыделения даже на максимальной мощности

Но сначала — чуть-чуть иллюстраций. Во всех случаях использовались реле TTI серий TRJ и TRIL, а в качестве нагрузки — пылесос мощностью 650 Вт.

Классическая схема — подключаем пылесос через обычное реле. Потом подключаем к пылесосу осциллограф (Осторожно! Либо осциллограф, либо пылесос — а лучше оба — должны быть гальванически развязаны от земли! Пальцами и яйцами в солонку не лазить! С 220 В не шутят!) и смотрим.

Пришлось почти на максимум сетевого напряжения (пытаться привязать электромагнитное реле к переходу через ноль — задача гиблая: оно слишком медленное). В обе стороны бабахнуло коротким выбросом с почти вертикальными фронтами, во все стороны полетели помехи. Ожидаемо.

Резкое пропадание напряжения на индуктивной нагрузке не сулит ничего хорошего — ввысь полетел выброс. Кроме того, видите вот эти помехи на синусоиде за миллисекунды до собственно отключения? Это искрение начавших размыкаться контактов реле, из-за которого они однажды и прикипят.

Итак, «голым» реле коммутировать индуктивную нагрузку плохо. Что сделаем? Попробуем добавить снаббер — RC-цепочку из резистора 120 Ом и конденсатора 0,15 мкФ.

Лучше, но не сильно. Выброс сбавил в высоте, но в целом сохранился.

Та же картина. Мусор остался, более того, осталось искрение контактов реле, хоть и сильно уменьшившееся.

Вывод: со снаббером лучше, чем без снаббера, но глобально проблемы он не решает. Тем не менее, если вы желаете коммутировать индуктивные нагрузки обычным реле — ставьте снаббер. Номиналы надо подбирать по конкретной нагрузке, но 1-Вт резистор на 100-120 Ом и конденсатор на 0,1 мкФ выглядят разумным вариантом для данного случая.

Литература по теме: Agilent — Application Note 1399, «Maximizing the Life Span of Your Relays». При работе реле на худший тип нагрузки — мотор, который, помимо индуктивности, при старте имеет ещё и очень низкое сопротивление — добрые авторы рекомендуют уменьшить паспортный ресурс реле в пять раз.

А теперь сделаем ход конём — объединим симистор, симисторный драйвер с детектированием нуля и реле в одну схему.

Что есть на этой схеме? Слева — вход. При подаче на него «1» конденсатор C2 практически мгновенно заряжается через R1 и нижнюю половину D1; оптореле VO1 включается, дожидается ближайшего перехода через ноль (MOC3063 — со встроенной схемой детектора нуля) и включает симистор D4. Нагрузка запускается.

Конденсатор C1 заряжается через цепочку из R1 и R2, на что уходит примерно t=RC ~ 100 мс. Это несколько периодов сетевого напряжения, то есть, за это время симистор успеет включиться гарантированно. Далее открывается Q1 — и включается реле K1 (а также светодиод D2, светящий приятным изумрудным светом). Контакты реле шунтируют симистор, поэтому далее — до самого выключения — он в работе участия не принимает. И не греется.

Выключение — в обратном порядке. Как только на входе появляется «0», C1 быстро разряжается через верхнее плечо D1 и R1, реле выключается. А вот симистор остаётся включённым примерно 100 мс, так как C2 разряжается через 100-килоомный R3. Более того, так как симистор удерживается в открытом состоянии током, то даже после отключения VO1 он останется открытым, пока ток нагрузки не упадёт в очередном полупериоде ниже тока удержания симистора.

Красиво, не правда ли? Причём при использовании современных симисторов, устойчивых к быстрым изменениям тока и напряжения (такие модели есть у всех основных производителей — NXP, ST, Onsemi, etc., наименования начинаются с «BTA»), снаббер не нужен вообще, ни в каком виде.

Более того, если вспомнить умных людей из Agilent и посмотреть, как меняется потребляемый мотором ток, получится вот такая картинка:

Стартовый ток превышает рабочий более чем в четыре раза. За первые пять периодов — то время, на которое симистор опережает реле в нашей схеме — ток падает примерно вдвое, что также существенно смягчает требования к реле и продлевает его жизнь.

Да, схема сложнее и дороже, чем обычное реле или обычный симистор. Но часто она того стоит.

Твердотельное реле

В качестве коммутационных устройств, соединяющих или разъединяющих электрические цепи при изменении входной силы тока, используются различные виды реле.

На смену стандартным электромеханическим устройствам пришли твердотельные реле, обеспечивающие бесконтактную коммутацию силовых цепей управления, малого тока и напряжения.

Полупроводниковые приборы предназначены для установки в системах переменных или постоянных токов.

Что такое твердотельное реле?

Твердотельное реле (ТТР) — это реле, не имеющее подвижного контакта. С точки зрения работы твердотельные реле мало чем отличаются от механических реле с подвижными контактами. Однако твердотельные реле используют полупроводниковые переключающие элементы, такие как тиристоры, симисторы, диоды и транзисторы.

Что представляет собой устройство твердотельного реле

Полупроводниковый блок состоит из следующих элементов:

входного узла, принимающего управляющий сигнал и передающего команды на переключатели;
триггерной схемы подключения, отвечающей за передачу входящего сигнала, включенной в комплекс оптической развязки, или располагаемой автономно;
оптических или гальванических развязок, применяемых для разделения контролирующих и основных цепей переменных токов;
узла переключения, контролирующего нагрузки приборов и устройств;
защиты, предохраняющей от перегрузок и коротких замыканий (КЗ);
предохранителей, предназначенных для отключения защитной цепи;
выходного узла, представленного парой клемм или контактов, используемого для подключения нагрузок.

Вся конструкция выполнена в виде единого блока, в котором состав элементов может меняться, в зависимости от типа установки.

Силовыми элементами для постоянных токов являются транзисторы различных типов.

Для переменных – применяются сборки на безе тиристоров и симисторов.

Основные элементы устройства твердотельного реле

Твердотельные модели являются более компактными и бесшумными, не имеют движущихся деталей.

Габариты зависят от максимально допустимых нагрузок и способности отводить тепло.

Применение

Твердотельные реле используют для контроля за электронными приборами, оборудованием и автоматическими системами, подключенными к электрической сети мощностью от 20 до 480 Ватт.

Применяются в различных сферах:

автоматике промышленных процессов;
различных бытовых установках;
системах регуляции тепла в ТЭНах;
в системах регулировки освещения и датчиках движения;
электронике автомобилей.

Твердотельное реле имеется в холодильниках, чайниках, стиральных машинах, нагревательных ТЭНах, бесперебойных источниках питания.

Области использования твердотельных приборов зависят от их конструктивных особенностей, схем подключения и прочих условий функционирования.

ТТР не нуждаются в постоянном обслуживании, и могут устанавливаться в любые труднодоступные места.

Стоит отметить, что популярность твердотельных устройств возрастает с каждым днем, благодаря повсеместной автоматизации.

Виды реле и классификация

1. По способу монтажа

Выпускаются различные модели ТТР с креплением на опорные поверхности, печатные платы или на DIN-рейки.

Рисунок 3. Прибор для установки на печатную плату.

Для охлаждения твердотельного реле используются специальные радиаторы, устанавливаемые между опорой и блоком.

Для дополнительной защиты от перегрева на поверхность прибора наносится термопаста, для повышения теплоотдачи, за счет увеличения площади соприкосновения.

Существуют модели, предназначенные для крепления шурупами непосредственно к стене.

Для установки в электрощит выпускаются ТТР с креплениями на ДИН-рейку.

Для отвода лишнего тепла твердотельное реле крепится к рейке через кронштейны.

2. По типу переключения коммутируемой сети

С регулятором «через ноль». Срабатывают при нулевом управляющем напряжении. Предназначены для устройств со слабыми индуктивными, резистивными или емкостными нагрузками.
Мгновенное. Реле используют при необходимости резкого срабатывания.
Фазовое. В таких устройствах при смене значения сопротивления меняется мощность на нагрузке. Применяется для регулировки уровня освещения в лампах накаливания, или температуры — в нагревательных полупроводниковых элементах.

Читайте также:

Технология кладки пеноблоков

3. По типу управления

ТТР могут управляться с помощью:

Постоянного тока. Его диапазон составляет от 3 и до 32 Вольт.
Переменного тока. Диапазон переменного тока составляет от 90 и до 250 Вольт. То есть такими реле можно спокойно управлять с помощью сетевого напряжения 220 В.
С помощью переменного резистора. Значение переме/нного резистора может быть в диапазоне от 400 и до 600 Килоом.

4. По виду рабочего тока

Твердотельные реле могут управляться электрическими цепями с двумя видами тока:

постоянным;
переменным.

Коммутации постоянного тока применяют при постоянном напряжении от 3 до 32 вольт.

Большинство работают на переменных токах. Такие приборы отличаются мгновенным срабатыванием, экономичностью и низкой степенью электромагнитных помех. Рабочие напряжения — 90-250 вольт.

5. По количеству подключенных фаз

Однофазные, работающие в диапазоне 10-100 и 100-500А, устанавливаются в бытовых приборах.
Трехфазные, 10-120 А, коммутирующее напряжение сразу на трех фазах.

Управление однофазными приборами выполняются посредством аналогового сигнала и переменного резистора.

Устройство трехфазных твердотельных реле предполагает реверсивную работу, обеспечивающую регулирование нескольких электрических цепей управления одновременно.

Трехфазное реле

Чтобы выполнить его правильное присоединение при монтаже оборудования к трехфазному твердотельному реле подключают провода различных цветов.

Конструктивные особенности

Основной элемент твердотельных реле — электронная плата, состоящая из трех главных элементов:

Блока управления, обеспечивающего стабильные уровни напряжения, которое на входе составляет от 70 до 220 Вольт.
Узла развязки, состоящего из элементов, подающих и принимающих световой сигнал. Между передающими и принимающими элементами расположен прозрачный диэлектрик.
Силовых ключей:

для постоянного тока — на базе транзисторов.
для переменного — на базе

симисторов или тиристоров.

Внутренние элементы реле.

Устройство должно монтироваться после нагрузки, с последующим заземлением, для предотвращения КЗ.

Схемы подключения твердотельного реле

Электрические схемы строятся в зависимости от особенностей подключения нагрузки. К этим наиболее распространенным схемам относятся:

К наиболее распространенным схемам относятся:

Разомкнутая или открытая. При наличии управляющего сигнала реле находится под напряжением. При обесточенных входах приборы находятся в отключенном состоянии.
Замкнутая. При отсутствии управляющего сигнала нагрузка реле находится под напряжением. При обесточенных входах подключенные приборы находятся в рабочем состоянии.
Трехфазная — контакты соединяются по схеме «Звезда», «Звезда с нейтралью» или «Треугольник».
Реверсивная— включают два уровня управления. Изготавливается в трехфазном варианте.

Электрические цепи с твердотельными реле собирают точно по этим схемам, с соблюдением полярности.

Стоит отметить, что неправильное подключение приборов может привести к удару электричеством, выходу из строя из-за КЗ.

Принцип работы

Чтобы понять принцип работы твердотельного реле, нужно знать их конструктивные особенности.

Взаимодействие управляемого и управляющего сигнала обеспечивает гальваническая или оптическая развязка.

Одним из основных элементов ТТР является оптоизолятор, или оптопара в виде светодиода и фоточувствительного устройства, изолирующего вход от выхода.

При прохождении электричества через светодиод, подключенный к входной секции твердотельного реле, он загорается. Фокусируясь через зазор, свет передается на фоточувствительный транзистор или семистор.

Принцип его действия заключается в замыкании и размыкании контактов, передающих напряжение.

Схема всех твердотельных устройств примерно одинаковая. Незначительные отличия в различных моделях совершенно не влияют на его функции.

Работа механизма заключается в замыкании и размыкании контактных клемм, передающих напряжение.

Технические характеристики

При выборе ТТР руководствоваются характеристиками:

габаритные размеры;
величина напряжения на входе и выходе;
перегрузочная способность;
потребляемая мощность;
материал изготовления;
тип монтажа;
прочность изоляции и пр.

Характеристики ТТР могут отличаться, в зависимости от вида устройства.

Таблица 1. Усредненные характеристики ТТР.

Наименование

Показатель

не больше 7.5 мА

Метод управления в реле для постоянного тока

мгновенно через оптрон

Метод коммутации в реле для переменного тока

при переходе через «ноль»

до 10 номинальных токов в течение 10 мс

2,5 кВ АС в течение 1 минуты

Отличие твердотельных реле от электромагнитных

Электромагнитные модели имеет катушку управления и подвижную контактную группу.

На катушку подается напряжение от кнопочного поста или системы управления.

Протекание тока через катушку, создает электромагнитное поле, притягивающее якорь с контактной группой. Контакты замыкаются.

Основное отличие твердотельных реле — отсутствие катушки управления и подвижной силовой контактной группы.

В зависимости от сферы применения, функции силовой контактной группы выполняют транзисторы, тиристоры, симисторы и другие полупроводниковые ключи.

Стоит отметить, что в связи с отсутствием движущихся деталей, твердотельные реле не подвержены механическому износу.

Рисунок 7. Прибор в разобранном виде.

Достоинства и недостатки

К преимуществам твердотельных моделей относятся:

отсутствие шума и вибрации;
компактные размеры;
широкая сфера применения;
мгновенная скорость коммутации (тысячные доли миллисекунд);
отсутствие электромагнитных помех при включении;
продолжительный ресурс, благодаря отсутствию движущихся деталей;
постоянность выходного сопротивления в течение всего срока эксплуатации;
минимальное потребление электрической энергии;
возможность регулирования нагрузки;
низкая чувствительность к вибрациям, повышенной влажности, запыленности, воздействию магнитных полей.

Ресурс переключений твердотельных реле в тысячу и более раз выше, чем у электромагнитных аналогов.

При работе таких приборов исключена возможность появления искр при переключении, что позволяет использовать устройства на взрыво- и пожароопасных объектах.

Основные недостатки твердотельных реле:

нагревание прибора, связанное с высоким сопротивлением в цепи p-n перехода;
частое ложное срабатывание при скачках напряжения;
здесь возможны выходы из строя силового ключа, при перегрузках и коротких замыканиях;
высокая стоимость.

У ТТР имеется ток утечки, из-за которого фазный провод может находиться под напряжением даже при отключенном реле.

Приборы, рассчитаны на работу в условиях постоянного тока, требуют строгого соблюдения полярности при подключении выходных цепей.