Компьютерные и радио детали. Что такое реле твердотельное
Что такое твёрдотельное реле? | Компьютерные и радио детали
Устройство и параметры твёрдотельных реле
Радиоэлектроника развивается стремительными темпами и то, что совсем недавно использовалось повсеместно, в настоящее время кажется пережитком далёкой старины. Электромеханическое реле ещё активно используется, но на смену ему идёт принципиально новый электронный прибор – твёрдотельное реле.
В англоязычной технической литературе твердотельное реле (ТТР), имеет сокращённое обозначение SSR (Solid State Relays).
Твёрдотельное реле служит для управления силовыми цепями с помощью низковольтной цепи управления. В качестве коммутатора силовой цепи используются мощные ключи на полупроводниковых структурах, выполненных по типу: транзистора, тиристора или симистора.
По сути, твёрдотельное реле является аналогом всем знакомого электромеханического, но выполненного по полупроводниковой технологии.
Такие реле, в зависимости от типа, могут работать как в цепях переменного, так и постоянного тока.
Принцип работы твёрдотельного реле.
Работает твердотельное реле следующим образом: управляющий сигнал подаётся на светодиод. Оптическое излучение вызывает на фотоприёмнике (фотодиоде) появление ЭДС. Это напряжение подаётся на управляющую схему, которая вырабатывает сигнал для управления выходным ключом.
Таким образом, вся работа твёрдотельного реле осуществляется в нескольких ступенях разделённых между собой:
- Входная цепь (излучающий диод).
- Оптическая развязка.
- Фотодиод с триггером управления (схема управления).
- Цепь коммутации (симистор).
- Цепь защиты выходного ключа (варистор и т.п.).
В зависимости от назначения и параметров твёрдотельного реле оно может иметь различное устройство. Как уже говорилось, в качестве силового ключевого элемента, который коммутирует ток нагрузки, может быть использован симистор, МДП-транзистор, тиристор, диод, биполярный транзистор или IGBT-транзистор. Благодаря этому в продаже можно найти твёрдотельное реле под любую задачу.
Основных параметров у твёрдотельного реле немного:
- Коммутируемое напряжение Uмакс;
- Коммутируемый ток Iмакс;
- Управляющий сигнал;
- Скорость переключения.
Качественные отличия твёрдотельных реле от электромеханических.
Почему твёрдотельные полупроводниковые реле всё активней занимают место «классических» электромеханических? Как известно, у электромеханических реле недостатков много: большое время срабатывания, подгорание контактов (как следствие, низкая надёжность), дребезг контактов, искрение (вызывает помехи в работе аппаратуры).
По сравнению с электромагнитными реле, твёрдотельные обладают рядом несомненных преимуществ:
- Допускается не менее миллиарда переключений, что в тысячу раз превышает этот показатель у обычных электромеханических.
- Совместимость с уровнями логических микросхем. То есть SSR можно управлять прямо с выхода микросхем.
- Отсутствие контактов а, следовательно, и дребезга.
- Бесшумная работа, вибростойкость, высокое быстродействие.
- Очень малое энергопотребление.
Следует отметить, что твёрдотельные реле очень чувствительны к превышению, как напряжения, так и тока. Поэтому, выбирая твердотельное реле необходимо всегда учитывать запас минимум в 20 %. Есть ещё два очень важных момента, на которые необходимо обращать внимание. Эти устройства очень боятся перегрева, а при работе полупроводниковая структура сильно нагревается, поэтому наличие радиатора необходимо. Очень часто коммутируемую цепь шунтируют варистором для защиты от импульсных выбросов.
Маломощные твёрдотельные реле.
Существует целая серия твердотельных реле рассчитанных на работу с небольшими токами и напряжениями. Их принято называть телекоммуникационными реле или MER (MicroElectronic Relay). Как правило, они рассчитаны на коммутацию нагрузки небольшой мощности.
Маломощные полупроводниковые реле имеют очень небольшие размеры и прекрасно зарекомендовали себя, работая в многофункциональных телефонных аппаратах, контрольно-измерительной аппаратуре, модемах, приёмно-контрольных приборах систем охранной и пожарной сигнализации.
Поскольку они работают в слаботочных системах, их внутренняя схемотехника заметно упрощена с целью снижения себестоимости. Особенно удобно их использование в системах оповещения о пожаре или несанкционированном проникновении. В этих системах требуется очень высокий уровень надёжности, который далеко не всегда могут обеспечить электромагнитные реле. Рассмотрим устройство слаботочного реле CPC1035.
Как видно из рисунка, такое реле представляет собой комбинированное устройство. В его составе есть высокоэффективный излучающий AsGaAl-инфракрасный диод. Он является управляющей цепью (Control). Нагрузку (Load) коммутирует сдвоенный MOSFET транзистор. Благодаря сдвоенному MOSFET транзистору реле допускает коммутацию переменного тока. Как только на инфракрасный диод подаётся напряжение, он начинает излучать. Излучение принимается фотодиодной матрицей, в которой создаётся фото-ЭДС. Далее, полученное от фотоматрицы напряжение (фото-ЭДС), подаётся на управляющую схему. Та в свою очередь управляет ключом из полевых транзисторов. Цепь нагрузки начинает пропускать ток. Как видим, в основе любого твёрдотельного реле лежит полупроводниковая технология.
Основные параметры CPC1035:
- Коммутируемое переменное напряжение (Blocking Voltage) — 0…350 В;
- Максимальный ток нагрузки (Load Current) — 100 мА;
- Максимальное сопротивление ключа во включенном состоянии (Max On-resistance) — 35 Ом;
- Величина управляющего тока — 2…50 мА (Ток управления — постоянный).
Такие маломощные и миниатюрные реле активно используются в охранных датчиках. Вот, например, реле COSMO типа CPC1008 на плате датчика движения "Фотон-Ш". Оно подключается в охранный шлейф приёмно-контрольного прибора (например, ППКОП "Гранит") или к линии, которая подключена к пульту центрального наблюдения (ПЦН).
Твёрдотельные реле серии CPC10xx также есть в составе охранного датчика "Астра-621". Это многофункциональный датчик. Он контролирует движение в охраняемой зоне за счёт пироэлектрического датчика и осуществляет контроль разбития окон за счёт чувствительного микрофона. На печатной плате прибора расположено два полупроводниковых реле типа CPC1016N. Одно срабатывает при детектировании движения в охранной зоне, а другое срабатывает при разбитии окон.
Если приглядеться, то можно увидеть, что на печатной плате твёрдотельное реле обозначается как DA4 и DA5. Как известно, сокращением DA обычно указывают на схемах аналоговые микросхемы. Поэтому стоит понимать, что твёрдотельное реле это не отдельный электронный компонент, а по своей сути специализированная микросхема, наподобие ИК-приёмника.
acheese.ru
Твердотельное реле (SSR) | LAZY SMART
Твердотельное реле (ТТР) — это устройство, предназначенное для коммутации силовой нагрузки. Функционально оно ничем не отличается от обычного электромагнитного реле, но имеет другое устройство, характеристики и принцип действия. Этими особенностями обусловлены сферы, в которых использование твердотельных реле предпочтительнее, чем электромагнитных. Обо всём об этом далее по тексту…
Устройство и принцип работы
Твердотельное реле, как уже было сказано, предназначено для включения/выключения внешней нагрузки. Для этого оно имеет выходной контакт, который замыкается при подаче управляющего напряжения.
Поскольку электронный ключ не может иметь нормально закрытое состояние, выход твердотельного реле всегда нормально-открытый.
Твердотельное реле имеет гальваническую развязку, то есть управляющая и коммутируемая цепи не связаны между собой электрически. Управляющий сигнал передаётся на электронный ключ с помощью встроенного оптрона.
Особенности твердотельного реле
- Меньшие габариты по сравнению с «электромагнитным собратом»
- Бесшумное переключение и работа
- Высокая надёжность и долгий срок службы
- Высокая скорость переключения (сравнима со скоростью света)
- Отсутствие эффекта искрения и подгорания контактов
- Сравнительно высокая стоимость
- Более чувствительны к перегрузкам, поэтому должны выбираться с большим коэффициентом запаса (2-4 раза для обычных нагрузок и 6-11 раз для устройств с большими пусковыми токами).
Характеристики твердотельного реле
- Тип управляющего напряжения. Это может быть постоянный или переменный ток. Так же стоить обратить внимание на диапазон управляющих напряжений. Например, для постоянного тока это может быть 3-32 В, а для переменного 80 -250 В.
- Тип коммутируемого напряжения. Аналогично управляющему напряжению может быть постоянным и переменным. Минимальные и максимальные значения коммутируемого напряжения также указываются в паспорте устройства.
- Максимальный ток нагрузки — выбирается сообразно с мощностью предполагаемой нагрузки.
- Количество фаз коммутируемого переменного напряжения — одно- или трёхфазные.
Области применения твердотельных реле
Исходя из принципа работы и особенностей твердотельных реле, можно сказать, что они применяются в тех случаях, когда требуется большое количество включений/выключений нагрузки за короткое время (высокая частота переключений). В таких системах обычные реле быстро вырабатывают свой ресурс и выходят из строя.
Твердотельные реле часто применяют для включения индуктивной нагрузки (например ТЭНы).
Кроме того, малые габариты и бесшумная работа, тоже могут стать причиной установки твердотельных реле.
Однако, не стоит забывать, что такие реле дороже, поэтому если можно обойтись обычным электромагнитным реле, лучше так и сделать
Твердотельное реле постоянного тока
Используется для коммутации цепей постоянного тока. Как правило выдерживают достаточно широкий диапазон коммутируемого напряжения (порядка 5 — 230 В). В качестве электронного ключа используется транзистор.
Схема подключения:
Твердотельное реле переменного тока
Предназначены для коммутации цепей переменного тока. В качестве электронного ключа используется симистор или тиристор. Бывают однофазные и трёхфазные версии таких реле.
Реле твердотельное однофазное
Предназначено для коммутации однофазной нагрузки. Схема подключения похожа на схему в случае реле постоянного тока.
Реле твердотельное трёхфазное
Используются для коммутации трёхфазной нагрузки (например электродвигателей).
На входные контакты реле «приходят» три фазы питания, а при подаче управляющего сигнала эти фазы «появляются» на соответствующих выходных клеммах, к которым подключена нагрузка. На следующей схеме через трёхфазное реле запитаны три ТЭНа, соединённых звездой:
Для управления электродвигателями применяют специальные трёхфазные реле с реверсом.
Такое реле имеет три управляющих контакта. Один из них — общий, а два других в паре с ним образуют два управляющих входа. При подаче напряжения на первый, фазы коммутируются для прямого вращения электродвигателя, а при подаче «управляющей фазы» на другой вход — для обратного вращения.
lazysmart.ru
Твердотельное реле: схема, принцип работы, подключение
Чтобы обеспечить бесконтактную коммуникацию различных устройств без использования электромагнитов применяют твердотельное реле. Об особенностях, принципе действия и схеме подключения данного устройства поговорим далее.
Оглавление:
- Твердотельное реле - принцип работы
- Преимущества и сфера использования твердотельного реле
- Разновидности твердотельных реле
- Выбор и покупка твердотельного реле
- Особенности подключения твердотельного реле
Твердотельное реле - принцип работы
Твердотельное реле - это устройство, обеспечивающее контакт между низковольтными и высоковольтными электрическими цепями.
Рассматривая структуру данного прибора, большинство моделей схожи между собой, имеют незначительные отличия, которые никак не влияют на принцип их работы.
Структура твердотельного реле включает наличие:
- входа,
- оптической развязки,
- триггерной цепи,
- цепи переключателя,
- цепи защиты.
Входом является первичная цепь, которая характеризуется наличием резистора на постоянном изоляторе, который имеет последовательное подключение. Основная функция цепи входа состоит в принятии сигнала и передаче команды устройству твердотельного реле, которое коммутирует нагрузку.
В качестве изоляции входной и выходной сети с переменным током используется устройство оптической развязки. От типа данного компонента, зависит вид реле и его принцип работы.
Для обработки входного сигнала и переключения выхода используется конструкция триггерной цепи. Она выступает, как отдельный элемент, а в некоторых моделях входит в состав оптической развязки.
Чтобы подать силу напряжения на нагрузку используется цепь переключающего типа, которая включает транзистор, кремниевый диод и симистор.
Чтобы защитить твердотельное реле от сбоев в работе или возникновения ошибок, используется отдельная защитная цепь. Это устройство бывает двух видов: внутреннего и внешнего.
Твердотельное реле схема состоит из:
- системы контроля,
- устройства твердотельного реле,
- двигателя, насоса, сварочного аппарата, трансформатора или нагревателя.
Чтобы коммутировать индуктивную нагрузку с помощью твердотельного реле следует увеличить запас тока в 6-8 раз.
Принцип работы твердотельного реле состоит в замыкании или размыкании контактов, которые передают напряжение непосредственно на реле. Чтобы привести в действие контакты необходимо наличие активатора. Его роль в твердотельном реле выполняет полупроводник или твердотельный прибор. В устройствах которые работают при переменном токе это тиристор или симистор, а для приборов с постоянным током - транзистор.
Прибор, который характеризуется наличием ключевого транзистора, является твердотельным реле. Это, например, датчик движения или света, который с помощью транзистора осуществляет передачу напряжения.
Между напряжением в катушке и силовых контактах появляется действие гальванической развязки, которое исчезает в следствие наличия оптической цепи.
Преимущества и сфера использования твердотельного реле
Твердотельное реле часто заменяет обычные контактеры из-за большого количества преимуществ перед ними. Рассмотрим основные достоинства твердотельного реле:
1. Небольшое потребление энергии - из-за отсутствия электромагнитного разнесения, электромагнитное реле потребляет много электроэнергии, так как в твердотельном реле используется полупроводник, количество электроэнергии для его работы меньше на 90%.
2. Твердотельное реле малогабаритное устройство, это качество позволяет его легко транспортировать и устанавливать.
3. Данное устройство характеризуется высоким уровнем быстродействия и не требует ожидания для запуска.
4. Низкая шумопроизводительность - еще одно преимущество твердотельного реле перед контактерами.
5. Такие приборы отличаются более длительным сроком эксплуатации и не требуют дополнительного технического обслуживания.
6. Имеют большую сферу использования и подходят для разных приборов.
7. Твердотельное реле позволяет включать цепь не допуская помех электромагнитного характера.
8. Высокий уровень быстродействия позволяет избежать дребезга контактов во время работы устройства.
9. Твердотельное реле позволяет осуществить более миллиарда срабатываний.
10. Наличие надежной изоляции между цепями входа и коммутации повышает производительность прибора.
11. Реле отличается наличием компактной герметичной конструкции и стойкой вибрацией перед ударами.
Сфера использования твердотельного реле достаточно широкая. Их используют в том случае, если возникает необходимость в коммутации индуктивной нагрузки. Рассмотрим основные области применения данного устройства:
- система, в которой производится регулировка температуры при помощи тэна;
- чтобы поддержать постоянную температуру в технологическом процессе;
- для коммутирования цепи управления;
- при выполнении замены пускателей бесконтактного реверсного типа;
- управление электрическими двигателями;
- контроль нагрева, трансформаторов и других технических приборов;
- регулирование уровня освещения.
Разновидности твердотельных реле
Есть несколько разновидностей твердотельного реле, которые отличаются особенностями контролирующего и коммутируемого напряжения:
1. Твердотельные реле постоянного тока - используется при действии постоянного электричества в диапазоне от 3 до 32-х Вт. Характеризуется высокими удельными характеристиками, светодиодной индикацией, высокой надежностью. Большинство моделей имеют широкий диапазон рабочих температур от -30 до +70 градусов.
2. Твердотельные реле переменного тока отличается низким уровнем электромагнитных помех, отсутствием шума во время работы, низким потреблением электроэнергии и высокой скоростью работы. Рабочий интервал составляет 90-250 Вт.
3. Твердотельные реле с ручным управление, позволяют настраивать тип работы.
В соотношении с типом нагрузки выделяют:
- однофазное твердотельное реле,
- трехфазное твердотельное реле.
Однофазное реле позволяет коммутировать электричество в диапазоне 10-120 А, или в диапазоне 100-500 А. Фазовое управление осуществляется при помощи аналогового сигнала и переменного резистора. Трехфазные реле применяют для коммутации тока сразу на трех фазах одновременно. Они имеют рабочий интервал от 10 до 120 А. Среди трехфазных реле выделяют устройства реверсивного типа, которые отличаются маркировкой и бесконтактной коммукацией. Их функция состоит в надежной коммутации каждой цепи отдельно. Специальные устройства способны надежно защищать реле от ложных включений.
Они используются во время запуска и работы асинхронного двигателя, который производит их реверс. При выборе данного устройства необходимо соблюдать большой запас мощности тока, который безопасно и эффективно эксплуатирует устройство.
Чтобы избежать возникновения перенапряжений при использовании реле, следует обязательно приобрести варистор или предохранитель быстрого действия.
Трехфазные реле отличаются более длительным сроком эксплуатации, чем однофазные. Коммукация происходит в следствие перехода тока через ноль и светодиодную индикацию.
В соотношении с методом коммукации выделяют:
- устройства, выполняющие нагрузки емкостного типа, редуктивного типа, слабой индукции;
- реле со случайным или мгновенным включением, используются в том случае, когда требуется мгновенное срабатывание;
- реле с наличием фазового управления, позволяют производить настройку нагревательных элементов, ламп накаливания.
В соотношении с конструкцией твердотельные реле бывают:
- монтируемые на Д И Н рейки,
- универсальные, устанавливаемые на планки переходного типа.
Выбор и покупка твердотельного реле
Чтобы купить твердотельное реле, следует обратиться в специализированный магазин электроники, в котором опытные специалисты помогут подобрать устройство, в соотношении с необходимой мощностью.
Твердотельное реле цена определяется такими характеристиками:
- тип устройства,
- наличие крепежных элементов,
- материал, из которого изготовлен корпус,
- мгновенное или постепенное включение,
- наличие дополнительных функций,
- производитель,
- мощность,
- потребление электроэнергии,
- габариты прибора.
Во время покупки твердотельного реле, следует учесть один очень важный момент. Данные устройства должны работать с запасом мощности, который превышает мощность устройства в несколько раз. Если не придерживаться этого правила, при небольшом повышении мощности, прибор мгновенно выйдет из строя.
Рекомендуется использование специальных предохранителей, которые помогут избежать поломки реле.
Есть несколько разновидностей предохранителей:
- g R - используются во широком диапазоне мощностей, отличаются быстрым действием;
- g S - используются во всем диапазоне тока, защищаю элементы полупроводников от повышенных нагрузок электросети;
- a R - защищают элементы полупроводникового типа от возникновения коротких замыканий.
Такие устройства имеют достаточно высокую стоимость, которая приравнивается к стоимости самого реле, но они обеспечивают высокоэффективную защиту устройства от поломки.
Существуют другие предохранители, которые относятся к классу В, С и D. Они отличаются меньшим спектром защиты и более дешевой стоимостью.
Во время эксплуатации твердотельного реле, следует учесть, что данный прибор очень быстро нагревается. Если корпус устройства очень сильно нагрелся, то оно не способно коммутировать ток в обычном режиме, количество тока очень сильно снижается. Если температура нагрева достигнет 65 градусов, то прибор сгорит.
Поэтому во время использования реле обязательно требуется установка охлаждающего радиатора. И запас тока должен быть в три, четыре раза выше. Если производится регулировка двигателей асинхронного типа, то запас тока увеличивается в восемь-десять раз.
Особенности подключения твердотельного реле
Рекомендации по самостоятельному подключению твердотельного реле:
1. Соединения не требуют использования пайки, а осуществляются винтовым способом.
2. Чтобы избежать повреждения прибора нельзя допускать попадания в него пыли или элементов металлического происхождения.
3. Не разрешается прилагать недопустимые внешние воздействия на корпус устройства.
4. Не размещайте твердотельное реле рядом с легко воспламеняющимися предметами, а также не прикасайтесь к прибору, в то время когда он работает, чтобы избежать получения ожогов.
5. Перед включением реле следует убедиться в правильной коммутации соединений.
6. В случае нагрева корпусы выше 60 градусов, рекомендуется установка реле на радиатор охлаждения.
7. Чтобы избежать повреждения прибора нельзя допускать возникновения короткого замыкания на выходе.
strport.ru
Твердотельное реле переменного тока из недорогих компонентов
Многие статьи на этом сайте могут показаться тривиальными. Ну и пусть. Это результат моего личного опыта: мне надоело изобретать колесо снова и снова, и я решил публиковать любые электронные пустяшки, которые мне пригодились хотя бы раз.
Сегодня промышленность выпускает твердотельные реле (SSR) практически под любые требования, какие только можно себе представить. Только плати - и будет тебе черная коробочка, подав на вход которой несколько миллиампер можно управлять чем угодно: от слабых измерительных сигналов до многих киловатт нагрузки и более.
Маленький камушек оптореле, рассчитанный на коммутацию нескольких сот ватт от бытовой сети будет стоить порядка $10 или более. В то же время, если ограничиться твердотельным реле с максимальным током коммутации в 100мА - мы сразу попадаем в ценовую категорию в районе одного доллара.
Мощное оптореле своими руками
Предлагаю вот такую несложную схему, общая стоимость компонентов в которой едва ли превысит пару баксов. Используя "телефонное" твердотельное реле и широко распространённый симистор (идёт во всякие бытовые диммеры), можно управлять весьма большими мощностями.
- "Телефонное" твердотельное реле (SSR) = Lh2500 (datasheet)
- Симистор (TRIAC) = BT139
Демпферная цепочка из резистора и конденсатора, т.н. "snubber circuit", ставится для предотвращения нежелательного отпирания симистора в случае очень высокой скорости нарастания напряжения на коммутаторе. На практике, в приложениях типа управления лампами да моторами такое практически не случается. Но в любом случае советую оставить эту цепочку - она ведь ещё служит и хорошим подавителем помех. По поводу рассчёта этой цепи отсылаю моих читателей к замечательной работе от Fairchild Semiconductor: Application Note AN-3008 RC Snubber Networks for Thyristor Power Control and Transient Suppression (на английском, если действительно надо - спрашивайте, помогу разобраться).
Если быть педантичным, к схеме надо ещё добавить какой-нибудь вариант подавителя высоковольтных выбросов напряжения. К счастью, симисторы норовят сами просто открыться в подобных сценариях и ограничивают импульсы перенапряжения весьма эффективно. К тому же, в цивилизованном мире, наша схема будет ведь запитана через сообразный фильтр сетевых помех 😉
Как этим управлять
Схемы управления твердотельными реле могут быть очень разнообразны. В простейшем случае сгодится выход ТТЛ или КМОП логики с токоограничивающим резистором последовательно с управляющим входом реле.
В достаточно серьёзной системе, с потенциально длинными кабелями, разделяющими схемы управления и исполнительные (силовые) коробки, я использовал источники тока, управляемые непосредственно от микроконтроллера. Светодиод (1.7В падения) в данной схеме не несёт никакой особой функциональности кроме собственно индикации. Если он не нужен - сопротивление токозадающего резистора следует увеличить до 430 Ом, чтобы обеспечить ток управления в районе 10 мА.
Чтобы облегчить себе жизнь и позволить витым парам действительно перекручиваться так как им заблагорассудится - удобно поставить маленький диодный мостик прямо перед входом реле. Дополнительный резистор в 100 Ом защищает светодиод оптрона от немедленного сгорания в случае неверной коммутации и подачи не слишком высокого питающего напряжения прямо на вход нашего реле. К сожалению все эти удобства "роняют" на себе несколько дополнительных вольт напряжения, поэтому управлять схемой, что идёт ниже, надо источником тока с достаточно большим запасом по напряжению (вольт 12 хотя бы) - как раз сгодится предыдущая схема.
Внимание: приведённая в данной статье схема твердотельного реле противопоказана к применению в аудио разработках и рядом с ними. Несмотря на применение демпфирующей цепочки, а так же сколько бы дополнительных фильтров на неё ни навесить - производимые схемой переключательные помехи норовят самым неприятным образом просочиться в аудио сигнал. Кстати, фирменные твердотельные реле с контролем перехода через ноль на поверку шумят ещё больше.
Вот как фирма Siemens, выпускающая Lh2500, предлагает включать сей продукт в своей документации:
Application: Motor, Light, Heat, Solenoid Control [Приложения: управление моторами, освещением, обогревом и соленоидами]
Equipment: Industrial Controls, Programmable Controllers, Factory Automation Equipment, Appliances [Оборудование: индустриальные контроллеры, программируемые контроллеры, заводское оборудование, бытовая техника]
Есть вопросы? Пишите в комментариях.
Поделитесь статьёй со знакомыми.
myelectrons.ru
