Твердотельные реле: подробное описание устройства

Твердотельное реле (ТТР) – полупроводниковое устройство, применяемое для создания контакта между низковольтными и высоковольтными цепями, является современной альтернативой традиционным пускателям и контакторам. Применяется в бытовой технике, промавтоматике, автомобильной электронике. Эти устройства могут иметь разные конструкции и схемы подключения, рассчитанные на применение в определенной группе приборов. В отличие от электромеханических аналогов электронные коммутаторы не имеют трущихся частей, а их основными узлами являются: симисторы, тиристоры, транзисторы.

Структура

Твердотельное реле включает в себя твердотельную электронику с высокомощностной цепью и специальный датчик, реагирующий на управляющий сигнал (вход). Такое оборудование может быть задействовано в сетях переменного и постоянного тока.

В схему твердотельного реле входят:

• вход – первичная цепь, основные функции которой – прием и передача сигнала устройству, коммутирующему нагрузку;
• триггерная цепь – может быть отдельным элементом или входить в устройство оптической развязки твердотельного реле;
• оптическая развязка – изолирует входную и выходную цепи переменного тока; конструкция опторазвязки определяет тип электронного коммутатора и принцип его действия;
• переключающая цепь – служит для передачи напряжения на нагрузку;
• цепь защиты – может быть внутренней или наружной, предотвращает появление нештатных режимов и ошибок.

Принцип работы твердотельных реле

Основная задача, решаемая применением твердотельных реле, – руководство автоматикой в сетях с напряжением 12–480 В, коммутация приборов с индуктивной нагрузкой. Рядовое исполнение коммутатора подразумевает наличие двух контактов обслуживаемой сети и двух управляющих проводов. При увеличении количества фаз число контактов и управляющих проводов увеличивается.

Замыкание и размыкание контактов, при которых подается или прекращается подача напряжения на нагрузку, осуществляются при участии активатора твердотельного реле. Его функции выполняют:

• в устройствах на переменном токе – полупроводники тиристоры или симисторы;
• в потребителях постоянного тока – транзисторы.

Если в электромеханическом реле при отключении контакты находятся в полностью разомкнутом состоянии, то в твердотельном коммутаторе отсутствие тока в цепи обеспечивают полупроводниковые приборы. При высоких напряжениях они могут давать токи «утечки», снижающие эффективность работы потребителей.

Имея чуть большее сопротивление в замкнутом состоянии, ТТР менее приспособлены к превышению допустимых напряжений и токов (кратковременные перегрузки), в отличие от их электромеханических аналогов. Главное отличие твердотельных реле от электромагнитных устройств заключается в отсутствии подвижной контактной группы и катушки управления, а также повышенное быстродействие.

Характеристики твердотельных реле

Основные преимущества ТТР:

• высокое быстродействие;
• включение цепи без электромагнитных помех;
• допускается эксплуатация во взрывоопасных условиях;
• бесшумность контактов;
• гарантированность срабатываний.

Другие преимущества этих полупроводниковых устройств, обеспечивающие популярность их применения в современной электронике и автоматике:

• малое энергопотребление – на 90% меньше, по сравнению с электромагнитными реле;
• компактные габариты, обеспечивающие удобную транспортировку и монтаж;
• конструкция, устойчивая к механическим воздействиям;
• длительный рабочий период, отсутствие потребности в проведении периодического техобслуживания;
• обеспечение надежной изоляции между входными и коммутационными цепями;
• совместимость с большинством компонентов логических интегральных схем без использования усилителей сигнала, буферов, драйверов.

Недостатки ТТР:

• необходимость использования радиаторов охлаждения и дорогостоящих предохранителей,
• вероятность появления оттоков «утечки» в отключенном состоянии
• высокая цена (обусловлена надежной защитой от перегрузок).

Основные области применения

Твердотельные реле эффективны при необходимости коммутации индуктивной нагрузки. Они применяются:

• в системах, регулирующих температуру при помощи ТЭНа;
• для обеспечения постоянного термического режима техпроцесса;
• для коммутирования управляющих цепей;
• в цепях изменения скорости вращения электродвигателя;
• для контроля нагрева, обеспечения нормальных рабочих режимов трансформаторов и других приборов;
• в осветительных цепях для регулирования уровня освещения – на концертах, дискотеках, шоу.

Эти полупроводниковые устройства могут использоваться как в бытовых приборах, так и в промавтоматике, для функционирования которой требуется трехфазное напряжение.

Разновидности твердотельных реле

Эти полупроводниковые устройства разделяются по типу нагрузки на одно- и трехфазные. Однофазные твердотельные реле работают с токами 10–120 А, 100–500 А, фазовое управление осуществляется аналоговыми сигналами. С помощью трехфазных твердотельных реле управляют током сразу на трех фазах. Рабочий интервал тока – 10–120 А. Разновидностью трехфазных моделей являются коммутаторы реверсивного типа. Их отличия: бесконтактная коммутация и особая маркировка. Эти устройства эффективно соединяют и разъединяют каждую цепь по отдельности. Защитные компоненты предотвращают ложные срабатывания. Трехфазные устройства имеют более длительный эксплуатационный период, по сравнению с однофазными.

По характеру контролируемого и коммутируемого напряжения различают следующие типы твердотельных реле.

• Постоянного тока. Надежны, изготавливаются со световой индикацией, имеют широкий диапазон рабочих температур: от -30°C до +70°C.
• Переменного тока. Для таких полупроводниковых устройств характерны: бесшумность работы, малый уровень электромагнитных помех, высокое быстродействие, энергосберегающие характеристики.
• С ручным руководством. В этих моделях режим работы можно настраивать самостоятельно.

Классификация твердотельных реле по способу коммутации:

• устройства для обеспечения мгновенного срабатывания;
• модели для коммутации слабоиндуктивных, редуктивных, емкостных нагрузок;
• с наличием управления по фазам – используются для осветительных приборов и нагревательных элементов.

Разновидности по конструкции:

• разработанные для монтажа на DIN-рейки;
• универсальные, монтируются на переходные линейки.

Какие параметры важны при выборе твердотельных реле?

Эти полупроводниковые устройства приобретают в соответствии с запланированной областью применения. При покупке учитывают:

• мощность – запас мощности должен превышать величину, необходимую для обслуживания определенного оборудования, в несколько раз, если модель используется для запуска асинхронного двигателя, то запас должен составлять 6–10 раз;
• материал изготовления корпуса, его соответствие условиям, в которых будет эксплуатироваться устройство;
• габариты корпуса;
• тип крепежных элементов;
• моментальное или постепенное быстродействие;
• наличие дополнительных эксплуатационных возможностей;
• энергопотребление;
• бренд.

Виды предохранителей для твердотельных реле

Для сохранения работоспособности этих устройств их используют в комплексе с различными типами предохранителей, различающихся между собой по эксплуатационным характеристикам. Эти устройства стоят достаточно дорого, их цена сопоставима со стоимостью самого реле. Однако такие затраты оправдываются надежностью работы приборов.

• g R – быстро реагируют, работают в широком диапазоне мощностей.
• g S – пригодны для полного интервала токов.
• a R – эффективны для защиты от коротких замыканий.

Меньшим защитным диапазоном обладают предохранители классов B, С, D, но и стоят они гораздо дешевле, по сравнению с перечисленными выше аналогами.

Особенности подключения твердотельного реле

Включить прибор в общую цепь можно самостоятельно. Монтаж облегчает отсутствие пайки. Прибор подсоединяют винтовыми крепежными элементами.

При проведении монтажных работ необходимо:

• избегать попадания металлических предметов, загрязнений, пыли;
• не прилагать механические воздействия на корпус;
• размещать устройство вдали от легковоспламеняющихся предметов;
• перед пуском устройства в работу проверить правильность подключений.

Внимание! Во время эксплуатации нельзя прикасаться к корпусу устройства во избежание ожогов. При нагреве модели во время работы до температуры, превышающей +60°C, рекомендуется устанавливать ее на радиатор охлаждения. В основном высокий нагрев происходит при частых включениях электронного коммутатора.

Возможные схемы подключения твердотельных реле

Существует множество вариантов подключения твердотельного реле, конкретный способ выбирается, в зависимости от характеристик подключаемой нагрузки. Приведем наиболее простые и распространенные схемы.

• Нормально открытая. Нагрузка находится под напряжением в присутствии сигнала управления.
• Нормально закрытая. Нагрузка находится под напряжением при отсутствии управляющего сигнала.
• Схемы подключения контактов трехфазных твердотельных реле – «звезда» без нейтрали и с нейтралью, «треугольник».

Примеры обозначения твердотельных реле на схеме

Видеообзор