Элементы коммутации в электрических цепях оборудования различного назначения оказывают большое влияние на качество работы. Поэтому им уделяется повышенное внимание, реле постоянно совершенствуются их надежность и сроки службы увеличиваются. Одним из наиболее эффективных видов реле является твердотельные изделия. Читайте также статью ⇒ Реле напряжения.
- Назначение и область применения твердотельных реле
- Преимущества твердотельных реле
- Конструкция твердотельных реле и принцип работы
- Виды твердотельных реле и схемы подключения
- Поэтапный процесс подключения ТТР (твердотельных реле)
- Критерии выбора твердотельных реле
- Использование андруино
- Ошибки, допускаемые при использовании твердотельных реле
- Характеристики цепей коммутации этих производителей
- Часто задаваемые вопросы
Назначение и область применения твердотельных реле
Твердотельные изделия предназначены для обеспечения замыкания и размыкания участков в высоковольтных и низковольтных электрических цепях. Они выполняют ту же функцию что и обычные реле с механическими размыкателями контактов на основе электромагнитной катушки. Основное отличие в том, что оно не имеет механических контактов и электромагнита, коммутация осуществляется полупроводниковыми приборами.
Область применения таких реле та же что и обычных, используются при необходимости коммутации элементов индуктивной нагрузки:
- В системах нагрева с электрическими тэнами;
- В производственных технологиях, где необходимо поддерживать стабильную температуру;
- Для коммутации цепей систем управления в комплексе различного оборудования;
- В некоторых случаях твердотельными реле заменяют бесконтактные пускатели реверсного типа;
- В схемах управления электродвигателями;
- В системах контроля и диагностики оборудования, нагрева трансформаторов и других элементов с установленными пределами определенных параметров в процессе эксплуатации;
- В схемах управления уровнем освещения на различных объектах.
Невозможно перечислить все варианты, сфера применения этих изделий очень обширна.
Преимущества твердотельных реле
В виду явных преимуществ, твердотельные реле в сравнении с электромагнитными образцами, успешно вытесняют последние, рассмотрим, в чем их основные достоинства:
- Конструкции твердотельных реле имеют компактные размеры, надежную герметичность, стойки к механическим ударам и эксплуатации в условиях сильной вибрации;
- Надежность работы этих изделий такова, что производители гарантируют число срабатываний больше миллиарда раз;
- Работа прибора абсолютно бесшумна, так как отсутствует электромагнит и трескучая группа механических контактов;
- Высокое быстродействие;
- При срабатывании отсутствуют побочные электромагнитные излучения, создающие помехи для электроники и радиотехнической аппаратуры;
- Твердотельные реле практически универсальны, имеют высокую степень защит. Могут применяться на объектах с любыми производственными условиями, в бытовых условиях или на взрывоопасных участках;
- Сроки эксплуатации рассчитаны на десятки лет, при этом не требуется регулярного технического обслуживания;
- Так как отсутствуют электромагниты, то потребление электроэнергии твердотельных реле на 90% ниже контактных.
К достоинствам можно отнести и удобную конструкцию для монтажа в различных местах установки.
Конструкция твердотельных реле и принцип работы
Название твердотельное, указывает на структуру конструкции реле, схема которого собрана из полупроводниковых приборов на печатных платах, тиристорах, транзисторах или симисторах. Все элементы помещаются в жесткий корпус, ингда заливаются эпоксидной смолой, таким образом, получается неразборная жесткая конструкция. С наружи выведены только контакты для управления и коммутации подключаемой нагрузки.
Фактически каждый отдельно взятый тиристор или транзистор является бесконтактным твердотельным реле. При подаче управляющего напряжения на полупроводниковый кристалл p-n-p переходы в его структуре открываются, пропуская ток, при снятии управляющего напряжения закрываются, останавливая поток электронов.
Обычное реле с электромагнитной катушкой и механическими контактами работает по такому же принципу. При подаче напряжения на электромагнитную катушку сердечник втягивается, размыкает или замыкает контакты в зависимости от конструктивных особенностей изделия.
Так как габариты полупроводников имеют малые размеры в одном корпусе можно разместить, комплексную систему коммутации групп контактов различного назначения с схемами на замыкание или размыкание. При этом используются транзисторы, симисторы, тиристоры с р-n—p или n—p—n переходами, в зависимости от функционального назначения применяют соответствующие твердотельные реле.
Структурная схема твердотельного реле с основными элементами
Изделия отличаются по техническим параметрам по величине коммутируемого тока, напряжению управления и многим другим параметрам. В большинстве случаев сигнал управления на входе предается оптическим путем, через подсветку светодиодом, фотодиода для включения коммутации.
Виды твердотельных реле и схемы подключения
Разновидности твердотельных реле разделяют по следующим признакам:
- По характеристикам напряжения управляющего сигнала постоянное или переменное, его величина;
- По напряжению на линии коммутации, так же переменного или постоянного тока;
- По количеству фаз, в цепях переменного тока, однофазные или трехфазные реле;
- По схемам коммутации в трехфазных цепях могут быть варианты с реверсом и без него;
- По конструкции корпуса, для монтажа на плоскую поверхность, на дин – рейку или универсальные.
В некоторых случаях в одном корпусе с реле устанавливаются инверторы напряжения, тогда на входе изделия переменное напряжение а на выходе получается постоянное или наоборот, в зависимости от назначения инвертора. Полупроводниковые реле способны коммутировать нагрузку в цепи с токами до сотен ампер.
Такие изделия применяют для управления работой асинхронных электродвигателей с питанием 380/220В. С левой стороны две клеммы для подачи управляющего напряжения постоянного тока с указанием полярности, величина от 4 до 32 В.
На контакты R—S—T подключаются три фазы по 220В от РЩ, к клеммам U—V—W провода, идущие к электродвигателю. При кратковременной подаче управляющего напряжения постоянного тока 12 или 24В все три фазы замыкаются, и ток поступает на обмотки электродвигателя.
Существуют реле с более простой схемой коммутации одной фазы, для подключения осветительной системы, нагревательных приборов и другого оборудования с питанием от 220 В.
Такое реле коммутирует однофазные цепи, принцип действия аналогичный на контакты управления подается напряжение постоянного тока от 3 до 18 В, в результате чего открывается тиристор пропуская ток через коммутируемую фазу.
На корпусе указаны основные технические характеристики этой модели. Напряжение в цепи коммутации должно быть не более 240 А, токи нагрузки не более 2.5А.
В данной схеме в цепи управления и коммутации используются напряжения с постоянным током. Такие варианты часто применяются в схемах электроснабжения автомобильного транспорта, где источником питания является аккумулятор.
Поэтапный процесс подключения ТТР (твердотельных реле)
Рассмотрим один из простейших вариантов подключения полупроводникового реле в систему освещения:
- В распределительной коробке, РЩ или на другом участке цепи делается разрыв фазного провода;
- В этот разрыв подключается реле, контактами для коммутации цепи;
- На контакты управления с соблюдением полярности подключаются провода от источника питания постоянного тока, это может быть аккумулятор, трансформаторный или полупроводниковый инвертор.
Подключение цепи управления делается через кнопку пуска, так как достаточно кратковременно подать напряжение для открытия тиристора и замыкания цепи. При подаче управляющего напряжения и замыкании цепи коммутации светится светодиодный индикатор, при размыкании он гаснет.
- Обычно реле и блок питания для цепи управления крепятся к плоской поверхности саморезами или в распределительных шкафах на дин-рейку.
Такие схемы коммутации в системах освещения в целях безопасности производства эффективно применяются на объектах химической, горнодобывающей промышленности. Везде где есть вероятность взрыва в загазованном пространстве, отсутствие искрящих механических контактов существенно снижает вероятность взрыва. Читайте также статью ⇒ Реле тока приоритетное.
Критерии выбора твердотельных реле
Выбор полупроводникового реле определяет несколько факторов:
- Функциональное назначение схемы с нагрузкой, в которой его планируется использовать;
- Условия эксплуатации, влажность, окружающая температура;
- Технические параметры цепи питания схемы оборудования.
В первую очередь определяется ток, проходящий через цепи коммутации, для этого мощность нагрузки надо поделить на напряжение питания.
In = P\U
Если в системе подключается нагревательный тэн мощностью 1.5 кВт, контакты реле должны выдерживать ток 1500Вт\ 220В = 6,8 А. Но обычно для запаса выбирают на 25% больше расчетной величины, это делается по причине неравномерного потребления тока на различных этапах работы нагрузки. Приборы могут быть индуктивной или реактивной нагрузкой в цепи, реактивная нагрузка в момент включения имеет пиковый скачек по величине потребляемого тока. Кратковременные скачки тока существенно снижают сроки службы полупроводников в реле, поэтому их устанавливают с запасом мощности. Характер нагрузки приборов исследован, рассчитан специальный коэффициент, на который умножается расчетное значение тока.
| Коммутируемая реле нагрузка | Коэффициент |
| Лампы со спиралью накаливания | 6 |
| Светодиодные светильники | 1 |
| Схемы управления двигателем, драйверы | 6 |
| Люминесцентные экономичные лампы | 10 |
| Понижающие трансформаторы | 20 |
| Нагревательные элементы, ни ромовые спирали, тэны, кипятильники | 1 |
В нашем случае нагревательный элемент с коэффициентом 1 х 6.8 = 6.8А.
Для индуктивных нагрузок желательно кратковременный процесс переключения, поэтому управление реле делаются со схемами, где полупроводниковые элементы открываются в любой момент фазы или при нулевом ее значении.
Совет №1 Переключение в нулевой момент эффективно в радиоэлектронных системах, где исключается возникновение электромагнитного импульса создающего помехи.
Совет №2 Там где требуется плавное увеличение токовой нагрузки целесообразно использовать реле с переменным сопротивлением. При увеличении управляющего напряжения увеличивается напряжение не стороне коммутации.
Для управления в системах цифровой техники логично использовать реле с управляющим напряжением 3-5В постоянного тока, так как сигналы управления в этих схемах имеют такие параметры.
Большое значение имеет температура окружающей среды, полупроводниковые элементы эффективно работают до 80 ̊С. Поэтому в некоторых случаях реле устанавливают на металлический радиатор, который отводит тепло или делают принудительную вентиляцию. В любом случае чтобы реле работало долго и надежно надо учитывать все детали условия эксплуатации и подбирать соответствующие технические характеристики.
Использование андруино
Для расширения возможностей и сфер применения твердотельных реле широко используют универсальные платы с процессором андруино, которые позволяют управлять переключением самых разных устройств. Это тот случай, когда сигнал управления 3-5В, процессор подключается к компьютеру, с соответствующим программным обеспечением которое управляет работой твердотельных реле, посылая на вход сигналы управления.
Программное обеспечение можно корректировать самостоятельно, методика С++ не сложная, доступна для обычного обывателя не имеющего специального образования программиста и навыков в электронике. Эта тема требует отдельного детального рассмотрения. Управление осуществляется работой различных устройств:
- Замыканием кнопки пуска любого устройства (звонка, освещения, звуковой сигнализации);
- Поворотом устройства приводов;
- Включением электромоторов;
- Включением датчиков освещения;
- При пресечении лазерного луча в охранных системах сигнализации;
- Срабатывание датчиков движения;
- Датчики температур, управляющие отопительной системой;
- Отправлять сигналы на другой андруино и много других функций.
Ошибки, допускаемые при использовании твердотельных реле
- Чаще всего потребители не правильно делают выбор реле по техническим характеристикам, в результате чего оно не работает или быстро выходит из строя;
Характеристики входных сигналов управления твердотельных реле различных производителей
| Марка реле/ параметры | серия протон импульс 5П19.20 | Crydom H12D4825D PBF | Teledyne Relays SD48D50A2 | Carlo Gavazzi RA2A48D25 | Celduc SOB562460 |
| Величина напряжения постоянного тока в В. | 10 — 30 | 4 — 15 | 10 – 30 | 4.5 — 32 | 3.5 — 32 |
| Минимальная амплитуда срабатывания в В. | 1 | 1 | 1 | 1-2 | 1-2 |
| Входной ток мА. | 10 — 25 | 13 | 3 | До 10 | 13 |
Характеристики цепей коммутации этих производителей
| Марка реле/ параметры | Протон импульс 5П19.20 | Crydom H12D4825D PBF | Teledyne Relays SD48D50A2 | Carlo Gavazzi RA2A48D25 | Celduc SOB562460 |
| Коммутируемое напряжение в В. | 30 — 540 | 50 — 530 | 25 — 600 | 40 — 530 | 25 — 600 |
| Коммутируемый ток в А. | 0.06 — 25 | 0.15 — 25 | 0.005 — 50 | 0.15 — 25 | 25 |
| Пиковое напряжение в В. | 1200 | 1200 | 1200 | 1200 | 1200 |
| Пиковый ток в А. | 300 | 250(16,5мс) | 550 | 300(10мс) | 230 |
| Рабочая температура. | — 40…+85 ̊С | — 40…+80 ̊С | — 40…+100 ̊С | — 20…+80 ̊С | — 40…+100 ̊С |
- При монтаже изделий для сетей 220 и 380В старайтесь их размещать в РЩ, а не в распределительных коробках и подрозетниках. Это упростит монтаж и доступ при необходимости изменения схемы или ремонта;
- Обязательно учитывайте полярность при подключении цепи управления и выхода реле с постоянным током.
Часто задаваемые вопросы
- Как защитить реле от скачков тока и напряжения в аварийных ситуациях?
В первую очередь устанавливайте изделия, которое соответствует по техническим параметрам цепи, в которой производится коммутация. При коротком замыкании большинство реле выдерживают повышенную нагрузку до 10 мс, в этом случае рекомендуется ставить полупроводниковые предохранители, которые отключают цепь за 2 мс. И реле и предохранители стоят не дешево, но защита дорогостоящего оборудования вполне оправдывает затраты.
- Какое пиковое напряжение реле надо выбрать в цепях 220В?
Реле через которое коммутируются цепи с переменным напряжением в 220В рекомендуется выбирать с 9 классом по напряжению, оно выдерживает пиковые скачки до 900В.