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

Оглавление

Принцип работы и устройство

Твердотельные реле позволяют объединить высоковольтные и низковольтные цепи.

Большинство устройств твердотельных реле имеет общую концепцию с различными дополнениями и изменениями, не влияющими на принцип работы.

Что такое твердотельное реле? Это устройство, состоящее из следующих элементов:

входного узла;
системы оптической развязки;
триггерной цепи;
переключателя;
защиты.

В качестве входа используется первичная цепь с резистором. Подключение последовательное. Задача цепи входа — принять сигнал и предать команду коммутатору.

Изоляцией входной и выходной цепи служит устройство оптической развязки. Его тип обусловливает принцип работы и вид реле.

Триггерная цепь обрабатывает входной сигнал и переключает выход. В зависимости от модели контактора, она может быть частью оптической развязки либо самостоятельным элементом.

Для подачи напряжения применяется цепь переключателя. В данной операции задействуют симистор, кремниевый диод и транзистор.

Защитная цепь необходима для предотвращения появления ошибок и прочих сбоев в работе. Она бывает внешнего или внутреннего вида.

Принцип работы твердотельного реле состоит в замыкании и размыкании коммутируемых контактов, передающих напряжение на устройство. Чтобы контакты начали работать, требуется активатор. Эту задачу выполняет твердотельный прибор. Устройства, работающие на постоянном токе, используют транзистор, на постоянном — симистор или тиристор.

Каждый прибор, имеющий ключевой транзистор, является твердотельным контактором. В качестве примера можно рассмотреть датчик света, осуществляющий передачу напряжения с помощью транзистора.

Оптическая цепь нейтрализует гальванический эффект, который образуется в результате напряжения между контактами и катушкой.

Watch this video on YouTube

Однофазные компактные твердотельные реле для коммутации слаботочной нагрузки MD-0544.ZD3

Выберите модификацию

Твердотельные реле KIPPRIBOR серии MD-xx44.ZD3 являются наиболее бюджетный решением для коммутации маломощной резистивной и слабоиндуктивной нагрузки среди всего многообразия ТТР, представленных сегодня на рынке.

Особенности управления и коммутации нагрузки

Широкий диапазон управляющего сигнала 3…32 VDC.
Тип нагрузки и рекомендуемый предельный ток коммутации: слаботочная резистивная нагрузка от 4 до 12 А (в зависимости от модификации);
маломощная слабоиндуктивная нагрузка до от 0,5 до 1,5 А (в зависимости от модификации).

Максимальный ток нагрузки от 5 до 15 А (в зависимости от модификации).
Широкий диапазон коммутируемого напряжения 24…440 VAC.
Коммутация при переходе напряжения через «ноль» снижает коммутационные помехи.
Высокое значение пикового напряжения 900 VAC (9 класс).
Подходят для коммутации как однофазной, так и трехфазной нагрузки.
Позволяют коммутировать трехфазную нагрузку с любой схемой включения:

звезда;

звезда с нейтралью;
треугольник;
Оптимально подходят для коммутации цепей управления в системах ПИД- и ON/OFF-регулирования, управляемых приборами типа ТРМ500, ТРМ101, ТРМ210 или контроллерами ОВЕН ПЛК.
Совестно с приборами ОВЕН ТРМ12, ТРМ212, ТРМ148 и т.п. успешно применяются в котельной автоматике для управления исполнительными механизмами типа МЭО и электроприводами KIPVALVE DCL-05…DCL-20 и т.п.

ВНИМАНИЕ! Если значение коммутируемого тока ≥ 5 А, то использование радиатора охлаждения строго обязательно!

Конструктивные особенности твердотельных реле серии MD-xx44.ZD3

Твердотельные реле серии MD-xx44.ZD3 ориентированы на коммутацию слаботочной нагрузки. Малый ток нагрузки, протекающий через ТТР, вызывает сравнительно небольшой нагрев его силового ключа. Это в свою очередь позволяет применять наиболее экономичные конструктивные решения по отводу избыточного тепла:

Алюминиевое основание в сравнении с медным является более экономичным решением, но обеспечивает при этом необходимый теплоотвод при коммутации слаботочной нагрузки.
Симисторный силовой элемент, являясь бюджетным решением для ТТР, обеспечивает надежную коммутацию рекомендуемых токов для данной серии твердотельных реле.
Встроенная RC-цепочка, шунтирующая выход, повышает надежность работы ТТР в условиях импульсных помех, особенно при коммутации индуктивной нагрузки.

Особенности корпуса твердотельных реле серии MD-xx44.ZD3

Корпус ТТР MD-xx44.ZD3 выполнен из специального пластика, обладающего высокой термостойкостью. Данный материал аналогичен по своим свойствам карболиту, но не обладает хрупкостью. Прочностные свойства корпуса обеспечивают его целостность даже при возникновении короткого замыкания.
Компактный корпус.
Все электронные компоненты твердотельного реле и элементы его корпуса полностью залиты компаундом. Это делает корпус ТТР абсолютно герметичным и препятствует попаданию внутрь пыли и влаги, обеспечивая надежную и стабильную работу ТТР даже в неблагоприятных условиях эксплуатации (степень защиты IP 54 по ГОСТ 14254 без учета клемм присоединения).

Виды ТТР

Где купить такие реле, не выходя из дома — см. ссылки в конце статьи.

Твердотельные реле по устройству и принципу работы можно разделить на следующие разновидности:

По виду управляющего напряжения – переменное или постоянное (дискретные). Иногда на вход подключается переменный резистор, т.е. используется аналоговое управление, соответственно и выходное напряжение меняется плавно, как в диммере для освещения.
По виду коммутируемого напряжения – переменное или постоянное.
По количеству фаз для переменного напряжения – одна или три.
Для трехфазных – с реверсом или без.
По конструкции – монтаж на поверхность или на ДИН-рейку. Хотя, практически все производители предлагают переходные планки для универсального монтажа.

Кроме того, стандартной опцией для коммутации переменного напряжения является переключение в момент перехода через ноль.

(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

Выше уже было фото ТТЛ, у которого вход — постоянное напряжение, выход — переменное (АС-DC). Вот ещё какие реле у меня есть сейчас под рукой:

SSR OMRON DC-DC. Вход — постоянное напряжение до 24 В, выход — тоже постоянное, до 200 В

SSR FOTEK DC-DC — твёрдотельные реле постоянного тока

Этими двумя моделями реле удобно коммутировать нагрузку с постоянным напряжением 24 Вольта, когда управляющий сигнал (тоже 24 В) приходит с выхода контроллера или с датчика. Можно сказать, что это такие компактные усилители тока. Причем коэффициент усиления при этом — около 1000, поскольку ток управляющей цепи — менее 10 мА.

Дальше-больше. Ниже показано трехфазное твердотельное реле. На его входы R, S, T подается три фазы 380В, а с его выходов U, V, W напряжение подается на асинхронный двигатель или трехфазный ТЭН.

Fotek 3 phase. Трехфазное твердотельное реле

Это реле работает (по результатам работы) примерно, как магнитный пускатель с катушкой 24 VDC.

Как подключить электродвигатель через магнитный пускатель — подробно расписано на сайте здесь.

Управляющие контакты показаны поближе:

Fotek 3 phase. Входные управляющие контакты

Видите на фото, под управляющие контакты предусмотрено ещё одно место, которое в данном случае не используется? На этом месте у другой модели подается сигнал реверса. То есть, при подаче на один вход фазы через реле коммутируются для прямого вращения двигателя, при подаче на другой вход — для обратного.

Кто не в курсе — прямое вращение — это когда двигатель крутится по часовой стрелке, если смотреть ему «в зад». Как поменять направление вращения двигателя — поменять местами любые две фазы.

По теме рекомендую почитать мою статью по трем фазам и отличии трехфазного питания от однофазного.

Трехфазные реле с реверсом бывают с коммутацией двух фаз, третья подключена к двигателю постоянно.

А теперь представьте, столько места занимает и сколько шума при работе создает обычное реверсивное реле на такой ток? То-то и оно!

Вот такое же ТТЛ, но помощнее и с управлением от переменки 220В.

Fotek TSR-40AA-H 3 phase 40A

Если кому-то придёт в голову, можно кнопкой звонка или герконом запускать двигатель мощностью 10 кВт!

С мощностью не всё так оптимистично, но об этом в конце статьи.

В следующем разделе статьи показана схема, кнопка звонка может стоять как раз в цепи управления.

Виды устройств

Для корректной работы твердотельного реле при маленьких токах нагрузки соизмеримых с током утечки необходимо устанавливать шунтирующее сопротивление параллельно нагрузке. 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.

Остальное наглядно демонстрирует схема: Схема включения твердотельного реле Характеристики Естественно, у каждой фирмы, предлагающей такие приборы, свои параметры и модели. А теперь давайте рассмотрим более детально процесс изготовления устройства.

Параметры мощности — от 3 до 32 Вт.

Обобщённая схема ТТР, наглядно показывающая, каким образом функционирует электронный прибор: 1 — источник напряжения управления; 2 — оптопара внутри корпуса реле; 3 — источник тока нагрузки; 4 — нагрузка Проходящий через фотодиод ток приходит на управляющий электрод ключевого транзистора или тиристора. Чтобы избежать возникновения перенапряжений при использовании реле, следует обязательно приобрести варистор или предохранитель быстрого действия. 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.

Характеристики твердотельного реле

Сначала давайте рассмотрим входные характеристики оптоизолятора MOC доступны другие опто-триаки. В устройствах которые работают при переменном токе это тиристор или симистор, а для приборов с постоянным током — транзистор. От типа и особенностей развязки зависят общие конечные характеристики прибора и особенности его работы.

Отличия несущественные, на работу не влияют никак. Высокий уровень быстродействия позволяет избежать дребезга контактов во время работы устройства.

Таким образом, при использовании ТТР следует обращать внимание на характеристики переключаемых напряжений. Такие схемы отличаются высокой сложностью и лучше купить готовый прибор. Остальное наглядно демонстрирует схема: Схема включения твердотельного реле Характеристики Естественно, у каждой фирмы, предлагающей такие приборы, свои параметры и модели

Например, во время эксплуатации мощных устройств возникает необходимость в применении дополнительного элемента для отвода тепловой энергии

Остальное наглядно демонстрирует схема: Схема включения твердотельного реле Характеристики Естественно, у каждой фирмы, предлагающей такие приборы, свои параметры и модели. Например, во время эксплуатации мощных устройств возникает необходимость в применении дополнительного элемента для отвода тепловой энергии.

Проверим это на практике, допустим вы столкнулись с таким изделием как на рисунке ниже, и хотите узнать, что оно собой представляет. Охлаждение Еще одним немаловажным фактором для надежной работы твердотельных реле является его рабочая температура. В его конструкции имеются силовые ключи на симисторах, тиристорах или транзисторах.
Твёрдотельное реле. Что это такое и как работает? Испытание на практике

Что такое твердотельные реле и их классификация

Самодельное твердотельное реле

Твердотельные реле (или ТТР) – это электронные приборы со структурой, не содержащей механических компонентов. Принцип их действия основан на особенностях работы полупроводниковых переходов, отличающихся высокой скоростью коммутаций и защищенностью от физических полей.

Переключение твердотельных реле основано на принципе срабатывания электронного ключа.

В качестве ключевых элементов в этих изделиях традиционно применяются такие распространенные электронные компоненты, как транзисторы, управляемые диоды или тиристоры. В зависимости от используемых при их изготовлении структур ТТР подразделяются на приборы, построенные на основе одного из перечисленных элементов (реле на симисторах, например).

В соответствии с режимами работы и по виду коммутируемых напряжений образцы твердотельных реле, изготавливаемых на базе полупроводников, делятся на следующие группы:

устройства, коммутирующие постоянный ток;
приборы, управляющие работой нагрузочных линий с переменными токовыми параметрами;
универсальные изделия, работающие в различных цепях.

Для первых устройств характерно управление постоянными напряжениями величиной не более 32 Вольт. Представители двух оставшихся позиций способны коммутировать значительные по величине потенциалы (вплоть до десятков киловольт).

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 🙁

Твердотельное реле своими руками: рекомендации по подбору деталей и монтаж корпуса

F1 — предохранитель на 100 мА.
S1 — любой маломощный переключатель.
C1 — конденсатор 0.063 мкФ 630 Вольт.
C2 — 10–100 мкФ 25 Вольт.
C3 — 2.7 нФ 50 Вольт.
C4 — 0.047 мкФ 630 Вольт.
R1 — 470 кОм 0.25 Ватт.
R2 — 100 Ом 0.25 Ватт.
R3 — 330 Ом 0.5 Ватт.
R4 — 470 Ом 2 Ватта.
R5 — 47 Ом 5 Ватт.
R6 — 470 кОм 0.25 Ватт.
R7 — варистор TVR12471, или подобный.
R8 — нагрузка.
D1 — любой диодный мост на напряжение не менее 600 Вольт, или собрать из четырёх отдельных диодов, например, 1N4007.
D2 — стабилитрон на 6.2 Вольта.
D3 — диод 1N4007.
T1 — симистор ВТ138-800.
LED1 — любой сигнальный светодиод.

Учитывая конструкционную особенность прибора (монолит), схема собирается не на текстолитовой плате, как это принято, а навесным монтажом.

Вот такой выглядит самодельная конструкция твердотельного реле. Сделать нечто подобное несложно. Нужны лишь базовые навыки электронщика и электрика. Материальные затраты небольшие

Схемотехнических решений в этом направлении можно отыскать множество. Конкретный вариант зависит от требуемой коммутируемой мощности и прочих параметров.

Перечень элементов простой схемы для практического освоения и построения твердотельного реле своими руками следующий:

Оптопара типа МОС3083.
Симистор типа ВТ139-800.
Транзистор серии КТ209.
Резисторы, стабилитрон, светодиод.

Благодаря использованию оптопары МОС3083 в схеме формирования сигнала управления величина входного напряжения может изменяться от 5 до 24 вольт.

А за счёт цепочки, состоящей из стабилитрона и ограничительного резистора, снижен до минимально возможного ток, проходящий через контрольный светодиод. Такое решение обеспечивает долгий срок службы контрольного светодиода.

Проверка работоспособности твердотельного реле с помощью измерительного прибора. Если на вход устройства подано управляющее напряжение, переход симистора должен быть открыт

Режим измерений тестера нужно выставить на «мОм» и подать питание (5-24В) на схему генерации напряжения управления. Если всё работает правильно, тестер должен показать разницу сопротивлений от «мОм» до «кОм».

Под основание корпуса будущего твердотельного реле потребуется пластина из алюминия толщиной 3-5 мм. Размеры пластины некритичны, но должны соответствовать условиям эффективного отвода тепла от симистора при нагреве этого электронного элемента.

Читать далее: Монтаж септика Топас своими руками

Каркас под заливку корпуса будущего прибора. Делается из картонной полосы или других подходящих материалов. На алюминиевой подложке закрепляется универсальным клеем

На следующем этапе подготовленная пластина оснащается «опалубкой» — по периметру приклеивается бордюр из плотного картона или пластика. Должен получиться своеобразный короб, который в дальнейшем будет залит эпоксидной смолой.

Внутрь созданного короба помещается собранная «навесом» электронная схема твердотельного реле. На поверхность алюминиевой пластины укладывается только симистор.

Закрепление симистора на алюминиевой подложке. Главное условие – этот электронный компонент необходимо плотно прижать к металлическому основанию. Только так обеспечивается качественный теплоотвод и надёжность работы

Никакие другие детали и проводники схемы не должны касаться алюминиевой подложки. Симистор прикладывается к алюминию той частью корпуса, которая рассчитана под установку на радиатор.

Следует использовать теплопроводящую пасту на площади соприкосновения корпуса симистора и алюминиевой подложки. Некоторые марки симисторов с неизолированным анодом обязательно требуется ставить через слюдяную прокладку.

Вариант крепления симистора к подложке при помощи клёпки. С обратной стороны клёпка расплющивается заподлицо с поверхностью подложки

Симистор нужно плотно прижать к основанию каким-то грузом и залить по периметру эпоксидным клеем либо закрепить каким-то образом без нарушения глади обратной стороны подложки (например, заклёпкой).

Принцип работы твердотельного реле

Рис. №3. Схема работы с использованием твердотельного реле. В положении выключено, когда на входе наблюдается 0 В, твердотельное реле не дает пройти току через нагрузку. В положение включено, на входе есть напряжение, ток идет через нагрузку.

Основные элементы регулируемой входной цепи переменного напряжения.

Регулятор тока служит для поддержки неизменного значения тока.
Двухполупериодный мост и конденсаторы на входе в устройство служат для преобразования сигнала переменного тока в постоянный.
Встроенный оптрон оптической развязки, на него подается питающее напряжение и через него протекает входной ток.
Тригерная цепь служит для управления эмиссией света встроенного оптрона, в случае прекращения подачи входного сигнала ток прекратит свое протекание через выход.
Резисторы, расположенные в схеме последовательно.

В твердотельных реле используется два распространенных типа оптических развязок – семистор и транзистор.

Симистор обладает следующими преимуществами: включение в состав развязки тригерной цепи и ее защищенность от помех. К недостаткам следует отнести дороговизну и необходимость больших величин тока на входе в устройство, необходимого для переключения выхода.

Рис. №4. Схема реле с семистором.

Тиристор — не нуждается в наличии большого значения тока для переключения выхода. Недостаток – нахождение триггерной цепи вне развязки, а значит большее число элементов и слабая защита от помех.

Рис. №5. Схема реле с тиристором.

Рис. №6. Внешний вид и расположение элементов в конструкции твердотельного реле с транзисторным управлением.

Принцип работы твердотельного реле типа SCR полупериодного управления

При прохождении тока через реле исключительно в одном направлении величина мощности снижается почти на 50%. Для предотвращения этого явления используют два параллельно подключенных SCR, расположенные на выходе (катод соединяется анодом другого).

Рис. №7. Схема принципа работы полупериодного управления SCR

Типы коммутирования твердотельных реле

Управление коммутационными действиями при переходе тока через ноль.

Рис. №8. Коммутация реле при переходе тока через ноль.

Используется для резистивной нагрузки в системах управления и контролирования нагревательных устройств. Использование в слабоиндуктивных и емкостных нагрузках.

Фазовое управление твердотельным реле

Рис.№9. Схема фазного управления.

Основные показатели для выбора твердотельных реле

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

Ориентировочные примеры выбора реле при превышении тока

Нагрузка активной мощности, например, ТЭН – запас 30-40%.
Электродвигатель асинхронного типа, 10 кратный запас по току.
Освещение с лампами накаливания – 12 кратный запас.
Электромагнитные реле, катушки – от 4 до 10 кратного запаса.

Рис. №10. Примеры выбора реле при активной нагрузке по току.

Такой электронный компонент электрических цепей как твердотельное реле становиться обязательным интерфейсом в современных схемах и обеспечивает надежную электрическую изоляцию между всеми задействованными электроцепями.

Пишите комментарии,дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

Разновидности реле

Реле контроля напряжения однофазное цифровое на DIN-рейку

Релейные устройства классифицируются по нескольким параметрам.

Количество фаз

Подразделяются на:

однофазные – предназначены для подачи напряжения в жилых помещениях;
трехфазные – подходят для применения в промышленных условиях.

Тип переключения

Можно приобрести модели:

максимальные – повышают параметр напряжения до определенной величины;
минимальные – понижают показатель до заданного значения.

Порог напряжения пользователем не устанавливается.

Тип активации воспринимающего элемента

Реле промежуточное РП-18-54 220В DC

Воспринимающий элемент, по включению которого будет работать прибор, – это электромагнит, магнитоэлектрический узел, индукционная или электродинамическая система. В зависимости от его вида существуют реле:

первичные с прямым подключением контактов в сеть;
вторичные – могут подключаться через измерительные индуктивные или емкостные трансформаторы;
промежуточные – усиливают или преобразуют сигналы первичных/вторичных моделей.

Тип управления нагрузкой

Для управления напряжением применяются модели:

прямого действия – нагрузка переключается контактами;
косвенного действия – нагрузку подключаются вторичные элементы.

Нагрузка подается и приостанавливается с определенными промежутками.

Тип поступления сигнала

Герконовое реле

В продаже можно найти следующие коммутационные устройства:

электронные – обеспечивают контроль напряжения в условиях высокой нагрузки. Управляют освещением и узлами автомобиля;
герконовые – небольшие модели в виде катушки. Предназначены для замыкания, переключения, размыкания сети. Чувствительны к механическим воздействиям и ультразвуку;
электротепловые – отключают и включают электрический ток по нагреву биметаллической пластины. Используются для электродвигателей на производстве, обустройства однофазной или трехфазной электросети;
временной выдержки – для создания кратковременных пауз применяются схемы замедления. Приборы работают в автомобилях, светофорах, елочных гирляндах;
таймеры света – позволяют программировать освещение теплиц, аквариумов, животноводческих комплексов. К ним подключаются нагреватели, вентиляторы;
электромагнитные – ток статистической обмотки активируется по воздействию магнитного поля. Приборы со средней нагрузкой до 320 А и напряжение до 1,6 кВт могут работать только в сети с постоянным током.

Модификация ТТР	Рекомендуемый предельный ток нагрузки	Максимально допустимый ток нагрузки
резистивная нагрузка	индуктивная нагрузка
MD-0544.ZD3	4 A	0,5 A	5 A
MD-1044.ZD3	8 A	1 A	10 A
MD-1544.ZD3	12 A	1,5 A	15 A