Что такое твердотельное реле и для чего оно предназначено | Энергофиксик
Здравствуйте, уважаемые гости и подписчики моего канала. Сегодня я хочу рассказать про твердотельное реле, о том, что же это такое, чем оно выгодно отличается от обычных реле и какими слабыми сторонами обладает. Итак, начнем.
Что такое твердотельное реле и где оно применяется
Твердотельное реле (ТТР) – это такое электромагнитное устройство без каких-либо механически движущихся частей, предназначенное для коммутации мощных цепей с помощью низкого напряжения подаваемого на клеммы управления.
Область применения подобных реле расширяется с каждым годом и их можно увидеть в автоматических системах различных промышленных объектов, в химической промышленности, в различных металлургических агрегатах, медицинских установках, цепях управления котлами и т. п.
Так как в конструкции твердотельного реле роль группы контактов играет силовой электронный ключ, то в таком реле отсутствует сама возможность возникновения электрической дуги во время переключения.
В чем плюсы и минусы твердотельных реле
К неоспоримым преимуществам твердотельных реле относится тот факт, что в них отсутствуют какие-либо переходные процессы, что сильно увеличивает срок службы изделия.
Так если сравнить с обычными реле, то их ресурс равен примерно 500 000 срабатываний, а у ТТР этот показатель вообще не регламентируется.
Реле работает практически бесшумно в отличие от силовых контакторов старого образца.
Сейчас ТТР выпускаются под самые различные типоразмеры и напряжения, так что выбрать нужное реле не проблема.
К существенным минусам ТТР можно отнести их высокую чувствительность к повышенному току. Если превысить предельно допустимую величину силы тока, то реле очень быстро выйдет из строя.
Также к недостатку можно отнести требовательность реле к охлаждению. Для нормальной работы реле требуется обязательное наличие достаточно мощного радиатора. Все дело в том, что во время работы через реле протекает ток, который неизбежно разогревает внутреннюю плату и если не обеспечить отвод тепла, то плата перегреется и выйдет из строя.
Как устроено реле
Внутри твердотельного реле установлена плата, в состав которой входит силовой ключ, элемент развязки и управляющий узел.
В качестве силового элемента могут быть использованы:
1. В цепях с постоянным током: транзисторы, полевые транзисторы, MOSFET либо же IGBT.
2. В цепях переменного напряжения: симисторные или же тиристорные сборки.
В качестве развязки применяются оптроны. Оптрон – элемент, который состоит из светоизлучающего элемента и приемника. Причем эти два элемента разделены между собой прозрачным диэлектрическим материалом.
В управляющем же узле обычно реализована схема стабилизации напряжения и тока светоизлучающего элемента.
Варианты подключения твердотельного реле
Наглядный эксперимент с твердотельным реле
Для демонстрации принципа работы твердотельного реле проведем простой эксперимент. Для этого возьмем обычную лампу и включим в цепь наше твердотельное реле.
Так вот если схему в таком виде подключить к сети, то лампочка не загорится.
Для того чтобы она загорелась, нужно еще на нижние выводы реле (выводы под номерами 3 и 4) подать постоянное напряжение. Как только на реле было подано 7 Вольт постоянки, оно (реле) сработало, и лампочка загорелась.
Выводы
Твердотельное реле — это достаточно хорошее изделие со своими явными преимуществами и недостатками. ТТР отлично подходит для тех мест, где требуется большое количество коммутаций за короткий промежуток времени. Невзирая на высокую цену, оно активно применяется во многих сферах промышленности и даже в частных домовладениях.
Понравился материал? Тогда оцениваем его и подписываемся на канал. Спасибо за ваше внимание!
Поделиться в социальных сетях
Вам может понравиться
Твердотельное реле: принцип работы, виды, подключение
В электронных схемах широкое распространение получили различные виды полупроводниковых устройств. Одним из наиболее ярких примеров использования полупроводников является твердотельное реле, в котором отсутствуют механические движущиеся части.
В соответствии со своими функциями, приборы этого типа должны включать и выключать мощные электрические цепи путем подачи низкого напряжения на клеммы управления.
Твердотельное реле применяются в сетях с постоянным и переменным током с теми же целями, что и обычные электромеханические реле. В серийных твердотельных реле применяются транзисторы и тиристоры, позволяющие выполнять переключения токов до нескольких сотен ампер.
Содержание
Принцип работы
Прежде чем рассматривать твердотельное устройство, следует вспомнить принцип работы обычного электромеханического реле. Оно состоит из контактов и катушки управления, работающих под влиянием подаваемого напряжения. Под его воздействием контакты соответственно замыкаются или размыкаются. Принцип действия твердотельного реле аналогичный. Основное различие заключается в использовании полупроводниковых приборов вместо контактов.
Наибольшее распространение получили симисторы и тиристоры, выполняющие коммутацию переменного тока, а также транзисторы, предназначенные для работы с постоянным током.
В свое время появление полупроводников произвело настоящую революцию в электронике и радиотехнике. Они стали использоваться и в твердотельных реле, обеспечивая контакты между цепями с низким и высоким напряжением. В составе каждого устройства имеется вход, оптическая развязка, триггерная, переключающая и защитная цепи.
Вход реле оборудован первичной цепью, в которую последовательно включено сопротивление на постоянном изоляторе. Основной функцией входа является прием импульса и последующая передача его на элемент устройства, коммутирующий нагрузку. Между первичной и вторичной цепью существует изоляция в виде оптической развязки. Именно эта развязка характеризует индивидуальные качества всех видов и типов реле и определяет принцип действия каждого устройства.
Для обработки входного сигнала существует триггерная цепь, являющаяся отдельным конструктивным элементом. Эта цепь принимает участие в переключении выхода. В различных конструкциях твердотельных реле триггерная цепь может быть частью оптической развязки, или применяться как самостоятельный элемент.
Управление нагрузочным напряжением осуществляется цепью, в состав которой входит транзистор, симистор и кремниевый диод. В конструкцию реле обязательно включается система, защищающая устройство от сбоев и ошибок. Она представляет собой отдельную защитную цепь внутреннего или внешнего типа.
Где применяется твердотельное реле
Принцип действия этих устройств позволяет применять их тогда, когда за короткий промежуток времени необходимо множество раз включить и выключить нагрузку. В таких ситуациях обычные электромеханические реле очень быстро изнашиваются, полностью вырабатывая ресурс, выходят из строя и становятся непригодными для дальнейшего использования. Наилучшим выходом становятся твердотельное реле, которое не требуюет к себе в дальнейшем дополнительного внимания и обслуживания. В обычных устройствах необходимо обязательно чистить контакты после нескольких циклов срабатываний.
Твердотельное реле используюется в тех случаях, когда нужно гарантировать надежность, поскольку обычные контакты могут выгореть или залипнуть в самый неподходящий момент.
Иногда решающее значение имеют габаритные размеры коммутирующего устройства и обеспечение бесшумной работы. Однако следует учитывать и тот фактор, что полупроводниковые реле имеют довольно высокую стоимость, поэтому, там, где это возможно, рекомендуется использовать обычные электромагнитные устройства.
Виды твердотельных реле
Твердотельное реле относится к модульным полупроводниковым приборам, изготовленным по гибридной технологии. В них используются симисторные, тиристорные или транзисторные структуры, которые служат основой для создания мощных силовых ключей. Они успешно заменяют традиционные контакторы и электромагнитные реле.
По типу нагрузки полупроводниковые устройства могут быть однофазными или трехфазными. Они способны коммутировать напряжение в самом широком диапазоне – от 40 до 440 вольт, что делает возможным их применение в разных областях.
В зависимости от типа управления, существует 3 группы реле:
- Для коммутации напряжения постоянного тока от 3 до 32 вольт.
- Для коммутации напряжения переменного тока от 90 до 250 вольт.
- Для ручного управления выходным напряжением, когда применяются переменные резисторы, сопротивление от 40 до 560 кОм, мощностью от 0,25 до 0,5 Вт.
Твердотельные реле различаются и по способу коммутации:
- Устройства, контролирующие переход через ноль. С их участием коммутируются резистивные, емкостные и слабоиндуктивные нагрузки. Когда подается управляющий сигнал, выходное напряжение появляется при первом пересечении нулевого уровня линейным напряжением. За счет этого происходит уменьшение начального броска тока, снижается уровень электромагнитных помех, возрастает срок эксплуатации коммутируемых нагрузок. Данный тип реле не может использоваться для коммутации высокоиндуктивных нагрузок, например, трансформаторов на холостом ходу.
- Устройства с мгновенным (случайным) включением. Применяются для коммутации нагрузок, когда необходимо мгновенное срабатывание. Выходное напряжение возникает совместно с подачей управляющего сигнала с задержкой включения, не превышающей 1 миллисекунды. Такие реле могут включаться на любых участках синусоидального напряжения. Существенным недостатком этих устройств являются импульсные помехи и начальные броски тока, возникающие при коммутации.
- Фазовое управление. С помощью реле изменяется величина выходного напряжения нагрузки. Это позволяет регулировать мощность нагревательных элементов и уровень освещенности ламп накаливания.
Такие реле могут включаться на любых участках синусоидального напряжения. Существенным недостатком этих устройств являются импульсные помехи и начальные броски тока, возникающие при коммутации.Подключение
Во всех электронных схемах твердотельное реле подключается так же, как и обычные электромеханические устройства. Однако существуют специфические особенности, которые необходимо учитывать при подключении полупроводниковых реле. Для выполнения соединений не требуется использовать пайку, для этого существует винтовой способ.
В связи с особенностями конструкции, необходимо всячески избегать любых повреждений прибора, следить, чтобы в него не попадала пыль, особенно металлические элементы и другие инородные тела. Не допускаются какие-либо внешние воздействия, в том числе и механические, по отношению к корпусу прибора.
В результате повреждений прибор быстро выйдет из строя и перестанет работать.
Рекомендуется правильно выбирать место расположения твердотельного реле. Не следует размещать их возле предметов, которые могут легко воспламениться. Запрещается прикасаться к устройству во время работы, чтобы не получить ожоги. До начала включения нужно проверить правильность всех коммутируемых соединений. При нагревании корпуса свыше 60С, необходимо использовать специальных радиатор охлаждения. На выходе не должно быть коротких замыканий, способных повредить прибор.
Характеристики и применение твердотельных реле
Твердотельные реле (ТТР) выполняют те же функции, что и электромеханические реле, но представляют собой неподвижные бесконтактные устройства, которые могут переключать напряжение до нескольких сотен В переменного тока в течение сотен тысяч циклов и более … что делает их полезными для переключения нагревательных элементов, двигателей и трансформаторов, требующих частых и высокоскоростных переключений.
⚙️ Загрузите эту статью (и остальные из серии о возможностях подключения ) в библиотеке Design Guide.
В электромеханических реле и твердотельных реле используются разные технологии для выполнения практически одной и той же функции. Быстрое переключение твердотельных реле делает их пригодными для использования на множестве мощных нагрузок.
В отличие от электромеханических реле, подкомпоненты твердотельных реле полностью электронные:
1. Входная цепь твердотельного реле (подобно катушке электромеханического реле) подключается к системе управления. Когда напряжение, поступающее на SSR, изменяется — обычно от 3 до 32 В постоянного тока — это побуждает входную цепь действовать. В одном распространенном варианте схема активируется при подаче любого напряжения в пределах диапазона, превышающего значение напряжения срабатывания реле… и деактивируется при снижении входного напряжения ниже значения напряжения отключения реле.
Для соединительной части твердотельного реле используются различные технологии:
В наиболее распространенном типе твердотельных реле с оптической развязкой используется светодиодный или инфракрасный источник света во входной цепи для связи со светочувствительным полупроводником на стороне выходного переключателя. Напротив, твердотельные реле с трансформаторной связью используют преобразователь постоянного тока в переменный для создания выходного сигнала, который магнитно связан с выходным сигналом через маломощный трансформатор.
3. Далее триггерная или управляющая схема твердотельного реле соединяет одну из нескольких конструкций, имеющих форму:
• Кремниевый выпрямитель (SCR) для высокоскоростного переключения (обычно) кратковременных периодов включения
• Металло- оксидно-полупроводниковый полевой транзистор (МОП-транзистор) или транзистор Дарлингтона (для постоянного тока)
• Биполярный транзистор с изолированным затвором (БТИЗ) для постоянного тока
Здесь операция нулевого переключения — наиболее распространенная для твердотельных реле — а также пиковое переключение, постоянный ток переключение и мгновенное переключение — все это варианты адаптации действия реле к типу нагрузки, управляемой системой. Например, аналоговая коммутация использует схему синхронизации, чтобы выходное напряжение соответствовало входному напряжению и допускало большое разнообразие возможных выходных напряжений в пределах допустимого диапазона твердотельного реле.
4. Кроме того, выходная (силовая) цепь твердотельного реле подключается к управляемой нагрузке. После переключателя он также может включать снабберную цепь (в некоторых случаях диод с обратным подключением) или детектор пересечения нуля для уменьшения пиков, переходных процессов и электромагнитных помех (ЭМП) во время переключения. Это проблема, потому что твердотельные реле переключают ток нагрузки через подключенные индуктивные нагрузки, а (согласно закону Фарадея) прерывание тока вызывает рост напряжения. Любое такое повышение по SSR, превышающее максимальные рейтинги, может привести к повреждению.
ТТР совместимы с различными системами управления и невосприимчивы к магнитным помехам; их твердотельная природа означает, что они устанавливаются в различных ориентациях… и твердотельные реле невосприимчивы к сильной вибрации.
Это правда, что SSR дороже, чем некоторые альтернативы, но самые сложные могут обеспечить исключительно долгий срок службы.
Рассмотрим несколько применений ТТР в электродвигателях:
• На двигателях больших ленточных конвейеров или сборочных линий, где возможно заклинивание
• На промышленных воздуходувках с двигателями для коммерческих печей, подверженных риску перегрузки, если дверца остается приоткрытой
• На двигателях, подверженных перегрузке по току или неправильных пусковых токах
• На запущенных двигателях и двигателях, прикрепленных к изнашиваемым механическим компонентам с чрезмерным трением
• На электродвигатели общего назначения, работающие в условиях высоких температур
Такое оборудование с приводом от двигателя может включать защитные реле (электромеханические реле и твердотельные реле) на своих источниках питания, чтобы обнаруживать любой такой перегрев и отключать двигатель для предотвращения повреждения. Использование прочных твердотельных реле в таких приложениях широко распространено, потому что они не имеют движущихся частей, которые снижают срок службы точности… и фактически часто переживают срок службы оборудования, на котором они установлены.
Информация, представленная здесь о термостатах на ТТР, первоначально появилась на дочернем сайте Design World eeworldonline.com .
Полупроводниковые переключатели, используемые в твердотельных реле, выделяют значительное количество тепла, и, если его не принять во внимание, это может привести к механической усталости из-за термоциклирования. Здесь есть два решения: радиаторы и термостаты. Термостат может быть добавлен к ТТР инженерами-конструкторами (которые берут на себя разработку тепловой защиты) или предварительно интегрирован производителем ТТР.
В некоторых твердотельных реле с предварительно встроенными термостатами твердотельное реле отключает питание входной цепи, когда температура самого твердотельного реле превышает указанный максимум, определяемый требованиями приложения. После непродолжительного охлаждения питание снова автоматически включается. Здесь термостат твердотельного реле измеряет внутреннюю температуру механического интерфейса с металлической пластиной на креплении внутреннего устройства переключения питания.
Если тепло превышает нормальный диапазон, он посылает сигнал SSR на отключение питания.
Эта встроенная тепловая защита предотвращает перегрев, обеспечивая отключение до того, как может произойти повреждение оборудования, тем самым экономя время и деньги.
Для разработчиков машин, желающих использовать эту технологию и избавить себя от необходимости делать это самостоятельно, сначала необходимо выбрать подходящее твердотельное реле для нагрузки, требующей управления. Одним из ключевых соображений является рабочая температура окружающей среды, которая влияет на наилучшее снижение мощности. Другими словами, инженеры должны определить максимальную номинальную мощность, номинальный ток или максимальное напряжение, на которые рассчитано твердотельное реле, а затем использовать меньше этих максимальных номиналов.
Другими конструктивными соображениями являются используемый радиатор и ожидаемое рассеивание мощности.
ТТР, в наибольшей степени выигрывающие от такой встроенной тепловой защиты, включают те, которые используются в промышленных печах, коммерческих холодильных системах, стерилизационном оборудовании, сварочном оборудовании и конвейерах при упаковке, строительстве и обработке материалов.
Механические переключатели МЭМС конкурируют с ТТР
Когда микроэлектромеханические системы (МЭМС) были впервые представлены в 19В 80-х годах их рекламировали за их способность уменьшать размеры электромеханических контактов. Построенные на кремниевых подложках с использованием тех же процессов травления, что и обычные ИС, МЭМС-структуры работают в струйных печатающих головках, акселерометрах, датчиках давления и других устройствах. Но им еще предстоит вытеснить обычные механические переключатели… отчасти потому, что крошечные контакты МЭМС-переключателей не могут выдерживать большой ток. Кроме того, переключатели MEMS могут давать дуговой разряд и нагреваться, что сокращает срок службы переключателя.
Но теперь устройства MEMS, использующие технологию интеллектуальных силовых реле Digital-Micro-Switch (DMS), вскоре могут стимулировать более широкое использование силовых реле на основе MEMS. Они сочетают в себе преимущества твердотельных и электромеханических реле.
Прочитайте полную историю на дочернем сайте Design World powerelectronictips.com. DMS подключает MOSFET параллельно с переключателем MEMS, чтобы получить переключение при нулевом напряжении. Это снижает энергию переключения на контактах, что, в свою очередь, повышает надежность при высоких напряжениях и токах. В конструкции переключателя также используется обработка металла для повышения надежности консольной балки, удерживающей одну сторону контакта, а также самого материала контакта. Это делает устройства способными на три миллиарда циклов и более. Фактически силовое реле сохраняет свойства гальванической развязки традиционных реле… и может интегрироваться в традиционные полупроводниковые корпуса для обеспечения других интеллектуальных функций.
Рубрики: Автоматизация производства, Промышленная автоматизация, Реле
С тегами: Automation24
Твердотельные реле | Принципы работы, различия и применение
Твердотельные реле | Принципы работы, различия и применение | ElectGo Магазин будет работать некорректно в случае, если куки отключены.
Возможно, в вашем браузере отключен JavaScript. Для максимально удобной работы с нашим сайтом обязательно включите Javascript в своем браузере.
Toggle Nav
Search
- Compare Products
Menu
Account
Settings
Currency
SGD — Singapore Dollar
- USD — US Dollar
October 26, 2019
Твердотельные реле | Принципы работы, отличия и применение
Введение
Твердотельные реле представляют собой модифицированную форму реле. Твердотельное реле состоит из твердотельного материала, характеристики которого лучше, чем у обычных реле.
Реле используются для автоматического переключения мощности. Реле используются, чтобы избавиться от типичных методов переключения, которые являются ручными и сложными в обращении. Твердотельное реле представляет собой тип переключателя, который представляет собой бесконтактный переключатель. Материалом изготовления твердотельных реле является твердотельный элемент. Преимущество использования твердотельного элемента заключается в том, что твердотельный элемент может управлять высоким током нагрузки с помощью меньшего управляющего сигнала. В твердотельном реле исключена возможность искрения из-за характеристик твердотельного элемента, используемого в реле. Состояние переключения OFF и ON в твердотельном реле может быть достигнуто легко.
Твердотельные реле имеют разные особенности а именно:
- В твердотельных реле нет механических элементов
- Повышение напряжения очень низкое
- Технология перехода через нуль используется в твердотельных реле
Твердотельные реле имеют другие преимущества как:
- Коррозионная стойкость
- Виброустойчивость
- Высокая надежность и
- Долгая жизнь.
Главной особенностью твердотельных реле является более высокая нагрузочная способность.
Работа твердотельных реле
Работу твердотельных реле можно понять, разделив твердотельные реле на две категории. Одно из них — твердотельное реле переменного тока, а другое — твердотельное реле постоянного тока. Он состоит из одной входной и выходной клемм. Входы и выход реле подключаются к указанным клеммам. Когда на входные клеммы твердотельного реле подается определенный управляющий сигнал, функции включения и выключения на выходной клемме выполняются соответствующим образом, и после достижения этой функции включается функция переключения реле. С помощью схемы связи в твердотельном реле формируется канал между входом и выходом реле.
Данная схема связи также выполняет функцию отключения в случае возникновения нежелательных или неопределенных ситуаций, которые задаются изначально перед установкой реле.
В случае твердотельных реле постоянного тока отсутствует демпферная цепь и цепь управления переходом через ноль. Транзистор с большим номиналом используется для коммутации твердотельного реле. Другой принцип работы этого реле такой же, как описанный выше принцип работы.
Разница между твердотельными реле и обычными реле
Существует ряд различий между твердотельными реле и обычными реле.
Несколько важных отличий:
- Обычные реле имеют механические элементы, тогда как твердотельные реле не имеют механических элементов.
