Схема твердотельного реле переменного тока: устройство, принцип работы, виды, схемы подключения

Содержание

устройство, принцип работы, виды, схемы подключения

При организации логических схем управления оборудованием в качестве коммутаторов используются различные виды реле. В связи с развитием и совершенствованием полупроводниковых приборов на смену классическим логическим элементам пришло твердотельное реле (ТТР). Для чего используется, как устроен и как функционирует данный вид устройств, мы рассмотрим в данной статье.

Назначение

Сфера применения твердотельного реле достаточно обширна и охватывает самые разнообразные отрасли промышленности и народного хозяйства. Их используют в таких системах, где по условиям эксплуатации можно исключить периодический контроль состояния коммутатора. Твердотельные приборы устанавливаются в оборудовании с частыми коммутациями, где классические подвижные контакты не справляются с работой и перегорают. Или в таких электроустановках, где недопустимо искрообразование при разрывании или замыкании цепи контактной группой.

Помимо этого твердотельные реле характеризуются малыми габаритами, что делает их весьма привлекательной альтернативой для слаботочного оборудования. Они применяются в электронике и бытовых устройствах, а также труднодоступных местах, где после ввода прибора в работу отсутствует возможность технического обслуживания.

Основными направлениями, в которых вы часто встретите твердотельное реле, являются:

  • нагревательные электроприборы с ТЭНами, спиралями для контроля температуры нагревания;
  • контроль температурных режимов в технологических процессов;
  • отслеживание рабочих режимов силовых трансформаторов;
  • регулировка степени освещенности или включение освещения в зависимости от времени суток;
  • применение в качестве датчика движения;
  • включение и отключения электродвигателей, переключение различных режимов их работы;
  • в качестве электронных ключей силовых и слаботочных электроустановок;
  • как коммутаторы станочного оборудования, в котором нужна высокая частота срабатывания;
  • для переключения позиций в источниках бесперебойного питания.

Стоит отметить, что повсеместная автоматизация технологических процессов все чаще задействует твердотельное реле в качестве коммутационного устройства.

Устройство

Конструктивно твердотельное реле представляет собой расширенный вариант полупроводникового ключа. В состав устройства входят резисторы, транзисторы, симисторы или тиристоры, которые и лежат в основе их работы. За счет того, что вся конструкция имеет монолитную структуру – единый блок, реле  и получило название твердотельного.

Рис. 1. Устройство твердотельного реле

Условно все устройство можно разделить на несколько блоков:

  • Входной узел – используется для подачи управляющего сигнала. В состав узла входит токоограничивающий резистор и устройство для передачи сигнала на коммутирующий элемент.
  • Триггерный узел – применяется для обработки получаемых сигналов. Как правило, является частью линии оптической развязки, но может устанавливаться и отдельно от нее.
  • Узел оптической развязки – осуществляет гальваническое разделение основного участка и контролирующего. Является неотъемлемой составляющей реле переменного тока. От конструктивных особенностей этого узла напрямую зависит принцип действия коммутатора.
  • Цепь коммутации – производит включение и отключение линии питания нагрузки. Функционирует по принципу запирания и отпирания p-n перехода, поэтому классического переключения в твердотельных реле не происходит.
  • Цепи защиты – осуществляют устранение помех, защищают твердотельное реле от перегрузок и токов коротких замыканий. По месту расположения бывают внутренней и внешней установки.
  • Выходной узел – используется для подключения нагрузки, как правило, представлен парой контактов или клемм.

Следует отметить, что в зависимости от типа твердотельного реле, состав основных блоков может существенно отличаться. Поэтому определенные модели могут обходиться без некоторых из вышеперечисленных узлов.

Принцип работы

В зависимости от вида твердотельного реле, может отличаться и принцип его действия. В основе работы лежит два сигнала – управляющий и управляемый, которые могут генерироваться и передаваться различным способом. Поэтому в качестве примера мы рассмотрим одну из разновидностей данного устройства, функционирующего посредством оптрона.

Рис. 2. Принцип действия твердотельного реле

Оптрон, в соответствии с п.1.1 ГОСТ 29283-92 осуществляет генерацию электромагнитных или световых импульсов с определенными параметрами. В соответствии с которым и происходит взаимодействие его компонентов. Конструктивно оптрон представляет собой оптическую пару – светодиод и фотодиод, установленные в разных блоках твердотельного реле.

При подаче питания на входной узел твердотельного реле начнется протекание тока через цепь светодиода. В результате чего световое излучение попадет на фотодиод. При достижении световым потоком заданной интенсивности, фотодиод установит рабочие параметры для цепи нагрузки и произведет коммутацию нагрузки.

Отличия от электромеханических реле

Рис. 3. Отличия между электромеханическим и твердотельным реле

Если рассматривать основные отличия, то они заключаются в принципе реализации логических операций. Так, в соответствии с п. 3.1.1 ГОСТ IEC 61810-7-2013 под электромеханическим реле следует понимать такое устройство, в котором операции производятся за счет движения механических элементов. В частности, на катушку индуктивности подается управляющий импульс, который создает достаточный электромагнитный поток для перемещения сердечника. Механически сердечник соединяется с контактной группой, которая замыкается и размыкается в зависимости от управляющего сигнала.

Твердотельное реле, в свою очередь, не имеет подвижных частей, а изменение логического состояния производится путем перевода полупроводникового элемента из открытого состояния в закрытое, и, наоборот. Поэтому основным отличием от электромеханических моделей является отсутствие подвижных контактов.

Технические характеристики

При выборе конкретной модели для замены вышедшего со строя твердотельного реле или для установки в новом оборудовании необходимо руководствоваться основными характеристиками прибора.

К основным параметрам относятся:

  • Класс и величина напряжения на входе и выходе устройства;
  • Сопротивление твердотельного элемента или потребляемая мощность;
  • Ток срабатывания – определяет рабочие параметры перехода из одного логического состояния в другое;
  • Перегрузочная способность – кратная величина номинальному току;
  • Электрическая прочность изоляции;
  • Тип монтажа – наличие крепежных деталей или пайка на выводы;
  • Материал, из которого изготовлено реле;
  • Габаритные размеры;
  • Наличие дополнительных функций.

Все характеристики твердотельных реле будут отличаться в зависимости от вида конкретного устройства.

Виды

Разделение по видам обуславливается как рабочими параметрами некоторых устройств, так и сферой их применения. Поэтому, классификация твердотельных реле осуществляется по нескольким факторам, определяющим тот или иной параметр.

Так, все логические элементы, в зависимости от рода тока, подразделяются на две группы – реле постоянного и переменного тока. Первые отличаются высокой надежностью и отлично справляются с поставленными задачами, как при низких, так и при высоких температурах. Второй вид обладает высокой скоростью срабатывания.

В зависимости от количества подключаемых фаз все твердотельные реле подразделяются на однофазные и трехфазные. Первый вид обеспечивает питание однофазной нагрузки или устройств постоянного тока. Трехфазные, в большинстве случаев, используются для питания электродвигателей, но встречаются коммутаторы и для других типов оборудования.

Рис. 4. Трехфазные и однофазные твердотельные реле

По типу управления различают следующие виды:

  • Фазовое – плавно изменяет напряжение на выходе в процентном соотношении;
  • Мгновенное – производит переключение мгновенно;
  • При переходе через 0 – переключение осуществляется только при достижении синусоидой нулевого значения.

В зависимости от пропускаемой нагрузки, все устройства могут подразделяться на слаботочные и силовые. Первые устанавливаются в цепи управления, вторые используются для питания мощного бытового и промышленного оборудования.

Схемы подключения

На практике существует несколько вариантов подключения твердотельного реле к цепи питания и управления. Так, в зависимости от величины и рода питающего напряжения выделяют схему постоянного и переменного тока:

Рис. 5. Схема подключения твердотельного реле на 230 В

Как видите, здесь от фазного и нейтрального проводника напряжение подается и на цепь управления (выводы 3 и 4), и к нагрузке. Через выводы 1 и 2 фазный проводник устанавливается в коммутацию твердотельного реле для питания потребителя. Включение и отключение производится путем замыкания контактной группы К1 в цепи управления.

Еще один вариант схемы – управление нагрузкой посредством низковольтного сигнала:

Рис. 6. Питание твердотельного реле низким напряжением

В таком случае напряжение сети изначально подается на блок питание, где оно преобразуется и понижается. А затем через контакты К1 поступает в цепь управления твердотельного реле на выводы 3 и 4. Питание нагрузки происходит по тому же принципу, что и в предыдущем случае.

Помимо этого схемы подключения твердотельных реле подразделяются на две категории – нормально открытые и нормально закрытые. Первый вариант подразумевает такой принцип действия, когда подача напряжения на цепь управления подает напряжение к нагрузке.

Рис. 7. Нормально открытая схема твердотельного реле

Второй вариант схемы при подаче напряжения в цепь управления отключает питание нагрузки.

Рис. 8. Нормально закрытая схема твердотельного реле

Помимо этого существует трехфазная схема питания для соответствующего типа нагрузки:

Рис. 9. Трехфазная схема подключения твердотельного реле

Как видите на схеме, здесь используется трехфазное твердотельное реле. Для цепи управления используется пониженное напряжение, подаваемое от преобразователя. Линия трехфазного питания подключается к выводам A1, B1, C1, а трехфазный электродвигатель к выводам A2, B2, C2.

Достоинства и недостатки

Данный вид логических элементов характеризуется рядом плюсов и минусов в эксплуатации. К основным преимуществам твердотельных реле относятся:

  • Длительный срок эксплуатации в сравнении с электромеханическими моделями;
  • Может выполнять значительно больше коммутаций до наработки на отказ;
  • Бесшумность в работе;
  • Небольшой размер и вес;
  • Отсутствует механический износ контактной группы из-за их отсутствия;
  • Возможность установки в пожароопасных и взрывоопасных зонах за счет отсутствия искр в процессе коммутации;
  • Может работать без скачков напряжения и тока, чем в значительной мере нивелирует переходные процессы;
  • Внутреннее сопротивление практически не меняется в процессе эксплуатации;
  • Практически невосприимчивы к воздействию вибрации, оседанию пыли, электромагнитным полям.

Но, вместе с тем, твердотельные реле обладают и некоторыми недостатками. Существенной проблемой является нелинейная вольтамперная характеристика. В отключенном состоянии сопротивление p-n хоть и большое, но не бесконечное, чем обуславливаются токи утечки. Во включенном состоянии сопротивление полупроводника обуславливает нагрев твердотельного элемента и необходимость его принудительного охлаждения в силовых реле.

Также к недостаткам относят необходимость принятия мер против ошибочного срабатывания. При пробое твердотельные реле часто остаются во включенном состоянии, что создает опасность для оборудования и эксплуатационного персонала. За счет наличия p-n перехода пропускание тока в обратном направлении происходит не мгновенно. Одной из наибольших проблем является перегрузка, из-за которой реле мгновенно выходит со строя.

Инструкция по сборке твердотельного реле своими руками

Твердотельное реле (ТТР) – прибор из серии электронных компонентов немеханического действия. Отсутствие механики открывает больше возможностей любителям электроники сделать твердотельное реле своими руками для личного пользования.

Рассмотрим такую возможность подробнее.

Содержание статьи:

  • Конструкция и принцип действия ТТР
    • Как работает твердотельное реле?
    • Разновидности твердотельных переключателей
  • Как сделать ТТР своими руками?
    • Электронные компоненты для сборки схемы
    • Проверка собранной схемы на работоспособность
    • Устройство монолитного корпуса
    • Приготовление компаунда и заливка корпуса
  • Выводы и полезное видео по теме

Конструкция и принцип действия ТТР

Если большая часть подобной электроники традиционно содержит подвижные детали контактных групп, твердотельное реле таких деталей не имеет совсем. Коммутация цепи схемой устройства осуществляется по принципу электронного ключа. А роль электронных ключей обычно исполняют встроенные в тело реле полупроводники – силовые транзисторы, симисторы, тиристоры.

Прежде чем пытаться изготовить твердотельное реле самостоятельно, логично ознакомиться с базовой конструкцией подобных устройств, понять принцип их функционирования.

Промышленным производством выпускаются реле твердотельные различной конфигурации, предназначенные под самые разные условия практического применения. Выбор модификаций обширный

В рамках плотного изучения прибора сразу же следует выделить преимущественные стороны ТТР:

  • коммутация мощной нагрузки;
  • высокая скорость переключения;
  • идеальная гальваническая развязка;
  • способность кратковременно держать высокие перегрузки.

Среди механических конструкций найти реле с подобными параметрами реально не представляется возможным. Вообще, преимущества относительно механических собратьев у твердотельных реле выражаются внушительным списком.

Два электронных прибора, функционально обеспечивающих коммутацию цепей: слева сделан на основе твердотельной конструкции, справа — традиционная механическая система переключения

Условия эксплуатации для ТТР практически не ограничивают применение этих устройств. К тому же отсутствие подвижных механических деталей благоприятно сказывается на продолжительности службы приборов. Так что есть все основания, чтобы заняться твердотельным реле – собрать устройство своими руками.

Однако, справедливости ради, наряду с положительными моментами следует отметить свойства реле, характеризуемые как недостатки. Так, для эксплуатации мощных приборов, как правило, требуется дополнительный компонент конструкции, который предназначен отводить тепло.

На случай коммутации мощной нагрузки реле твердотельного исполнения практически всегда дополняются мощными радиаторами охлаждения. Этот момент несколько усложняет применение ТТР

Радиаторы охлаждения твердотельных реле имеют габаритные размеры в несколько раз превосходящие габариты ТТР, что снижает удобство и рациональность монтажа.

Приборы ТТР в процессе эксплуатации (в закрытом состоянии) дают обратный ток утечки и показывают нелинейную вольт-амперную характеристику. Не все твердотельные реле допустимо использовать без ограничений в характеристиках коммутируемых напряжений.

Конструкция для применения только в схемах, где питание осуществляется постоянным током. Обычно эти приборы отличают малые габариты и небольшая мощность коммутации

Отдельные виды устройств предназначены коммутировать только постоянный ток. Внедрение твердотельных реле в схему обычно требует обращения к дополнительным мерам, направленным на блокировку ложных срабатываний.

Твердотельные реле часто можно встретить в общем .

Как работает твердотельное реле?

Управляющий сигнал (обычно напряжение низкого уровня, исходящее, к примеру, от контроллера управления) подаётся на светодиод оптоэлектронной пары, присутствующей в схеме ТТР. Светодиод начинает излучать свет в сторону фотодиода, который в свою очередь открывается и начинает пропускать ток.

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. Ключ открывается, замыкает цепь нагрузки.

Так работает функция коммутации прибора. Вся электроника традиционно заключена в монолитный корпус. Собственно, поэтому устройство и получило название твердотельного реле.

А о том, как подключить твердотельное реле можно прочесть в .

Разновидности твердотельных переключателей

Весь существующий ассортимент приборов условно можно разделить по группам, исходя из категории подключаемой нагрузки, особенностей контроля и коммутации напряжений.

Таким образом, в общей сложности наберётся три группы:

  1. Устройства, действующие в цепях постоянного тока.
  2. Устройства, действующие в цепях переменного тока.
  3. Универсальные конструкции.

Первая группа представлена приборами с параметрами рабочих управляющих напряжений  3 – 32 вольта. Это относительно малогабаритная электроника, наделённая светодиодной индикацией, способная функционировать без перебоев при температурах -35 / +75 ºС.

Широко распространённое исполнение электронного прибора для применения в однофазной электрической сети. Также встречаются иные варианты конструкций, но значительно реже

Вторая группа – устройства, предназначенные под установку в сетях переменного напряжения. Здесь представлены конструкции ТТР для установки в сетях переменного тока, управляемые напряжением 24 – 250 вольт. Есть устройства, способные коммутировать нагрузку высокой мощности.

Третья группа – приборы универсального назначения. Схемотехника этого вида устройств поддерживает ручную настройку на использование в тех или иных условиях.

Если отталкиваться от характера подключаемой нагрузки, следует выделить два вида твердотельных реле переменного тока: однофазные и трёхфазные. Оба вида рассчитаны на коммутацию достаточно мощной нагрузки при токах 10 — 75 А. При этом пиковые кратковременные значения тока могут достигать величины 500 А.

Широко распространённый вариант исполнения для применения в трёхфазной электрической сети. Часто используется в качестве линейного регулятора мощных электрических нагревателей (ТЭН)

В качестве нагрузки, коммутируемой твердотельными реле, могут выступать ёмкостные, резистивные, индукционные цепи. Конструкции переключателей позволяют без лишнего шума, плавно управлять, к примеру, нагревательными элементами, лампами накаливания, электродвигателями.

Надёжность работы в достаточной степени высока. Но во многом стабильность и долговечность твердотельных реле зависит от качества производства изделий. Так, устройства, выпускаемые под некой торговой маркой «Impuls», часто отмечаются непродолжительным сроком службы.

С другой стороны, изделия фирмы «Schneider Electric» не оставляют повода для критики.

Как сделать ТТР своими руками?

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.

Электронные компоненты для сборки схемы

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

  1. Оптопара типа МОС3083.
  2. Симистор типа ВТ139-800.
  3. Транзистор серии КТ209.
  4. Резисторы, стабилитрон, светодиод.

Все указанные электронные компоненты спаиваются навесным монтажом согласно следующей схеме:

Принципиальная схема маломощного твердотельного реле для сборки своими руками. Небольшое количество деталей и простой навесной монтаж позволяют спаять схему без труда

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 собранной схемы на работоспособность

Собранную схему нужно проверить на работоспособность. Подключать при этом напряжение нагрузки 220 вольт в цепь коммутации через симистор необязательно. Достаточно подключить параллельно линии коммутации симистора измерительный прибор – тестер.

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».

Устройство монолитного корпуса

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.

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

Поверхность алюминиевой пластины должна быть ровной. Дополнительно необходимо обработать обе стороны – зачистить мелкой шкуркой, отполировать.

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).

Приготовление компаунда и заливка корпуса

Под изготовление твёрдого тела электронного устройства потребуется изготовить компаундную смесь. Состав смеси компаунда делается на основе двух компонентов:

  1. Эпоксидная смола без отвердителя.
  2. Порошок алебастра.

Благодаря добавлению алебастра мастер решает сразу две задачи – получает исчерпывающий объём заливного компаунда при номинальном расходе эпоксидной смолы и создаёт заливку оптимальной консистенции.

Смесь нужно тщательно перемешать, после чего можно добавить отвердитель и вновь тщательно перемешать. Далее аккуратно заливают «навесной» монтаж внутри картонного короба созданным компаундом.

Так выглядит готовый экземпляр твердотельного реле, собранного своими руками. Несколько необычно и не очень презентабельно, но достаточно надёжно

Заливку делают до верхнего уровня, оставив на поверхности лишь часть головки контрольного светодиода. Первоначально поверхность компаунда может выглядеть не совсем гладкой, но спустя некоторое время картинка изменится. Останется только дождаться полного застывания литья.

По сути, применить можно любые подходящие для литья растворы. Главный критерий – состав заливки не должен быть электропроводящим, плюс должна формироваться хорошая степень жёсткости литья после застывания. Литой корпус твердотельного реле является своего рода защитой электронной схемы от случайных физических повреждений.

Выводы и полезное видео по теме

Этот ролик показывает, как и на базе каких электронных компонентов можно сделать твердотельное реле. Автор доходчиво рассказывает обо всех деталях практики изготовления, с какими он столкнулся лично в процессе производства электронного коммутатора:

Видео о проблеме, с которой можно столкнуться после приобретения однофазного ТТР у продавцов из Китая. Попутно проводит своеобразный обзор устройства прибора коммутации:

Самостоятельное изготовление твердотельных реле — вполне возможное решение, но применительно к изделиям под низковольтную нагрузку, потребляющую относительно малую мощность.

Более мощные и высоковольтные приборы сделать своими руками сложно. Да и обойдётся эта затея по финансам в такую же сумму, какой оценивается заводской экземпляр. Так что в случае надобности проще купить готовый прибор промышленного изготовления.

Если у вас появились вопросы по сборке твердотельного реле, пожалуйста, задайте их в блоке с комментариями, а мы постараемся дать на них предельно понятный ответ. Там же можно поделиться опытом самостоятельного изготовления реле или сообщить ценную информацию по теме статьи.

Твердотельные реле — Реле

Реле

В последние десятилетия рынок промышленного контроля подвергался
массовая революция, основанная на твердотельной электронике. Из-за их снижения
стоимость, высокая надежность и огромные возможности, твердотельные устройства начали
заменил многие устройства, работавшие на механических и электромеханических
принципы.

Как и во всем новом, так и в твердотельной электронике, необходимо иметь здравый смысл.
использоваться при рассмотрении вопроса о его принятии. Просто потому, что твердотельное состояние является новым и
имеет определенные преимущества, вы не можете считать, что это лучше для всех
Приложения. Хотя можно сказать, что твердотельные устройства дадут
превосходная производительность в некоторых приложениях, верно и то, что в других
приложений электромеханическое устройство будет работать лучше.

Делая выбор между полупроводниковыми и электромеханическими, необходимо сравнить
электрические, механические, а иногда и финансовые характеристики каждого устройства
с приложением, в котором он будет использоваться. В этой части раздела
мы собираемся изучить возможности твердотельных реле по сравнению с
электромеханические реле и объясните разницу между этими двумя устройствами.

Сравнение электромеханических реле с твердотельными реле

Хотя и электромеханические реле (EMR), и твердотельные реле (SSR)
предназначены для обеспечения общей функции переключения, каждый из которых выполняет конечную
результаты по-разному.

В основном ЭМИ обеспечивает коммутацию за счет использования электромагнитных
устройства и наборы контактов, в то время как SSR зависит от электронных устройств
такие как кремниевые управляемые выпрямители (SCR), симисторы и полевые МОП-транзисторы для переключения
без контактов. На рисунке ниже графически показан простой пример
как ЭМИ, так и ТТР с входной цепью и цепью нагрузки.

Простое сравнение ЭМИ и ТТР с входной цепью и цепью нагрузки.

Типы твердотельных реле

Есть в основном четыре твердотельных конструкции, которые преобладают
рынок управления: прямое управление, трансформаторная изоляция, оптическая (светодиодная) изоляция
и гибридные твердотельные реле. Потому что каждый предлагает похожие, но отчетливо
различные рабочие характеристики, каждый будет обсуждаться.

Прямое управление

На рисунке ниже показана блок-схема в форме прямого управления или контакта.
реле замыкающего типа для коммутации нагрузок переменного тока. В этом SSR набор внешних
переключающие контакты, подключенные к тому же источнику переменного напряжения, что и нагрузка
управляемый, используется в качестве цепи управления. Полупроводниковый триод переменного тока (симистор),
или пара встречно-параллельных кремниевых управляемых выпрямителей (SCR) могут использоваться в качестве
устройство переключения нагрузки.

Твердотельное реле с симисторами может образовать
реле прямого управления или замыкания контактов для переключения нагрузок переменного тока.

Когда контакты переключателя замкнуты, симистор проводит и подает источник переменного тока
напряжение на нагрузку. Размыкание внешних контактов выключает симистор и
таким образом снимает напряжение источника переменного тока с нагрузки. Для защиты симистора от
нежелательное включение из-за переходных скачков напряжения, защита от переходных процессов
сеть включена.

Когда требуется прямое управление нагрузкой постоянного тока, твердотельное реле
используется конфигурация, показанная на рисунке ниже. В этой цепи постоянный ток
силовой транзистор используется в качестве электронного коммутационного устройства. Как в цепи
схема управления нагрузкой переменного тока (рисунок выше), контакты внешнего переключателя
используются для управления включением и выключением силового транзистора.
В качестве альтернативы, вместо внешнего источника может использоваться второй источник напряжения.
контакты для управления работой силового транзистора. Следует отметить
что при использовании внешних контактов для управления работой ТТР,
на контактах внешнего управления появляется напряжение источника. Следовательно, они
должны быть соответствующим образом защищены для обеспечения безопасности пользователя.

Твердотельное реле с питанием постоянного тока
транзисторы образуют реле прямого управления или замыкания контактов для переключения нагрузок постоянного тока.

Твердотельное реле с оптической изоляцией

Оптически изолированное твердотельное реле является эквивалентом стандарта SPST.
реле. Изоляция обеспечивается оптически за счет использования светоизлучающего
диод (LED) и фотодетектор, показанные на рисунке ниже. Светодиод принимает
напряжение управления реле и через светодиод преобразует эту мощность в свет
энергия. Этот свет улавливается фотодетектором, который контролирует
схема запуска затвора симистора (или полевого МОП-транзистора). При указанном управляющем напряжении
достигается из-за достаточной световой энергии, передаваемой в
фотодетектор, срабатывает цепь затвора. Снятие или уменьшение контроля
напряжение снижает светоотдачу и перестает запускать цепь. Напряжение постоянного тока
для работы светодиода может быть определенное напряжение, скажем, 5 В постоянного тока, или может
попадают в диапазон обычно от 3 до 32 вольт. Характеристики светодиода
позволяют разработать схему управления, которая допускает широкий диапазон входных напряжений.

Работа оптически (светодиодного) изолированного твердотельного реле.

Изоляция входа от выхода для этого типа реле может достигать 10 миллиардов Ом.
Напряжение пробоя обычно составляет 1500 В RMS 50/60 Гц. Эта изоляция может
предоставляться только до определенного момента, который определяется рейтингами
используемых компонентов. Эти рейтинги можно найти в технических паспортах.
большинства производителей. Как только эти рейтинги превышены, переходные процессы могут
быть введены в цепи управления.

Исходя из 10-процентного снижения светоотдачи, ожидаемая продолжительность жизни
срок службы оптопары превышает 50 000 часов. Срабатывает за микросекунды,
не подвержен ударам или вибрации, не имеет отскока и может управляться
напрямую через вентили MOS или TTL.

Состояние включения/выключения фотодетектора управляет состоянием логики, которая
разрешает стробирование выходного симистора. Оптически связанные конструкции обычно
особенность включения симистора при нулевом напряжении. Это означает, что независимо от
при подаче входного управляющего напряжения симистор не включается до тех пор, пока
напряжение источника порядка 15В. Это снижает электромагнитное
помехи при включении менее одной сотой от ЭМИ и
примерно в пять раз меньше, чем у SSR без включения нулевого напряжения.

После первоначального включения последующие включения полупериода для ТТР требуют
От 5 до 10 В на симисторе, в зависимости от коммутируемой нагрузки.
Обычно для правильной работы ответвителя требуется от 5 до 15 мА.
Токи свыше 20-25 мА могут привести к порче светодиода.
соединения, особенно при повышенных температурах.

Изоляция трансформатора

Во многих приложениях желательно или необходимо обеспечить электрическую
изоляция цепи управления от цепи нагрузки. Изоляция
особенно необходимо, когда схема управления сопряжена с
низкоуровневая логика из-за ее восприимчивости к переходным импульсам.

Одним из способов достижения электрической изоляции является использование трансформатора, т. к.
проиллюстрировано на рисунке ниже. В этой схеме управляющее напряжение постоянного тока
используется для активации реле. Управляющее напряжение преобразуется в
Сигнал переменного тока схемой твердотельного генератора, выход которого обеспечивает
первичный ток трансформатора. Диапазон частот генератора от
от 50 кГц до 500 кГц. Выход трансформатора управляет запуском затвора симистора.
схема. Таким образом, магнитная связь трансформатора служит для изоляции
источник управляющего напряжения от цепи нагрузки. Преимущество трансформатора
связь заключается в том, что она позволяет использовать самые разные уровни управляющего напряжения постоянного тока.
использоваться. Еще одним преимуществом является очень низкий ток управления, необходимый для
активировать нагрузку.

Работа твердотельного реле с трансформаторной развязкой.

Сопротивление изоляции входа-выхода и напряжение пробоя такие же, как у
оптоизолятора; однако производительность трансформаторного соединителя
не ухудшаться заметно в течение срока службы реле. Кроме того, трансформатор
связанное SSR имеет меньше общих компонентов, чем оптоизолированное SSR, и
менее чувствительны к температуре. Однако у него нет включения при нулевом напряжении.
особенность. ТТР с трансформаторной связью действительно излучает электромагнитное излучение.
помехи (EMI) от цепи генератора, но они очень минимальны и
обычно не проблема. ЭМП от включения и выключения симистора каждый раз
последовательный полупериод может производить электромагнитные помехи более высокого уровня, чем у генератора.

Устойчивость к переходным процессам ТТР с трансформаторной связью несколько меньше.
чем у SSR с оптической связью.

Гибридные твердотельные реле

Другой популярной формой SSR является гибридное твердотельное реле. Хотя и не
«настоящее» твердотельное реле, поскольку оно включает в себя механический компонент (герконовое реле),
по существу он работает как твердотельное устройство.

Использование герконового реле приводит к некоторым компромиссам в производительности, например
более медленная скорость переключения, меньшая устойчивость к ударам и вибрации, а также
срок службы из-за его механических контактов во входной или управляющей ступени.
Гибрид, однако, совместим с определенной логикой TTL, когда достаточный выход
ток имеется. Хотя для этого требуются более высокие значения управляющего тока, чем
настоящий SSR, в дополнение к более длительному времени включения, этот гибрид
способен выдерживать более высокие переходные входные напряжения. Последнее незначительное ограничение
заключается в том, что гибрид более уязвим к ударам и вибрации, потому что он
включает в себя механическую составляющую.

На рисунке ниже показано типичное гибридное твердотельное реле, включающее
герконовое реле в цепи управления. Здесь управляющее напряжение постоянного тока используется для
подайте питание на катушку, которая сближает контакты герконового реле. Это закрывает
цепь управления, которая, в свою очередь, запускает симисторный контроллер. Электрический
изоляция в этой цепи обеспечивается магнитной связью между
катушка герконового реле и контакты герконового реле.

Работа гибридного твердотельного реле, соединенного с герконовым реле.

Когда герконовое реле используется в качестве управляющей части гибридного твердотельного реле,
обычно он работает при низких значениях напряжения и тока, чтобы обеспечить
относительно долгий срок службы цепи управления. При индуктивной нагрузке,
обычно это сторона высокого напряжения электромеханического реле, которая
портиться в первую очередь. Гибридное твердотельное реле может решить эту проблему за счет
использование симисторного контроллера нагрузки для обеспечения длительного срока службы. Гибрид второго типа.
твердотельное реле использует схему управления твердотельным устройством для подачи питания
только катушка геркона, контакты которой переключают цепь нагрузки.
По сути, эта гибридная форма представляет собой обычное электромеханическое реле с
схема твердотельного драйвера. Как таковой, он подвержен многим из тех же
недостатки по сравнению с обычными электромеханическими реле.

Примеры

VO14642 Реле MOSFET SPST-NO

Характеристики

Корпус DIP-6
Сопротивление в открытом состоянии 0,25 Ом
Ток нагрузки 2 А пост. тока
Напряжение нагрузки 60 В
Напряжение изоляции 5300 В (СКЗ)
TTL/CMOS-совместимый вход
Время включения/выключения < 800 мкс

Распиновка

Тестовая схема

Информация о продукте

Страница продукта VO14642
Техническое описание VO14642 (pdf)
Имитационная модель SPICE

Твердотельная релейная схема с использованием симисторов и переключением через ноль

Твердотельное реле сети переменного тока или твердотельное реле представляет собой устройство, которое используется для переключения тяжелых нагрузок переменного тока на уровне сети с помощью изолированных триггеров минимального напряжения постоянного тока без включения механических подвижных контактов.

В этом посте мы узнаем, как построить простое твердотельное реле с питанием от сети или схему твердотельного реле с использованием симистора, биполярных транзисторов и оптопары с переходом через ноль.

Содержание

Преимущество твердотельного твердотельного реле по сравнению с механическими реле

Механические реле могут быть довольно неэффективными в приложениях, требующих очень плавного, очень быстрого и чистого переключения.

Предлагаемая схема твердотельного реле может быть собрана дома и использована в местах, требующих действительно сложной обработки груза.

В статье описана схема твердотельного реле сети 220 В со встроенным детектором перехода через нуль.

Схема очень проста для понимания и сборки, но при этом обладает такими полезными функциями, как чистое переключение, отсутствие радиопомех и способность работать с нагрузками до 500 Вт. Мы многое узнали о реле и о том, как они работают.

Нам известно, что эти устройства используются для переключения тяжелых электрических нагрузок через внешнюю изолированную пару контактов в ответ на небольшой электрический импульс, полученный с выхода электронной схемы.

Обычно вход триггера находится вблизи напряжения катушки реле, которое может составлять 6, 12 или 24 В постоянного тока, в то время как нагрузка и ток, переключаемый контактами реле, в основном находятся на уровне потенциалов сети переменного тока.

В основном реле полезны, потому что они способны переключать тяжелые соединения, подключенные к их контактам, не вызывая контакта опасного потенциала с уязвимой электронной схемой, через которую он переключается.

Однако преимущества сопровождаются несколькими критическими недостатками, которые нельзя игнорировать. Так как контакты связаны с механическими операциями, иногда они совершенно непригодны для сложных схем, требующих высокой точности, быстрого и эффективного переключения.

Механические реле также имеют плохую репутацию из-за создания радиочастотных помех и шума во время переключения, что также приводит к ухудшению состояния контактов со временем.

Для SSR на основе MOSFET см. этот пост

Использование SCR или триака для изготовления SSR

Считается, что симисторы и триаки являются хорошей заменой в тех случаях, когда вышеупомянутые реле оказываются неэффективными, однако они также могут вызывать проблемы с генерацией радиочастотных помех во время работы.

Кроме того, тиристоры и симисторы, интегрированные непосредственно в электронные схемы, требуют, чтобы линия заземления цепи была соединена с ее катодом, что означает, что секция цепи больше не изолирована от смертельного переменного напряжения устройства — серьезный недостаток с точки зрения безопасности. пользователю это интересно.

Однако симистор может быть очень эффективно реализован, если полностью позаботиться о вышеупомянутой паре недостатков. Таким образом, две вещи, которые должны быть устранены с симисторами, если они должны быть эффективно заменены на реле, — это радиочастотные помехи при переключении и попадание опасной сети в цепь.

Твердотельные реле разработаны в точном соответствии с вышеуказанными спецификациями, что устраняет интерференцию радиочастот, а также полностью отделяет две ступени друг от друга.

Коммерческие SSR могут быть очень дорогими и не подлежат обслуживанию, если что-то пойдет не так. Однако создание твердотельного реле полностью вами и использование его для требуемого приложения может быть именно тем, что «доктор прописал». Поскольку он может быть построен с использованием дискретных электронных компонентов, он становится полностью ремонтопригодным, модифицируемым и, кроме того, дает вам четкое представление о внутренних операциях системы.

Здесь мы рассмотрим изготовление простого твердотельного реле на 220 В.

Как это работает

Как обсуждалось в предыдущем разделе, в предложенной схеме твердотельного реле или твердотельного реле радиопомехи проверяются путем принудительного переключения симистора только вокруг нулевой отметки синусоидальной фазы переменного тока и использования Оптопара гарантирует, что вход находится вдали от сетевых потенциалов переменного тока, присутствующих в цепи симистора.

Попробуем понять, как работает схема:

Как показано на схеме, оптопара становится порталом между триггером и коммутационной схемой. Входной триггер применяется к светодиоду опто, который загорается и приводит в действие фототранзистор.
Напряжение от фототранзистора проходит через коллектор к эмиттеру и, наконец, достигает затвора симистора, чтобы привести его в действие.

Описанная выше операция довольно обычная и обычно ассоциируется со срабатыванием всех симисторов и тринисторов. Однако этого может быть недостаточно для устранения радиочастотного шума.

Секция, состоящая из трех транзисторов и нескольких резисторов, специально введена с целью проверки генерации ВЧ, гарантируя, что симистор работает только вблизи нулевого порога синусоидального сигнала переменного тока.

Когда сеть переменного тока подается на цепь, выпрямленный постоянный ток становится доступным на коллекторе оптотранзистора, и он ведет себя так, как описано выше, однако напряжение на соединении резисторов, подключенных к базе T1, регулируется таким образом, чтобы проводит сразу после того, как сигнал переменного тока поднимается выше отметки 7 вольт. До тех пор, пока сигнал остается выше этого уровня, T1 остается включенным.

Это заземляет напряжение коллектора оптотранзистора, блокируя проводимость симистора, но в тот момент, когда напряжение достигает 7 вольт и приближается к нулю, транзисторы перестают проводить ток, позволяя симистору переключаться.

Процесс повторяется в течение отрицательного полупериода, когда T2, T3 проводят ток в ответ на напряжение выше минус 7 вольт, снова обеспечивая срабатывание симистора только тогда, когда фазовый потенциал приближается к нулю, что эффективно устраняет индукцию радиочастотных помех при пересечении нуля.

Схема цепи твердотельного реле на базе симистора

Список деталей

  • R1 = 120 K,
  • R2 = 680 K,
  • R3 = 1 K,

    • 1

  • R5 = 1 МОм,
  • R6 = 100 Ом 1 Вт,
  • C1 = 220 мкФ / 25 В,
  • C2 = 474 / 400 В Металлизированный полиэстер вольт, 1 Вт,
  • T1, T2 = BC547B,
  • T3 = BC557B,
  • TR1 = BT 36,
  • OP1 = MCT2E или аналогичный.

Схема печатной платы

Использование оптопары SCR 4N40

Сегодня, с появлением современных оптопар, изготовление высококачественных твердотельных реле (ТТР) стало действительно простым делом. 4N40 является одним из таких устройств, в котором используется фототиристор для необходимого изолированного срабатывания нагрузки переменного тока.

Эту оптопару можно легко настроить для создания высоконадежной и эффективной схемы твердотельного реле. Эта схема может использоваться для включения нагрузки 220 В через тщательно изолированный логический элемент управления 5 В, как показано ниже: типичный фототранзистор заменен фотосимистором (100 мА/400 В при 25°C). Главной особенностью этой ИС является то, что она практически позволяет использовать в схеме все формы управляемых кремнием выпрямителей (SCR) и симисторов, что обычно невозможно с оптронами на основе фототранзисторов. Определить тип симистора для изготовления твердотельного реле с управлением на 220 В можно в зависимости от типа нагрузки, на которую будет воздействовать реле.

Учитывая, что нагрузка ТТР резистивная, симистор TIC 226D/400 В можно использовать удовлетворительно. В случае, если для нагрузки указана индуктивная нагрузка, может потребоваться симистор на 630 В, например, типа ТИК 226М. Помните, что рабочее напряжение конденсатора C1 должно соответствовать характеристикам используемого симистора.

Входной резистор R1 можно определить в зависимости от уровня входного напряжения, В в . Его значение можно оценить по следующей формуле:

R1 = 1000 (V в — 1.3)/I oc .

В этом уравнении V в будет в вольтах, R1 в омах, а I oc будет в мА, что указывает на ток через светодиод в оптопаре MOC.