Что такое твердотельное реле

Реле – это электрический коммутационный прибор, принцип работы которого идентично обычному переключателю. То есть это элемент, который соединяет или разъединяет электрическую цепь, когда сила тока начинает изменяться. Сегодня в электричестве используется большое количество моделей реле, из которых выделяется твердотельное. Его используют для коммутации силовых цепей управления, где присутствуют ток и напряжение малого значения. Ниже расскажем о том, что такое твердотельное реле: схема соединения, характеристики, маркировка и прочее.

Устройство твердотельного реле

Во-первых, этот коммутационный прибор относится к категории бесконтактных. То есть в его конструкции отсутствует подвижный контакт, который присутствует, например, в механических аналогах. Хотя принцип работы двух моделей друг от друга мало чем отличается. Просто в твердотельном варианте используются полупроводниковые элементы переключающего типа: транзисторы, тиристоры, диоды, симисторы. Поэтому твердотопливные модели более компактны, потому что в их конструкции нет движущихся элементов.

Этот полупроводниковый блок собирается из нижеобозначенных элементов:

• Входной узел, который принимает сигнал и передает его дальше на переключатели.
• Схема подключения триггерного типа, которая отвечает за дальнейшую передачу полученного сигнала. Схема может быть включена в комплекс единой развязки, она оптическая. Или быть автономным элементом.
• Развязка. Может быть гальванической или оптической. Она разделяет основную и контролирующую цепь, в которой протекает переменный ток.
• Узел переключения. Его функция – контролировать нагрузки.
• Предохранители. Функция стандартная – отключать защитную цепь.
• Узел выходной. Собирается из контактов или клемм, с помощью которых нагрузка подключается.

Элементы, из которых собирается блок, могут меняться в зависимости от типа прибора. Но в качестве силовых применяют транзисторы, если твердотельное реле будет устанавливаться в цепь переменного тока. Если в цепь постоянного, тогда симисторы и тиристоры.

Внимание! Размеры твердотельных реле зависят от того, какие нагрузки они могут выдерживать и от способности отводить тепловую энергию, выделяющуюся при нагрузках на электрическую цепь.

Область применения

Основное назначение твердотопливных реле – контролировать электронные аппараты, приборы, системы и оборудование с условием, что все они подключаются к силовой электрической цепи мощностью 20-480 Вт. То есть устанавливаются в маломощные приборы и установки. Например:

• бытовые электрические приборы: чайники, стиральные и посудомоечные машинки, холодильники, утюги и прочее;
• в системы, куда подключены ТЭНы;
• в системы настройки освещения, различных датчиков, например, движения;
• в электронной системе автомобилей;
• автоматика промышленных систем, оборудования, приборов и прочего.

Классификация

Существует несколько модельных линеек, которые отличаются друг от друга несколькими особенностями. И первое отличие – по способу монтажа, где установка проводится на разные основы:

• опорные поверхности;
• печатные плата;
• DIN-рейки;
• на шурупы.

Главная задача при любом способе монтажа – это интенсивное охлаждение твердотельного реле. Чаще между прибором и опорой устанавливают радиаторы. Сегодня все чаще применяют термопасту, которая увеличивает площадь охлаждения теплоотдающей поверхности. Если монтаж проводится на DIN-рейку, то реле устанавливается на специальные кронштейны.

Второе отличие – как переключается коммутативная цепь. Здесь три группы.

• Регулировка проводится через «ноль». Такие рели применяют в сетях со слабыми нагрузками разного типа: индуктивными, емкостными или резистивными. Элемент обычно срабатывает при нулевом напряжении управляющего типа.
• Мгновенное срабатывание. Реле устанавливают в электрических цепях, где необходимо резкое отключение.
• Фазовые. Твердотельные реле этого типа устанавливаются чаще в осветительных системах, где применяются лампы накаливания. С их помощью производится регулировка освещенности. Или используются в качестве температурных переключателей в полупроводниковых нагревательных приборах.

Третье отличие – тип управления. Здесь три позиции:

• с помощью тока переменного напряжением 90-230 В, то есть сетевое напряжение 220 В сюда попадает;
• с помощью постоянного напряжением 3-32 В;
• с помощью резистора переменного типа с сопротивлением 400-600 кОм.

Четвертое отличие – тип тока: переменный или постоянный. Чаще используют твердотельные реле, работающие на переменном токе. У этих элементов практически мгновенное срабатывание, высокая экономичность и пониженная степень помех электромагнитного типа.

Пятое – количество фаз, подключенных к реле: одно- и трехфазные. Первые работает в цепях с силой тока 10-500 А, куда попадают бытовые приборы. Здесь используются резисторы и аналоговые сигналы. Вторые устанавливаются в сети с током 10-120 А. Их назначение – одновременно регулировать несколько электрические цепи управления.

Внимание! Подключать трехфазные твердотельные реле надо проводами разного цвета.

Конструктивные особенности

Твердотельное реле – это плато в пластиковом корпусе. Плато состоит из трех элементов.

• Блок управления. Его задача – обеспечивать стабильное напряжение в диапазоне 70-220 В.
• Блок развязки, который состоит из двух элементов: подающего и принимающего сигнал. Последний является световым, поэтому обе элемента разделены прозрачным диэлектриком.
• Силовые ключи: для реле, работающего на переменном токе, это тиристоры и симисторы. Работающего на постоянном токе – транзисторы.

Внимание! Реле устанавливается после нагрузки и обязательно заземляется, чтобы предотвратить появления короткого замыкания.

Схемы подключения

Существует несколько схем, которые друг от друга отличаются особенностями подключения нагрузки. Чаще используют четыре.

• Открытая схема, она же разомкнутая. Как только появляется управляющий сигнал, реле подключается к напряжению. Сигнал исчезает, реле отключается.
• Замкнутая. И при наличии сигнала, и без него твердотельное реле находится в рабочем состоянии, то есть под напряжением.
• Трехфазная, в которой элемент электрической цепи подключается по одной из трех схем: треугольник, звезда или звезда с нейтралью.
• Реверсивная схема используется только в трехфазном подключении. Ее особенность – возможность включать сразу два уровня управления.

Внимание! Независимо от типа схемы, реле должно подключаться с учетом полярности. Если подключить неправильно, то появление короткого замыкания и удара током неизбежны.

Как работает твердотельное реле

Устройство всех видов твердотельных реле одинаковая. В некоторых моделях есть отличительные особенности, которые на принцип работы прибора не влияют. Суть работы реле заключается в размыкании и замыкании контактов, которые собой представляют клеммы. Именно через них передается напряжение.

Чтобы клеммы срабатывали, нужно обеспечить взаимодействие управляемого и управляющего сигналов. Именно для этого в конструкцию устанавливается развязка: или оптическая, или гальваническая. Сегодня все чаще используют первый вариант, состоящий из светодиода и фоточувствительного устройства. Последний – это или семистор, или транзистор. Связка двух элементов называется оптопара или оптоизолятор. Ее задача – изолировать вход от выхода.

Как все это работает:

• напряжение от электрической цепи попадает на светодиод;
• он загорается и передает световой сигнал на фоточувствительное устройство;
• последний срабатывает, сигнализируя блоку управления, что напряжение подано;
• контакты замыкаются.

Технические характеристики

В зависимости от требований, обращать внимание надо на следующие параметры:

• потребляемая мощность;
• ток срабатывания – не более 7,5 мА;
• напряжение на входе и выходе;
• способность перегрузиться – усредненно в течение 10 секунд;
• тип изоляции – оптимально она должна выдерживать 2,5 кВ в течение одной минуты при сопротивлении более 50 мОм;
• размеры;
• материал, из которого изготовлено реле;
• способы монтажа;
• тип встроенной защиты – сегодня это сменные предохранители.

Например, как выбрать по перегрузочной способности. При работе реле на постоянном токе, выбирается показатель из трех значений: 90, 250 или 380 А в течение 10 мс. Если ток переменный, тогда 120, 300 или 410 А.

При этом необходимо учитывать и другие аспекты.

• Способ коммутации. Чаще всего используют элементы, в которых управление проходит через ноль. Такие реле хорошо подойдут электрическим цепям, где действует резистивная нагрузка. Достоинства варианта – отсутствие помех, которые часто возникают при включении.
• Фазовое управление. Обычно его применяют в управлении трансформаторов ИК-излучателей, освещения, где используются резистивные схемы. Достоинство – регулировка проходит плавно и безразрывно. Недостаток – помехи при включении. Твердотельное реле с фазным регулятором легко отличить от остальных специальным изображением, расположенным около клемм на входе.
• Нагрузки: параметры и типы.

Последний аспект более подробно, потому что ток – один из главных и важных параметров. Поэтому элемент по току выбирают с запасом, чтобы его надежность не упала. Величина запаса по различным нагрузкам:

• для нагревателей, где нагрузка активная – 30-40% запаса;
• для электродвигателей асинхронного типа, где нагрузка индуктивная – 6-10%;
• для катушек, установленных в электромагнитных реле – 4-10%;
• для ламп накаливания – 8-12%.

Внимание! С индуктивной нагрузкой надо быть осторожным, потому что при включении электродвигателя пусковой ток увеличивается в 3-4 раза.

И еще два дополнительных аспекта, которые тоже считаются важными. Первый – наличие охлаждения. Рабочая температура, если она предельно допустимая, никак не повлияет на работоспособность твердотельного реле. Максимальное здесь значение +60°C.

На температурный режим эксплуатации влияют:

• температура окружающей среды;
• величина нагрузки на реле;
• циркуляция воздуха присутствует или нет;
• место установки.

Если токовая нагрузка большая, то необходимо организовать охлаждение при помощи вентиляции, установки радиатора или любого другого способа.

Внимание! Если твердотельное реле нагрелось до +80°C, оно выходит из строя. Повышение температуры элемента на 10°C снижает пропускную способность на 20-25%.

Второй дополнительный аспект – защита. Здесь четыре позиции.

• Защита от ложных срабатываний, когда реле работает на индуктивной нагрузке. Для этого устанавливается RC-цепь.
• Защита от краткосрочных скачков напряжения – варисторы, которые подбираются в зависимости от величины напряжения коммутации. Показатель варьируется в диапазоне 1,6-2 В.

• Защита от перегрузки. Здесь устанавливаются полупроводниковые предохранители.
• Защита от небольшого тока, который уменьшает корректную работу реле. Устанавливаются шунтирующие резисторы. Врезаются параллельно нагрузке.
• Защита от КЗ. Для этого устанавливаются плавкие предохранители, которые разработаны специально для реле твердотельного типа. Они моментально разрывают цепь управления до того, как произойдет пробой.

Внимание! После срабатывания плавкие предохранители подлежать обязательной замене.

Чем отличается электромагнитное реле от твердотельного

Основное отличие – катушка и подвижный контакт в конструкции электромагнитного реле. Если подать напряжение на катушку, образуется электромагнитное поле, которое действует на якорь. Последний расположен внутри катушки и под действием электромагнитной силы перемещается. Соединен якорь с подвижным контактом прочно. При перемещении он тянет за собой контакт, пододвигая его к контакту неподвижному до полного их соединения, по-другому замыкания.

В твердотопливном реле полное отсутствие движения, поэтому эта разновидность не подвержена механическому износу.

Достоинства и недостатки твердотельного реле

Список плюсов значительный:

• компактность;
• не вибрирует, не шумит;
• скорость коммутации мгновенная – доли миллисекунд;
• никаких помех, особенно электромагнитных;
• эксплуатационный ресурс практически неограничен;
• выходное сопротивление в течение эксплуатации не изменяется;
• электричество потребляет незначительно;
• нагрузку можно регулировать;
• вибрация, запыленность, повышенная влажность, помехи разного типа не влияют на работу твердотельного реле;
• сфера применения – широкая;
• можно использовать на объектах с повышенной взрыво- и пожарной опасностью, потому что при переключении реле не выделяет искр.

И несколько минусов:

• если появляются скачки напряжения, прибор срабатывает ложно, что происходит достаточно часто;
• при коротких замыканиях и перегрузках могут выйти из строя силовые ключи;
• элемент может перегреваться;
• присутствует так называемый ток утечки, который даже при выключенном реле поддерживает напряжение в фазном проводе;
• стоит дороже других видов и моделей.

Внимание! Твердотельные реле обязательно периодически осматривают на предмет целостности изоляции и корпуса.

Как правильно подключить твердотельное реле

Во-первых, все соединения должны быть винтовыми без пайки. Во-вторых, обязательно соблюдается полярность. Нельзя размещать реле около легковоспламеняющихся веществ, материалов и предметов.

Главное не перепутать контакты, где нагрузка подключается к входному блоку. Ниже схема подключения.

Маркировка элемента

У отечественных и зарубежных производителей маркировки отличаются. Но во всех есть одинаковые параметры и обозначения, которые показывают одно и тоже. Например, нагрузка, обозначаемая в амперах: 0,5-5; 5-40 и далее.

Тип охлаждения:

• w- водяное;
• а – воздушное.

Какого типа корпус:

• Н – стандарт;
• М – малогабаритный;
• В – промышленный;
• SB – малогабаритный промышленный;
• G – с увеличенным теплоотводом промышленного исполнения.

Внимание! Охлаждение реле обустраивается только в элементах категории «G».

К какому типу фазности относится: TTR(T) – трехфазный, SSR(D) – однофазный.

Если в маркировке есть буква «Н», то это говорит, что реле можно использовать в электрических цепях с высоким напряжением.

Коротко о главном

Твердотельное реле – лучшая альтернатива всем коммутационным приборам этого типа. Относится к категории бесконтактных, отсюда длительный срок службы, высокая точность коммутации и быстрота реагирования на изменения тока и напряжения. Это компактные приборы, которые в процессе работы не гудят, не вибрируют, не искрят. Могут работать в сложных условиях, но самое опасное для них – высокая температура. Уже при +80°C реле выходит из строя. Главная задача электромонтажника – правильно установить элемент в электрическую цепь, не перепутав полярность.