Практичне застосування та схеми підключення твердотельного реле - розповідаємо в загальних рисах

У цій статті ми поговоримо про твердотілий рел, позначимо його привілей перед механічним реле. Розглянемо управління і підключення твердотельного реле, принцип його роботи і конструкцію, а так само розберемо різні схеми.

Блок: 1/11 | Кол-во символів: 234Істочник: https://meanders.ru/chto-takoe-tverdotelnoe-rele-ego-shemy-upravlenie-i-podkljuchenie.shtml

Призначення та область застосування твердотільних реле

Твердотільні вироби призначені для забезпечення замикання і розмикання ділянок у високовольтних і низьковольтних електричних ланцюгах. Вони виконують ту ж функцію що і звичайні реле з механічними розмикачами контактів на основі електромагнітної котушки. Основна відмінність у тому, що вона не має механічних контактів і електромагніту, комутація здійснюється напівпровідниковими приладами.

Область застосування таких реле та ж що і звичайних, використовуються при необхідності комутації елементів індуктивного навантаження:

• У системах нагріву з електричними тенами;
• У виробничих технологіях, де необхідно підтримувати стабільну температуру;
• Для комутації ланцюгів систем управління в комплексі різного обладнання;
• У деяких випадках твердотільними реле замінюють безконтактні пускателі реверсного типу;
• У схемах управління електродвигунами;
• У системах контролю та діагностики обладнання, нагріву трансформаторів та інших елементів із встановленими межами певних параметрів у процесі експлуатації;
• У схемах управління рівнем освітлення на різних об'єктах.

Неможливо перерахувати всі варіанти, сфера застосування цих виробів дуже велика.

Блок: 2/11 | Кол-во символів: 1220Істочник: http://electric-tolk.ru/podklyuchenie-tverdotelnogo-rele/

Опис

На відміну від електромеханічних реле (EMR), які використовують котушки, магнітні поля, пружини і механічні контакти для управління і перемикання живлення, твердотельне реле або SSR не має рухомих частин, але замість цього використовує електричні та оптичні властивості напівпровідникових напівпровідників, виконує його вхід у функції ізоляції і перемикання виходу.

Як і звичайні електромеханічні реле, твердотільні реле забезпечують повну електричну ізоляцію між їх вхідними і вихідними контактами, а його вихід діє як звичайний електричний перемикач в тому сенсі, що він має дуже високий, майже нескінченний опір в непровідному (розімкнутому) і дуже низькому опорі при проведенні. Твердотельні релі можуть бути призначені для перемикання як змінного, так і постійного струму за допомогою SCR, тріак або переключаючого транзисторного виходу замість звичайних механічних нормально розімкнутих контактів.

У той час як твердотільне реле і електромеханічне реле в основному схожі в тому, що їх низьковольтний вхід електрично ізольований від виходу, який перемикає і контролює навантаження, електромеханічні реле мають обмежений життєвий цикл контакту, можуть займати багато місця і мають більш низькі швидкості перемикання, особливо великі силові реле і контактори.

Таким чином, основні переваги твердотільних реле порівняно зі звичайними електромеханічними реле полягають у тому, що у них немає рухомих частин, які зношуються, і, отже, немає проблем з відскоком контактів, вони можуть перемикати «ВКЛ» і «ВИКЛ» набагато швидше, ніж механічні реле може рухатися, а також вмикатися при нульовій напрузі і відключатися при нульовому струмі, що усуває електричні перешкоди і перехідні процеси.

Напівпровідникові реле можна купити в стандартних готових комплектах, від декількох вольт або ампер до багатьох сотень вольт і ампер вихідний комутаційної здатності. Однак твердотільні реле з дуже високим номінальним струмом (плюс 150 А) все ще занадто дорогі для покупки через їхні вимоги до силових напівпровідників і тепловіддачі, і, як такі, все ще використовуються більш дешеві електромеханічні контактори.

Подібно до електромеханічного рела, невелика вхідна напруга, зазвичай від 3 до 32 вольт постійного струму, може використовуватися для управління дуже великою вихідною напругою або струмом, наприклад 240В, 10А. Це робить їх ідеальними для взаємодії мікроконтролерів, PIC і Arduino, оскільки слаботочний 5-вольтний сигнал, скажімо, від мікроконтролера або логічного вентиля, може використовуватися для управління конкретним навантаженням ланцюга, і це досягається за допомогою опто-ізолятора.

Блок: 2/11 | Кол-во символів: 2758Істочник: https://meanders.ru/chto-takoe-tverdotelnoe-rele-ego-shemy-upravlenie-i-podkljuchenie.shtml

Конструкція твердотільних реле і принцип роботи

Назва твердотільна, вказує на структуру конструкції реле, схема якого зібрана з напівпровідникових приладів на друкованих платах, тиристорах, транзисторах або симісторах. Всі елементи поміщаються в жорсткий корпус, інколи заливаються епоксидною смолою, таким чином, виходить нерозбірна жорстка конструкція. З назовні виведені тільки контакти для управління і комутації навантаження.

Різні моделі твердотільних реле

Фактично кожен окремо взятий тиристор або транзистор є безконтактним твердотільним реле. При подачі керуючого напруги на напівпровідниковий кристал p-n-p переходи в його структурі відкриваються, пропускаючи струм, при знятті керуючої напруги закриваються, зупиняючи потік електронів.

Звичайне реле з електромагнітною котушкою і механічними контактами працює за таким же принципом. При подачі напруги на електромагнітну котушку сердечник втягується, розмикає або замикає контакти залежно від конструктивних особливостей виробу.

Оскільки габарити напівпровідників мають малі розміри в одному корпусі можна розмістити, комплексну систему комутації груп контактів різного призначення зі схемами на замикання або розмикання. При цьому застосовуються транзистори, симістори, тиристори з р-n - p або n - p - n переходами, залежно від функціонального призначення застосовують відповідні твердотільні реле.

Структурна схема твердотельного реле з основними елементами

Вироби відрізняються за технічними параметрами за величиною комутованого струму, напругою управління та багатьма іншими параметрами. У більшості випадків сигнал управління на вході віддається оптичним шляхом, через підсвічування світлодіодом, фотодіоду для включення комутації.

Блок: 4/11 | Кол-во символів: 1750Істочник: http://electric-tolk.ru/podklyuchenie-tverdotelnogo-rele/

Переваги твердотілих реле

Через явні переваги, твердотільні реле в порівнянні з електромагнітними зразками, успішно витісняють останні, розглянемо, в чому їх основні переваги:

• Конструкції твердотільних реле мають компактні розміри, надійну герметичність, стійки до механічних ударів та експлуатації в умовах сильної вібрації;
• Надійність роботи цих виробів така, що виробники гарантують кількість спрацьовувань більше мільярда разів;
• Робота приладу абсолютно безшумна, оскільки відсутня електромагніт і тріскуча група механічних контактів;
• Висока швидкодія;
• При спрацьовуванні відсутні побічні електромагнітні випромінювання, що створюють перешкоди для електроніки та радіотехнічної апаратури;
• Твердотільні реле практично універсальні, мають високу ступінь захистів. Можуть застосовуватися на об'єктах з будь-якими виробничими умовами, в побутових умовах або на вибухонебезпечних ділянках;
• Терміни експлуатації розраховані на десятки років, при цьому не потрібно регулярного технічного обслуговування;
• Оскільки відсутні електромагніти, то споживання електроенергії твердотільних реле на 90% нижче контактних.

До достоїнств можна віднести і зручну конструкцію для монтажу в різних місцях установки.

Блок: 3/11 | Кол-во символів: 1223Істочник: http://electric-tolk.ru/podklyuchenie-tverdotelnogo-rele/

Вхідний ланцюг постійного струму твердотельного реле

При використанні в якості сигналу активації механічних контактів, перемикачів, кнопок, інших контактів реле і т. д., використовувана напруга живлення може бути дорівнює мінімальному значенню вхідної напруги SSR, тоді як при використанні твердотельних пристроїв, таких як транзистори, вентилі і мікро-контролери, мінімальна напруга живлення має бути на один або два вольт вище напруги уті SSSSSTP.

Але крім використання напруги постійного струму, або ослаблення, або джерела, для перемикання твердотельного реле в проведений стан, ми також можемо використовувати синусоїдальну форму хвилі, додавши мостовий випрямлювач для двоперіодного випрямлення і схему фільтру на вхід постійного струму.

Блок: 4/11 | Кол-во символів: 860Істочник: https://meanders.ru/chto-takoe-tverdotelnoe-rele-ego-shemy-upravlenie-i-podkljuchenie.shtml

Вхідний ланцюг змінного струму твердотельного реле

Мостові випрямлювачі перетворюють синусоїдальну напругу на двопуперіодні випрямлені імпульси з подвоєної вхідної частотой. Проблема тут полягає в тому, що ці імпульси напруги починаються і закінчуються з нуля вольт, що означає, що вони впадуть нижче мінімальних вимог до напруги при включенні порогу входу SSR, в результаті чого вихід буде «вмикатися» і «вимикатися» в кожному пірі.

Щоб подолати це безладне спрацювання на виході, ми можемо згладити випрямлену горобку, використовуючи згладжуючий конденсатор (C1) на виході мостового випрямлювача. Ефект зарядки і розрядки конденсатора підвищить постійну складову випрямленого сигналу вище максимального значення напруги включення на вході твердотельних реле. Тоді, навіть якщо використовується постійно змінюється синусоїдальна форма, твердотельних реле.

Значення резистора падіння напруги R 1 і згладжуючого конденсатора C 1вибираються відповідно до напруги живлення, 120 В змінного струму або 240 В змінного струму, а також вхідним опором твердотельного реле. Але щось близько 40 кОм і 10 мкФ підійде.

Потім з додаванням цього мостового випрямителя і згладжуючого конденсаторного ланцюга можна керувати стандартним твердотільним реле постійного струму, використовуючи джерело змінного або неполяризованого постійного тока. Звичайно, виробники вже виробляють і продають вхідні твердотільні реле змінного струму (зазвичай від 90 до 280 В змінного струму).

Блок: 5/11 | Кол-во символів: 1602Істочник: https://meanders.ru/chto-takoe-tverdotelnoe-rele-ego-shemy-upravlenie-i-podkljuchenie.shtml

Вихід твердотельного реле

Можливості перемикання виходу твердотельного реле можуть бути як змінного, так і постійного струму, аналогічними його вимогам до вхідної напруги. Вихідний ланцюг більшості стандартних твердотельних реле сконфігурований для виконання тільки одного типу перемикаючої дії, що дає еквівалент нормально розімкнутого однополюсного однополюсного (SPST-NO) режиму роботи електромеханічного реле.

Для більшості твердотільних реле постійного струму зазвичай використовуються твердотільні комутаційні пристрої - силові транзистори, Дарлінгтона і MOSFET, тоді як для твердотельного реле змінного струму, комутаційні пристрої - це симісторні або двосторонні тиристори. Тиристори кращі через їх високу напругу і струм. Один тиристор також може використовуватися в схемі мостового випрямлювача, як показано на малюнку.

Найбільш поширеним застосуванням твердотільних реле є перемикання навантаження змінного струму, будь то керування потужністю змінного струму для включення/вимикання, затемнення світла, керування швидкістю двигуна або інші подібні програми, де необхідно керувати потужністю, ці навантаження змінного струму може легко управлятися за допомогою постійного струму низької напруги за допомогою твердотельного реле, що забезпечує тривалий термін служби і високі швидкості перемикання.

Однією з найбільших переваг твердотільних реле порівняно з електромеханічним реле є його здатність вимикати «змінні» навантаження змінного струму в точці нульового струму навантаження, тим самим повністю усуваючи іскріння, електричний шум і відскік контактів, пов'язані зі звичайними механічними реле та індуктивними навантаженнями.

Це пов'язано з тим, що твердотільні реле перемикання змінного струму використовують SCR і тріак в якості вихідного перемикаючого пристрою, який продовжує проводити після видалення вхідного сигналу до тих пір, поки змінний струм, що протікає через пристрій, не опуститься нижче свого порогового значення або не збереже значення струму. Тоді вихід SSR ніколи не зможе вимкнутися в середині піку синусоїдальної хвилі.

Відключення при нульовому струмі є основною перевагою використання твердотельного реле, оскільки воно зменшує електричні перешкоди і зворотну едс, пов'язані з перемиканням індуктивних навантажень, які бачаться як іскір контактами електромеханічного релею. Розглянемо діаграму форми вихідного сигналу нижче типового твердотельного реле змінного струму.

Блок: 6/11 | Кол-во символів: 2544Істочник: https://meanders.ru/chto-takoe-tverdotelnoe-rele-ego-shemy-upravlenie-i-podkljuchenie.shtml

Поетапний процес підключення ТТР (твердотільних реле)

Розглянемо один з найпростіших варіантів підключення напівпровідникового реле в систему освітлення:

• У розподільчій коробці, РЩ або на іншій ділянці ланцюга робиться розрив фазного проводу;
• У цей розрив підключається реле, контактами для комутації ланцюга;
• На контакти управління з дотриманням полярності підключаються дроти від джерела живлення постійного струму, це може бути акумулятор, трансформаторний або напівпровідниковий інвертор.

Підключення ланцюга управління робиться через кнопку пуску, оскільки досить короткочасно подати напругу для відкриття тиристора і замикання ланцюга. При подачі керуючого напруги і замиканні ланцюга комутації світиться світлодіодний індикатор, при розмиканні він гасне.

• Зазвичай реле і блок живлення для ланцюга управління кріпляться до плоскої поверхні саморезами або в розподільних шафах на дін-рейку.

Такі схеми комутації в системах освітлення з метою безпеки виробництва ефективно застосовуються на об'єктах хімічної, гірничодобувної промисловості. Скрізь де є ймовірність вибуху в загазованому просторі, відсутність шукачів механічних контактів істотно знижує ймовірність вибуху. Статтю  Реле струму пріоритетне.

Блок: 6/11 | Кол-во символів: 1362Істочник: http://electric-tolk.ru/podklyuchenie-tverdotelnogo-rele/

Форма вихідного сигналу твердотільного реле

За відсутності вхідного сигналу струм навантаження не протікає через SSR, оскільки він фактично вимкнений (розімкнутий), а вихідні клеми бачать повну напругу живлення змінного струму. При застосуванні вхідного сигналу постійного струму, незалежно від того, яку частину синусоїдального сигналу, позитивного або від'ємного, проходить цикл, через характеристики перемикання SSR при нульовій напрузі, вихід включається тільки тоді, коли сигнал перетинає нульову точку.

Коли напруження живлення збільшується в позитивному або негативному напрямку, воно досягає мінімального значення, необхідного для повного включення вихідних тиристорів або симістора (зазвичай менш ніж близько 15 вольт). Падіння напруги на вихідних клемах SSR відповідає падінню напруги перемикаючого пристрою V T (зазвичай менше 2 вольт). Таким чином, будь-які високі пускові струми, пов'язані з реактивними або ламповими навантаженнями, значно знижуються.

Коли сигнал вхідної напруги постійного струму видаляється, вихід не вимикається раптово, оскільки після спрацювання провідності тиристор або тріак, який використовується як пристрій, що перемикає, залишається увімкненим протягом решти напівперіоду, поки струми навантаження не впадуть нижче утримуючих пристроїв струму, в цей момент він вимикається. Таким чином, висока зворотна ЕДС dv/dt, пов'язана з перемиканням індуктивних навантажень в середині синусоїди, значно знижується.

Тоді основними перевагами твердотельного реле змінного струму над електромеханічним реле є його функція перетину нуля, яка включає SSR, коли напруга навантаження змінного струму близько до нуля вольт, таким чином пригнічуючи будь-які високі пускові струми, оскільки струм навантаження завжди буде запускатися від точки, близької до 0 В, і властивої нульової характеристики відключення струму тиристора або симістора.Тому існує максимально можлива затримка вимкнення (між видаленням вхідного сигналу і відключенням струму навантаження) в один напівперіод.

Блок: 7/11 | Кол-во символів: 2066Источник: https://meanders.ru/chto-takoe-tverdotelnoe-rele-ego-shemy-upravlenie-i-podkljuchenie.shtml

Види твердотільних реле

Твердотельне реле належить до модульних напівпровідникових приладів, виготовлених за гібридною технологією. У них використовуються симісторні, тиристорні або транзисторні структури, які служать основою для створення потужних силових ключів. Вони успішно замінюють традиційні контактори та електромагнітні реле.

За типом навантаження напівпровідникові пристрої можуть бути однофазними або трифазними. Вони здатні комутувати напругу в найширшому діапазоні - від 40 до 440 вольт, що робить можливим їх застосування в різних областях.

Залежно від типу управління, існує 3 групи реле:

• Для комутації напруги постійного струму від 3 до 32 вольт.
• Для комутації напруги змінного струму від 90 до 250 вольт.
• Для ручного управління вихідною напругою, коли застосовуються змінні резистори, опір від 40 до 560 кОм, потужністю від 0,25 до 0,5 Вт.

Твердотельні реле розрізняються і за способом комутації:

• Пристрої, що контролюють перехід через нуль. За їх участю комутуються резистивні, ємнісні та слабоіндуктивні навантаження. Коли подається керуючий сигнал, вихідна напруга з'являється при першому перетині нульового рівня лінійною напругою. За рахунок цього відбувається зменшення початкового кидка струму, знижується рівень електромагнітних перешкод, зростає термін експлуатації комутованих навантажень. Цей тип реле не може використовуватися для комутації високоіндуктивних навантажень, наприклад, трансформаторів на холостому ходу.
• Пристрої з миттєвим (випадковим) включенням. Застосовуються для комутації навантажень, коли необхідно миттєве спрацювання. Вихідна напруга виникає спільно з подачею керуючого сигналу із затримкою включення, що не перевищує 1 мілісекунди. Такі релі можуть включатися на будь-яких ділянках синусоїдальної напруги. Істотним недоліком цих пристроїв є імпульсні перешкоди і початкові кидки струму, що виникають при комутації.
• Фазове управління. За допомогою реле змінюється величина вихідного напруження навантаження. Це дозволяє регулювати потужність нагрівальних елементів і рівень освітленості ламп розжарювання.

Блок: 4/5 | Кол-во символів: 2134Істочник: https://electric-220.ru/news/tverdotelnoe_rele/2016-12-21-1144

Фазорегулююче твердотільне реле

Хоча твердотільні реле можуть виконувати пряме перемикання навантаження при перетині нуля, вони також можуть виконувати набагато більш складні функції за допомогою цифрових логічних схем, мікропроцесорів і модулів пам'яті. Інше чудове застосування твердотільного реле - в пристроях з диммером ламп, будь то вдома, для шоу або концерту.

Твердотельні реле з ненульовим включенням (миттєве включення) включаються відразу після подачі вхідного керуючого сигналу, на відміну від SSR перетину нуля, який вище, і очікує наступної точки перетину нуля синусоїдальної хвилі змінного струму. Це випадкове перемикання при пожежі використовується в резистивних пристроях, таких як диммер ламп, і в пристроях, в яких навантаження повинно подаватися тільки протягом невеликої частини циклу змінного струму.

Блок: 8/11 | Кол-во символів: 852Істочник: https://meanders.ru/chto-takoe-tverdotelnoe-rele-ego-shemy-upravlenie-i-podkljuchenie.shtml

Використання андруїно

Для розширення можливостей і сфер застосування твердотільних реле широко використовують універсальні плати з процесором андруїно, які дозволяють керувати перемиканням різних пристроїв. Це той випадок, коли сигнал управління 3-5В, процесор підключається до комп'ютера, з відповідним програмним забезпеченням яке управляє роботою твердотільних реле, посилаючи на вхід сигнали управління.

Програмне забезпечення можна коригувати самостійно, методика С++ не складна, доступна для звичайного обивателя програміста, який не має спеціальної освіти, і навичок в електроніці. Ця тема потребує окремого детального розгляду. Управління здійснюється роботою різних пристроїв:

• Замиканням кнопки пуску будь-якого пристрою (дзвінка, освітлення, звукової сигналізації);
• Поворотом пристрою приводів;
• Включенням електромоторів;
• Включенням датчиків освітлення;
• При припиненні лазерного променя в охоронних системах сигналізації;
• Спрацьовування датчиків руху;
• Датчики температур, що керують опалювальною системою;
• Відправляти сигнали на інший андруїно і багато інших функцій.

Блок: 8/11 | Кол-во символів: 1659Істочник: http://electric-tolk.ru/podklyuchenie-tverdotelnogo-rele/

Форма сигналу з довільним перемиканням

Хоча це дозволяє контролювати фазу сигналу навантаження, основна проблема з