Твердотельное реле: виды, практическое применение, схемы подключения

Классические пускатели и контакторы постепенно уходят в прошлое. Их место в автомобильной электронике, бытовой технике и промышленной автоматике занимает твердотельное реле – полупроводниковое устройство, в котором отсутствуют какие-либо подвижные части.

Приборы имеют различные конструкции и схемы подключения, от которых зависят их сферы применения. Прежде чем использовать устройство, необходимо разобраться в его принципе действия, узнать об особенностях функционирования и подключения разных видов реле. Ответы на обозначенные вопросы подробно изложены в представленной статье.

Устройство твердотельного реле

Современные твердотельные реле (ТТР) представляют собой модульные полупроводниковые приборы, являющиеся силовыми электропереключателями.

Ключевые рабочие узлы этих устройств представлены симисторами, тиристорами или транзисторами. ТТР не имеют подвижных частей, чем отличаются от электромеханических реле.

Размер твердотельного реле во многом зависит от максимально допустимой нагрузки и возможности отводить тепло путем теплопередачи и конвекции (+)

Внутреннее устройство этих приборов может сильно различаться в зависимости типа регулируемой нагрузки и электрической схемы.

Простейшие твердотельные реле включают такие узлы:

• входной узел с предохранителями;
• триггерная цепь;
• оптическая (гальваническая) развязка;
• переключающий узел;
• защитные цепи;
• узел выхода на нагрузку.

Входной узел ТТР представляет собой первичную цепь с последовательно подключенным резистором. Предохранитель в эту цепь встраивается опционально. Задача узла входа – принятие управляющего сигнала и передача команды на коммутирующие нагрузку переключатели.

При переменном токе для разделения контролирующей и основной цепи применяют гальваническую развязку. От её устройства во многом зависит принцип работы реле. Ответственная за обработку входного сигнала триггерная цепь может включаться в узел оптической развязки или располагаться отдельно.

Защитный узел препятствует возникновению перегрузок и ошибок, ведь в случае поломки прибора может выйти из строя и подключенная техника.

Основное предназначение твердотельных реле – замыкание/размыкание электрической сети с помощью слабого управляющего сигнала. В отличие от электромеханических аналогов, они имеют более компактную форму и не производят в процессе работы характерных щелчков.

Принцип работы твердотельного реле

Работа твердотельного реле заключается в коммутации электрической цепи. Такие реле имеют клеммы для управления и клеммы для коммутации управляемой цепи. При подаче необходимого напряжения или другого сигнала, необходимого для используемого реле, выходная цепь замкнется.

В отличие от электромеханического реле, где все коммутационные операции происходят с помощью электромагнита и механических контактов, в твердотельном реле эти функции выполняют полупроводниковые элементы. Для реле переменного тока этими устройствами являются тиристоры или симисторы, а для постоянного тока транзистор.

Управление реле происходит с помощью специального элемента – оптрона. За счет его использования появляется гальваническая развязка. Управляющее напряжение питает светодиод, который начинает светиться. Его свечение приводит в действие фотодиод, ток которого включает полупроводниковый элемент (тиристор, транзистор и т.п.), который коммутирует нагрузку.

По типу переключения можно выделить следующие типы реле:

• С коммутацией перехода через ноль – при подаче напряжения на вход, коммутация происходит, когда значение синусоиды достигнет нуля:

• Мгновенное включение – при появлении управляющего напряжения, коммутация произойдет мгновенно:

• Фазовое управление – меняя сопротивление, меняется мощность на нагрузке:

Принцип работы ТТР

Работа твердотельного реле довольно проста. Большинство ТТР предназначено для управления автоматикой в сетях 20-480 В.

Оптическая развязка позволяет создавать управленческие сигналы минимальной мощности, что критически важно для датчиков, работающих от автономных источников питания (+)

При классическом исполнении в корпус прибора входит два контакта коммутируемой цепи и два управляющих провода. Их количество может изменяться при увеличении количества подключенных фаз. В зависимости от наличия напряжения в управляющей цепи, происходит включение или выключение основной нагрузки полупроводниковыми элементами.

Особенностью твердотельных реле является наличие небесконечного сопротивления. Если контакты в электромеханических устройствах полностью разъединяются, то в твердотельных отсутствие тока в цепи обеспечивается свойствами полупроводниковых материалов.

Поэтому при повышенных напряжениях возможно появление небольших токов утечки, которые могут негативно сказаться на работе подключенной техники.

Принцип работы

Устройство твердотельного реле
Твердотельное реле – это модульный полупроводниковый прибор, используемый для замыкания и размыкания электрических сетей. Он представлен в виде транзисторов, симисторов, тиристоров. Твердотельные реле также называются SSR (solid state relay).

Основные компоненты, из которых состоит реле:

• входной узел;
• предохранители;
• триггерная цепь;
• развязка;
• узел переключения;
• защитная цепь;
• выходной узел.

Большая часть твердотельных реле применяется для автоматики, подключенной к электросети 20-480 Вольт.

Принцип действия устройства прост. В корпус реле входят два контакта и два управляющих провода. Их число может изменяться в зависимости от фаз, которые были подключены. Под действием напряжения происходит переключение основной нагрузки.

Работая с реле, нужно учитывать, что под высокими напряжениями есть риск появления небольших токов утечки, которые могут навредить технике. Это связано с тем, что в реле остается небольшое сопротивление.

Классификация твердотельных реле

Сферы применения реле разнообразны, поэтому и их конструктивные особенности могут сильно отличаться, в зависимости от потребностей конкретной автоматической схемы. Классифицируют ТТР по количеству подключенных фаз, виду рабочего тока, конструктивным особенностям и типу схемы управления.

По количеству подключенных фаз

Твердотельные реле используются как в составе домашних приборов, так и в промышленной автоматике с рабочим напряжением 380 В.

Поэтому эти полупроводниковые устройства, в зависимости от количества фаз, разделяются на:

• однофазные;
• трехфазные.

Однофазные ТТР позволяют работать с токами 10-100 или 100-500 А. Их управление производится с помощью аналогового сигнала.

К трехфазному реле рекомендуется подключать провода различных цветов, чтобы при монтаже оборудования можно было правильно их присоединить

Трехфазные твердотельные реле способны пропускать ток в диапазоне 10-120 А. Их устройство предполагает реверсивный принцип функционирования, который обеспечивает надежность регуляции одновременно нескольких электрических цепей.

Часто трехфазные ТТР используются для обеспечения работы асинхронного двигателя. В его электросхему управления обязательно включаются быстрые предохранители из-за высоких пусковых токов.

По виду рабочего тока

Твердотельные реле нельзя настроить или перепрограммировать, поэтому они могут нормально работать только при определенном диапазоне электропараметров сети.

В зависимости от потребностей ТТР могут управляться электроцепями с двумя видами тока:

• постоянным;
• переменным.

Аналогично можно классифицировать ТТР и по виду напряжения активной нагрузки. Большинство реле в бытовых приборах работают с переменными параметрами.

Постоянный ток не используется в качестве основного источника электроэнергии ни в одной стране мира, поэтому реле такого типа имеют узкую сферу применения

Устройства с постоянным управляющим током характеризуются высокой надежностью и используют для регуляции напряжение 3-32 В. Они выдерживают широкий диапазон температур (-30..+70°С) без значительного изменения характеристик.

Реле, регулирующиеся переменным током, имеют управляющее напряжение 3-32 В или 70-280 В. Они отличаются низкими электромагнитными помехами и высокой скоростью срабатывания.

По конструктивным особенностям

Твердотельные реле часто устанавливают в общий электрощит квартиры, поэтому многие модели имеют монтажную колодку для крепления на DIN-рейку.

Кроме того, существуют специальные радиаторы, располагающиеся между ТТР и опорной поверхностью. Они позволяют охлаждать прибор при высоких нагрузках, сохраняя его рабочие характеристики.

Реле крепиться на DIN-рейку преимущественно через специальный кронштейн, который имеет и дополнительную функцию – отводит излишки тепла при работе прибора

Между реле и радиатором рекомендуется наносить слой термопасты, который увеличивает площадь соприкосновения и увеличивает теплоотдачу. Существуют и ТТР, предназначенные для крепления к стене обычными шурупами.

По типу схемы управления

Не всегда принцип работы регулируемой реле техники требует его мгновенного срабатывания.

Поэтому производители разработали несколько схем управления ТТР, которые используются в различных сферах:

1. Контроль «через ноль». Такой вариант управления твердотельным реле предполагает срабатывание только при значении напряжения, равном 0. Используется в устройствах с емкостной, резистивной (нагреватели) и слабой индуктивной (трансформаторы) нагрузкой.
2. Мгновенное. Используется при необходимости резкого срабатывания реле при подаче управляющего сигнала.
3. Фазовое. Предполагает регулирование выходного напряжения методом изменения параметров управляющего тока. Применяется для плавного изменения степени нагрева или освещения.

Твердотельные реле различаются и по многим другим, менее значимым, параметрам. Поэтому при покупке ТТР важно разобраться в схеме работы подключаемой техники, чтобы приобрести максимально соответствующее ей регулировочное устройство.

Обязательно должен быть предусмотрен запас мощности, потому что реле имеет эксплуатационный ресурс, который быстро расходуется при частых перегрузках.

Однофазные и трехфазные твердотельные реле, реверсивные трехфазные твердотельные реле

Представляем Вашему вниманию твердотельные реле, которые признаны одними из самых эффективных полупроводниковых приборов для коммутации. В их основе лежат современные разработки, соответствующие всем международным стандартам качества и легкости в эксплуатации. Ниже представлены основные виды твердотельных реле:

Твердотельное реле представляет собой полупроводниковый прибор, основное предназначение которого заключается в коммутации цепей как постоянного, так и переменного тока. При этом непосредственного контакта не происходит, что значительно упрощает процедуру эксплуатации и делает работу данного прибора более безопасной и долговечной. Благодаря этим своим преимуществам твердотельные реле уверенными темпами вытесняют своих предшественников – электромагнитные контакторы и реле, которые по своим характеристикам не могут с ними конкурировать.

Сфера использования данных приборов достаточно широкая. Это – система управления электродвигателями, электромагнитами, освещением, нагревом, трансформаторами и многими другими техническими средствами и операциями. Здесь их характеристики раскрываются должным образом.

Разберем более подробно особенности и преимущества твердотельных реле, чем они кардинально отличаются от своих предшественников. В первую очередь, при их использовании значительно снижается уровень электромагнитных помех. Также при переключениях отсутствуют искрения и дребезг контактов. Это позволяет всему оборудованию значительно дольше сохранять свои изначальные характеристики и значительно замедляет интенсивность износа.

Кроме того, при переключениях и разных фазах эксплуатации отсутствует также и акустический шум. Учитывая и без того высокий уровень шумового загрязнения в современных городах и на промышленных и других объектах, данное преимущество является весьма привлекательным и актуальным. Что же касается экономии, то работа твердотельного реле не требует значительных энергетических затрат, как это наблюдается при использовании электромагнитных контакторов и реле предыдущих поколений.

Оперативность выполнения команд по переключению достаточно высокая. Быстродействие оставляет далеко позади предшествующие разновидности реле. Управляющее напряжение твердотельных реле зависит от ряда параметров и колеблется в зависимости от конкретного наименования. Наличие же множества моделей данных изделий позволяет выбрать конкретную из них в зависимости от особенностей будущей эксплуатации и характеристик объекта. Каждое наименование рассчитано на свои условия эксплуатации, при которых их преимущества раскрываются в полной мере. Существует несколько основных разновидностей твердотельных реле. Это – однофазные, трехфазные и реверсивные.

Однофазные аналоги обеспечивают коммутацию переменного тока при его переходе через ноль. Они выпускаются в двух видах корпусного исполнения: GDH – однофазное твердотельное реле с коммутацией тока от 10 до 120 Ампер и GDM – однофазные твердотельные реле в корпусе промышленного исполнения с коммутацией тока от 100 до 500 Ампер. Управляющее напряжение при этом составляет 70-280V AC, 3-32V DC. Также возможно фазовое (аналоговое) управление тремя способами: 1) аналоговый сигнал 4-20мА; 2) аналоговый сигнал 0-10V DC; 3) переменный резистор 470-560кОм/2Вт. Для управления пременным резистором необходимо использовать потенциометр VR-RV-24YN-B504 (500 кОм), который применяется совместно с реле GDHxxxxxVA для плавного управления нагрузкой. Переменный резистор VR-RV-24YN-B103 (10 кОм) используется для управления оборотами электродвигателя через частотный преобразователь.

Трехфазные реле обозначаются GTH и позволяют коммутировать ток от 10 до 120 Ампер сразу в трех фазах, что является большим преимуществом при коммутации трехфазных нагрузок. Управляющее напряжение также может быть двух видов: 70-280V AC и 3-32V DC.

Трехфазные реверсивные твердотельные реле отличаются от них по ряду характеристик. В маркировке трехфазные аналоги обозначают аббревиатурой GTR. Это полупроводниковые приборы, задача которых осуществлять бесконтактную коммутацию цепей переменного и постоянного тока. Основная задача у них не отличается от однофазных реле, однако характер ее выполнения имеет свои особенности. Так, в трехфазное реверсивное твердотельное реле встроена специальная RC-цепь, которая обеспечивает надежную защиту от ложного включения.

Это очень актуально при эксплуатации на индуктивной нагрузке. Также возможности данных приборов позволяют их использовать при запуске и управлении асинхронными двигателями, осуществляя их реверс. Однако для этого необходимо соблюдать некоторые условия, в частности, учитывать пусковые токи каждого двигателя, чтобы подбирать прибор со значительным запасом по току.

Хорошо, если данный запас будет многократный – это сделает эксплуатацию более безопасной, оперативной и эффективной. Также, при эксплуатации любых твердотельных реле необходимо обеспечивать дополнительный отвод тепла, используя соответствующий радиатор. Если есть угроза кратковременного перенапряжения реле, в целях защиты прибора используются варисторы. В качестве же защиты от ряда возможных перегрузок напряжения выступают быстродействующие предохранители.

Трехфазные реверсивное твердотельные реле характеризуются продолжительным сроком службы. Управляющее напряжение возможно только 3-32V DC. Коммутация осуществляется сразу по трем фазам. Во время эксплуатации также гарантируется отсутствие акустического шума, искрения и дребезга во время переключения, обеспечивается высокая оперативность управления напряжением. Между управляемой и коммутируемой цепью наблюдается высокое сопротивление изоляции. Это также усиливает долговечность работы прибора. Само управление коммутацией осуществляется при переходе тока через ноль посредством светодиодной индикации направления вращения.

Преимущества и недостатки ТТР

Твердотельные реле не зря вытесняют с рынка обычные пускатели и контакторы. Эти полупроводниковые приборы обладают множеством преимуществ перед электромеханическими аналогами, которые заставляют потребителей останавливать выбор именно на них.

Реле для микросхем имеет компактные размеры и сильно ограничены по максимально пропускаемому току. Крепятся они преимущественно путем припаивания специальных ножек

К таким достоинствам относят:

1. Низкое потребление электроэнергии (на 90% меньше).
2. Компактные габариты, позволяющие монтировать устройства в ограниченном пространстве.
3. Высокая скорость запуска и отключения
4. Пониженная шумность работы, отсутствуют характерные для электромеханического реле щелчки.
5. Не предполагается техническое обслуживание.
6. Длительный срок службы благодаря ресурсу в сотни миллионов срабатываний.
7. Благодаря широким возможностям по модификации электронных узлов, ТТР имеют расширенные сферы применения.
8. Отсутствие электромагнитных помех при срабатывании.
9. Исключается порча контактов вследствие их механического удара.
10. Отсутствие прямого физического контакта между цепями управления и коммутации.
11. Возможность регулирования нагрузки.
12. Наличие в импульсных ТТР автоматических цепей, защищающих от перегрузок.
13. Возможность использования во взрывоопасных средах.

Указанных преимуществ твердотельных реле не всегда достаточно для нормальной работы оборудования. Именно поэтому они ещё не полностью вытеснили электромеханические контакторы.

Для стабильной работы мощных твердотельных реле важен эффективный отвод тепла, потому что при повышенных температурах резко искажается напряжение нагрузки (+)

ТТР имеют и недостатки, которые не позволяют им использоваться во многих случаях.

К минусам относят:

1. Невозможность работы большинства устройств с напряжениями свыше 0,5 кВ.
2. Высокая стоимость.
3. Чувствительность к высоким токам, особенно в пусковых цепях электродвигателей.
4. Ограничения по использованию в условиях повышенной влажности.
5. Критическое снижение рабочих характеристик при температурах ниже 30°С мороза и выше 70°С тепла.
6. Компактный корпус приводит к избыточному нагреву устройства при стабильно высоких нагрузках, что требует применения специальных устройств пассивного или активного охлаждения.
7. Возможность расплавления устройства от нагрева при коротком замыкании.
8. Микротоки в закрытом состоянии реле могут быть критическими для работы оборудования. Например, подключенные в сеть люминесцентные лампы могут периодически вспыхивать.

Таким образом, твердотельные реле имеют определенные сферы применения. В цепях высоковольтного промышленного оборудования их использование резко ограничено из-за несовершенных физических свойств полупроводниковых материалов.

Однако в бытовой технике и автомобильной промышленности ТТР занимают прочные позиции за счет своих положительных свойств.

Преимущества и недостатки

Твердотельные реле имеют ряд положительных качеств перед электромеханическими аналогами. К ним относятся:

• Долговечность. Полупроводниковый прибор способен выдержать до десятков тысяч циклов включения и выключения.
• Создается качественное подключение.
• Грамотный контроль нагрузки.
• Высокое быстродействие.
• Отсутствие электромагнитных помех в замкнутой сети.
• Быстрое срабатывание.
• Бесшумность работы.
• Миниатюрные размеры.
• Отсутствие дребезгов контактов.
• Высокая производительность.
• Возможность плавного перехода между сетями постоянного и переменного тока. Зависит от мощности и типа прибора.
• Широкая область применения.
• Выдерживает перегрузки в 2000.
• Защита от резких и больших скачков напряжения и тока.

Есть и ряд минусов, из-за которых электромеханическое реле может быть выгоднее в применении. В первую очередь это высокая стоимость изделия и сложность его покупки. Приобрести твердотельные реле можно только в профессиональном специализированном магазине электронных компонентов. Сложности возникают и при первичной коммутации – могут появиться высокие скачки тока. Возникающие в процессе работы микротоки также негативно сказываются на реле.

На работу устройства накладываются и эксплуатационные требования – в помещении должен быть нормальный уровень пыли и влажности. Оптимальные значения можно найти в документации к реле.

Твердотельные реле не могут работать с приборами, напряжение которых превышает 0,5 кВ. Повышение рекомендуемых значений может привести к расплавлению контактов.

Возможные схемы подключений

Схемы подключения твердотельных реле могут быть самые разнообразные. Каждая электрическая цепь строится, исходя из особенностей подключаемой нагрузки. В схему могут добавляться дополнительные предохранители, контроллеры и регулирующие устройства.

Благодаря тому, что цепи управления и нагрузки в приборе не перекрываются, их электрические характеристики могут отличаться любыми параметрами (+)

Далее будут представлены наиболее простые и распространенные схемы подключения ТТР:

• нормально-открытая;
• со связанным контуром;
• нормально-закрытая;
• трехфазная;
• реверсивная.

Нормально-открытая (разомкнутая) схема – реле, нагрузка в котором находится под напряжением при наличии управляющего сигнала. То есть подключенная техника оказывается в отключенном состоянии при обесточенных входах 3 и 4.

Перед покупкой реле необходимо определиться с требуемым типом его первоначального состояния (замкнутое или разомкнутое), чтобы обеспечить правильную работу подключенной техники (+)

Нормально-замкнутая схема – подразумевается реле, нагрузка в котором находится под напряжением при отсутствии управляющего сигнала. То есть подключенная техника оказывается в рабочем состоянии при обесточенных входах 3 и 4.

Существует схема подключения твердотельного реле, в которой управляющее и нагрузочное напряжение одинаково. Такой способ можно использовать одновременно для работы в сетях постоянного и переменного тока.

Трехфазные реле подключаются несколько по иным принципам. Контакты могут соединяться в вариантах «Звезда», «Треугольник» или «Звезда с нейтралью».

Выбор трехфазной схемы подключения реле во многом зависит от особенностей работы техники, подключенной к нему в качестве нагрузки

Реверсные твердотельные реле применяются в электродвигателях в соответствующем режиме. Они изготавливаются в трехфазном варианте и включают два контура управления.

Если для реле важно соблюдение полярности подключения контактов, то на маркировке всегда будет указано, куда подключать фазу и ноль

Собирать электрические цепи с ТТР необходимо только после их предварительной прорисовки на бумаге, потому что неверно подключенные устройства могут выйти из строя из-за короткого замыкания.

Схемы подключения твердотельных реле

Теперь рассмотрим подключение твердотельного реле подробнее.

Управление твердотельными реле схемотехнически такое же, как и у обычного реле. Ниже упрощенно показана схема включения реле переменного тока с сигналом управления 24В постоянного тока:

Схема включения твердотельного реле

Схема показана для реле, у которого управляющее напряжение постоянное, от 5 до 24 Вольт. Данное реле может коммутировать переменное напряжение до 240 Вольт, ток до 20 А.

С током не всё так просто, но об этом ниже.

Как работает схема. На вход (контакты 3 и 4, соблюдать полярность!) подается управляющее напряжение от источника 24В. Подается оно через цепь управления, которая представлена как НО контакт. Этим контактом может быть и обычное реле, и выход контроллера, и датчик с релейным выходом или транзисторным выходом типа PNP.

Про НО контакты и PNP выходы датчиков я подробно написал в этой статье. Очень рекомендую!

Ещё раз напоминаю –

НЗ – это закрытые (замкнутые) контакты, через которые в нормальном положении (без активации управляющим сигналом) течёт ток.

НО – это открытые (незамкнутые) контакты, через которые в нормальном положении (без активации управляющим сигналом) ток не течёт.

Условные выходные контакты ТТР также будут НО, т.к. без активации цепи управления нагрузка выключена.

Теперь подробнее по управлению твердотелками.

СамЭлектрик.ру в социальных сетях

Подписывайтесь! Там тоже интересно!

Практическое применение устройств

Сфера использования твердотельных реле довольно обширна. Из-за высокой надежности и отсутствия потребности в регулярном обслуживании их часто устанавливают в труднодоступных местах оборудования.

Во многих реле подключение проводов управляющего контура требует соблюдения полярности, что необходимо учитывать в процессе монтажа оборудования

Основными же сферами применения ТТР являются:

• система терморегуляции с применением ТЭНов;
• поддержание стабильной температуры в технологических процессах;
• контроль работы трансформаторов;
• регулировка освещения;
• схемы датчиков движения, освещения, фотодатчиков для уличного освещения и т.п.;
• управление электродвигателями;
• источники бесперебойного питания.

С увеличением автоматизации бытовой техники твердотельные реле приобретают все большее распространение, а развивающиеся полупроводниковые технологии постоянно открывают новые сферы их применения.

При желании, собрать твердотельное реле можно собственноручно. Подробная инструкция представлена в этой статье.

Реверсивные твердотельные реле

Существуют также специальные трехфазные твердотельные реле для реверса двигателей, у которых два управляющих входа.

Пример включения трехфазного реле – на фото ниже:

Включение трехфазного твердотельного реле

Как видно, реле не совсем трехфазное, одна фаза подается на двигатель постоянно, что может стать причиной опасности.

На корпусе реле напечатана его схема включения, где всё понятно. Реле реверсивное, и у него два входа – Forward и Reverse (Вперёд/Назад). Для реверса фазы L1 и L2 меняются местами.

Важно – внутри реле нет блокировки от одновременного включения в обоих направлениях, и ее надо обеспечить аппаратно (блокировочные контакты кнопок/реле) и программно (если управление – от контроллера). Если это не предусмотреть, то вероятна ситуация, когда силовые выходы 1, 2, 3, 4 будут замкнуты накоротко