Твердотельные реле. принцип работы

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.

Виды устройств

Для корректной работы твердотельного реле при маленьких токах нагрузки соизмеримых с током утечки необходимо устанавливать шунтирующее сопротивление параллельно нагрузке. В соотношении с методом коммукации выделяют: устройства, выполняющие нагрузки емкостного типа, редуктивного типа, слабой индукции; реле со случайным или мгновенным включением, используются в том случае, когда требуется мгновенное срабатывание; реле с наличием фазового управления, позволяют производить настройку нагревательных элементов, ламп накаливания.

Остальное наглядно демонстрирует схема: Схема включения твердотельного реле Характеристики Естественно, у каждой фирмы, предлагающей такие приборы, свои параметры и модели. А теперь давайте рассмотрим более детально процесс изготовления устройства.

Параметры мощности — от 3 до 32 Вт.

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. Чтобы избежать возникновения перенапряжений при использовании реле, следует обязательно приобрести варистор или предохранитель быстрого действия. Выбор и покупка твердотельного реле Чтобы купить твердотельное реле, следует обратиться в специализированный магазин электроники, в котором опытные специалисты помогут подобрать устройство, в соотношении с необходимой мощностью.

Характеристики твердотельного реле

Сначала давайте рассмотрим входные характеристики оптоизолятора MOC доступны другие опто-триаки. В устройствах которые работают при переменном токе это тиристор или симистор, а для приборов с постоянным током — транзистор. От типа и особенностей развязки зависят общие конечные характеристики прибора и особенности его работы.

Отличия несущественные, на работу не влияют никак. Высокий уровень быстродействия позволяет избежать дребезга контактов во время работы устройства.

Комментарии

Таким образом, при использовании ТТР следует обращать внимание на характеристики переключаемых напряжений. Такие схемы отличаются высокой сложностью и лучше купить готовый прибор

Остальное наглядно демонстрирует схема: Схема включения твердотельного реле Характеристики Естественно, у каждой фирмы, предлагающей такие приборы, свои параметры и модели. Например, во время эксплуатации мощных устройств возникает необходимость в применении дополнительного элемента для отвода тепловой энергии.

Проверим это на практике, допустим вы столкнулись с таким изделием как на рисунке ниже, и хотите узнать, что оно собой представляет. Охлаждение Еще одним немаловажным фактором для надежной работы твердотельных реле является его рабочая температура. В его конструкции имеются силовые ключи на симисторах, тиристорах или транзисторах.
Твёрдотельное реле. Что это такое и как работает? Испытание на практике

Классификация

По типу нагрузки твердотельные реле делятся на однофазные и трехфазные. Широкий диапазон коммутируемого напряжения — 40…440 В позволяет использовать их для управления нагрузками в различных областях промышленности.

По типу управления можно выделить 4 группы:

• управление напряжением постоянного тока (3…32 В);
• правление напряжением переменного тока (90…250 В);
• ручное управление выходным напряжением с помощью переменного резистора (470-560 кОм, 0,25-0,5 Вт);
• ручное управление выходным напряжением с помощью аналогового сигнала 4-20 мА.

Различные варианты управляющих сигналов позволяют применять твердотельные реле в качестве коммутационных элементов в разнотипных системах автоматического управления.

По способу коммутации реле могут быть:

• с контролем перехода через ноль. Применяются для коммутации резистивных (электрические нагревательные элементы, лампы накаливания), емкостных (помехоподавляющие сглаживающие фильтры, имеющие в своем составе конденсаторы) и слабоиндуктивных (катушки соленоидов, клапанов) нагрузок. При подаче управляющего сигнала, напряжение на выходе такого реле появляется в момент первого пересечения линейным напряжением нулевого уровня. Это позволяет уменьшить начальный бросок тока, снизить уровень создаваемых электромагнитных помех и, как следствие, увеличить срок службы управляемых с помощью данного реле устройст. Недостатком устройств данного типа является невозможность коммутации высокоиндуктивной нагрузки, когда cos φ<0,5 (трансформаторы на холостом ходу).

• с мгновенным (случайным) включением. Применяются для коммутации резистивных (электрические нагревательные элементы, лампы накаливания) и индуктивных (маломощные двигатели, трансформаторы) нагрузок при необходимости мгновенного срабатывания. Напряжение на выходе реле данного типа появляется одновременно с подачей управляющего сигнала (время задержки включения не более 1 миллисекунды), а значит включение возможно на любом участке синусоидального напряжения. Устройства данного типа имеют существенный недостаток – возникновение импульсных помех и начальных бросков тока при коммутации. После включения они функционируют как обычное реле с контролем перехода через ноль.

• с фазовым управлением. Позволяют реализовать фазоимпульсное (ФИМ) управление мощностью на нагрузке. С помощью таких реле можно, напримет, управлять нагревательными элементами (регулирование температуры) или лампами накаливания (регулирование уровня освещенности).

Устройство и работа электротеплового реле.

Электротепловое реле работает в комплекте с магнитным пускателем. Своими медными штыревыми контактами реле подключается к выходным силовым контактам пускателя. Электродвигатель, соответственно, подключают к выходным контактам электротеплового реле.

Внутри теплового реле находятся три биметаллические пластины, каждая из которых сварена из двух металлов, имеющих различный коэффициент теплового расширения. Пластины через общее «коромысло» взаимодействуют с механизмом подвижной системы, которая связана с дополнительными контактами, участвующими в схеме защиты электродвигателя:

1. Нормально-замкнутый NC (95 – 96) используют в схемах управления пускателем;
2. Нормально-разомкнутый NO (97 – 98) применяют в схемах сигнализации.

Принцип действия теплового реле основан на деформации биметаллической пластины при ее нагреве проходящим током.

Под действием протекающего тока биметаллическая пластина нагревается и прогибается в сторону металла, имеющего меньший коэффициент теплового расширения. Чем больший ток будет протекать через пластину, тем сильнее она будет греться и прогибаться, тем быстрее сработает защита и отключит нагрузку.

Допустим, что электродвигатель подключен через тепловое реле и работает в нормальном режиме. В первый момент времени работы электродвигателя через пластины течет номинальный ток нагрузки и они нагреваются до рабочей температуры, которая не вызывает их изгиб.

По какой-то причине ток нагрузки электродвигателя стал увеличиваться и через пластины потек ток выше номинального. Пластины начнут сильнее греться и прогибаться, что приведет в движение подвижную систему и она, воздействуя на дополнительные контакты реле (95 – 96), обесточит магнитный пускатель. По мере остывания пластины вернутся в исходное положение и контакты реле (95 – 96) замкнутся. Магнитный пускатель опять будет готов к запуску электродвигателя.

В зависимости от величины протекающего тока в реле предусмотрена уставка срабатывания по току, влияющая на силу изгиба пластины и регулирующаяся поворотным регулятором, расположенным на панели управления реле.

Помимо поворотного регулятора на панели управления расположена кнопка «TEST», предназначенная для имитации срабатывания защиты реле и проверки его работоспособности до включения в схему.

«Индикатор» информирует о текущем состоянии реле.

Кнопкой «STOP» обесточивается магнитный пускатель, но как в случае с кнопкой «TEST», контакты (97 – 98) не замыкаются, а остаются в разомкнутом состоянии. И когда Вы будете задействовать эти контакты в схеме сигнализации, то учитывайте этот момент.

Электротепловое реле может работать в ручном или автоматическом режиме (по умолчанию стоит автоматический режим).

Для перевода в ручной режим необходимо повернуть поворотную кнопку «RESET» против часовой стрелки, при этом кнопка слегка приподнимается.

Предположим, что сработало реле и своими контактами обесточило пускатель.
При работе в автоматическом режиме после остывания биметаллических пластин контакты (95 — 96) и (97 — 98) автоматически перейдут в исходное положение, тогда как в ручном режиме перевод контактов в исходное положение осуществляется нажатием кнопки «RESET».

Кроме защиты эл. двигателя от перегрузок по току, реле обеспечивает защиту и в случае обрыва питающей фазы. Например. При обрыве одной из фаз, электродвигатель, работая на оставшихся двух фазах, станет потреблять больше тока, отчего биметаллические пластины нагреются и реле сработает.

Однако электротепловое реле не способно защитить двигатель от токов короткого замыкания и само нуждается в защите от подобных токов. Поэтому при установке тепловых реле необходимо устанавливать в цепь питания электродвигателя автоматические выключатели, защищающие их от токов короткого замыкания.

При выборе реле обращают внимание на номинальный ток нагрузки электродвигателя, который будет защищать реле. В инструкции по эксплуатации, идущей в коробке, есть таблица, по которой выбирается тепловое реле для конкретной нагрузки:

Например.Реле РТИ-1302 имеет предел регулировки тока уставки от 0,16 до 0,25 Ампер. Значит, нагрузку для реле следует выбирать с номинальным током около 0,2 А или 200 mA.

Виды твердотельных реле

По нагрузке

Конкретный тип прибора определяется разновидностью используемой нагрузки. По этому параметру реле делятся на однофазные и трёхфазные:

• Однофазные работают с током от 10 до 120 А, либо от 100 до 500 А. Регулирование фазы происходит за счёт аналогового сигнала и элемента сопротивления.
• Трёхфазные приборы осуществляют соединение на всех трёх участках сразу. Их рабочий диапазон также составляет от 10 до 120 А. Существуют отдельные вариации приборов, работающих по принципу реверса и осуществляющих бесконтактную коммутацию.

По конструкции

По разновидности конструкции твердотельные реле могут быть:

• Стандартные. Закрепляются на переходные планки;
• Предназначенные для установки на металлический профиль (DIN-рейки).

По типу управления

По типу управления и характеристикам используемого напряжения приборы делятся на:

Устройства постоянного тока. Работают под действием стабильного электричества. Параметры мощности – от 3 до 32 Вт. Для данного типа характерны большие удельные показатели, наличие светодиодных индикаторов, высокий параметр надёжности. Практически для всех наименований приборов оптимальной рабочей температурой являются цифры от -30 до +70°C.

Устройства с мануальным управлением. В них вы можете сами выбрать оптимальный тип действия. Подобная функция реализована за счёт использования переменных резисторов.

По методу коммутации

Исходя из метода коммутации, приборы подразделяются на:

Осуществляющие переход через 0. Способны регулировать нагрузки емкостные, редуктивные, а также низкие индукции. При подаче сигнала управления, напряжение на выходе возникает в момент достижения напряжением линейным нулевой отметки.

Вследствие чего наблюдается снижение стартового показателя тока, устраняются сторонние помехи и повышается длительность использования коммутируемых параметров. Этот подвид реле не способен осуществлять коммутацию высоких индукций, для условных трансформаторов, работающих в режиме ХХ, он недопустим к применению.

С моментальной (случайной) активацией. Эти устройства идут в ход, если нам требуется очень быстрое включение. Напряжение на выходе появляется вместе с пуском сигнала управления. Задержка активации, как правило, составляет не больше 1 мс. Большой минус таких приборов – импульсные погрешности, а также изначальные броски тока, наблюдаемые при изменении параметров.

Рекомендации по выбору

В связи с электрическими потерями на силовых полупроводниковых элементах твердотельные реле нагреваются при коммутации нагрузки. Это накладывает ограничение на величину коммутируемого тока. Температура 40 градусов Цельсия не вызывает ухудшения рабочих параметров устройства. Однако нагрев выше 60С сильно снижает допусимую величину коммутируемого тока. Реле в этом случае может перейти в неуправляемый режим работы и выйти из строя.

Поэтому, при длительной работе реле в номинальных, и особенно, «тяжелых» режимах (при длительной коммутации токов свыше 5 А) требуется применение радиаторов. При повышенных нагрузках, например, в случае нагрузки «индуктивного» характера (соленоиды, электромагниты и т.п.), рекомендуется выбирать устройства с большим запасом по току – в 2-4 раза, а в случае управления асинхронным электродвигателем необходим 6-10 кратный запас по току.

При работе с большинством типов нагрузок включение реле сопровождается скачком тока различной длительности и амплитуды, величину которого необходимо учитывать при выборе:

• чисто активные (нагреватели) нагрузки дают минимально возможные скачки тока, которые практически устраняются при использовании реле с переключением в «0»;
• лампы накаливания, галогенные лампы при включении пропускают ток в 7…12 раз больше номинального;
• флуоресцентные лампы в течение первых секунд (до 10 с) дают кратковременные скачки тока, в 5…10 раз превышающие номинальный ток;
• ртутные лампы дают тройную перегрузку по току в течение первых 3-5 мин.;
• обмотки электромагнитных реле переменного тока: ток в 3…10 раз больше номинального в течение 1-2 периодов;
• обмотки соленоидов: ток в 10…20 раз больше номинального в течение 0,05 – 0,1 с;
• электродвигатели: ток в 5…10 раз больше номинального в течение 0,2 – 0,5 с;
• высокоиндуктивные нагрузки с насыщающимися сердечниками (трансформаторы на холостом ходу) при включении в фазе нуля напряжения: ток в 20…40 раз больше номинального в течение 0,05 – 0,2 с;
• емкостные нагрузки при включении в фазе, близкой к 90°: ток в 20…40 раз больше номинального в течение времени от десятков микросекунд до десятков миллисекунд.

Будет интересно Как используется фотореле для уличного освещения?

Способность выдерживать токовые перегрузки характеризуются величиной «ударного тока». Это – амплитуда одиночного импульса заданной длительности (обычно 10 мс). Для реле постоянного тока эта величина обычно в 2 – 3 раза превосходит значение максимально допустимого постоянного тока, для тиристорных реле это соотношение около 10. Для токовых перегрузок произвольной длительности можно исходить из эмпирической зависимости: увеличение длительности перегрузки на порядок ведет к уменьшению допустимой амплитуды тока. Расчет максимальной нагрузки представлен в таблице ниже.

Таблица расчета максимальной нагрузки для твердотелого реле.

Выбор номинального тока для конкретной нагрузки должен заключаться в соотношении между запасом по номинальному току реле и введением дополнительных мер по уменьшению пусковых токов (токоограничивающие резисторы, реакторы и т.д.).

Для повышения устойчивости устройства к импульсным помехам параллельно коммутирующим контактам ставится внешняя цепь, состоящая из последовательно включенных резистора и емкости (RC-цепь). Для более полной защиты от источника перегрузки по напряжению со стороны нагрузки необходимо включить защитные варисторы параллельно каждой фазе твердотельного реле.

Схема подключения твердотельного реле.

При коммутации индуктивной нагрузки использование защитных варисторов обязательно. Выбор необходимого наминала варистора зависит от величины напряжения питающего нагрузку, и расчитывается по формуле: Uваристора = (1,6…1,9)хUнагрузки.

Тип варистора определяется на основе конкретных характеристик работы устройства. Наиболее популярными отечественными варисторами являются серии: СН2-1, СН2-2, ВР-1, ВР-2. Твердотельное реле обеспечивает хорошую гальваническую изоляцию входных и выходных цепей, а также токоведущих цепей от элементов конструкции прибора, поэтому дополнительных мер изоляции цепей не требуется.

Коммутация индуктивной нагрузки

С индуктивной нагрузкой (как правило, это электромагнит), не так всё просто.

В этом случае нужно учитывать переходные процессы в моменты включения и выключения ТТР.
В эти моменты возможны всплески напряжения, которые могут привести к неприятным последствиям,
например – «зависание» ТТР в открытом или закрытом состоянии, которое снимается перезапуском питания.
Самый неприятный вариант – ТТР может полностью выйти из строя, при этом оно может остаться в опасном включенном состоянии.

Существуют особенности при подключении индуктивной нагрузки типа электромагнитов.
Производители рекомендуют выбирать пару ТТР-электромагнит таким образом,
чтобы ток нагрузки был не более чем 10% от максимально допустимого тока ТТР.
Это обусловлено возможной нестабильностью работы.
Кроме того, при коммутации постоянного тока рекомендуется параллельно нагрузке подключать обратно включенный диод.

Основные виды реле и их назначение

Производители настраивают современные коммутационные устройства таким образом, чтобы срабатывание происходило только при определенных условиях, например, при увеличении силы тока, поступающего на входные клеммы КУ. Ниже мы вкратце рассмотрим основные виды соленоидов и их назначение.

Электромагнитные реле

Электромагнитное реле – это электромеханическое коммутационное устройство, принцип действия которого основан на воздействии магнитного поля, созданного током в статичной обмотке, на якорь. Этот вид КУ разделяется собственно на электромагнитные (нейтральные) устройства, которые реагируют лишь на значение тока, подаваемого на обмотку, и поляризованные, работа которых зависит как от токовой величины, так и от полярности.

Принцип работы электромагнитного соленоида

Используемые в промышленном оборудовании электромагнитные реле находятся на промежуточной позиции между сильноточными устройствами (магнитными пускателями, контакторами и т.д.) и слаботочным оборудованием. Наиболее часто данный вид реле применяется в цепях управления.

Реле переменного тока

Срабатывание этого вида реле, как видно из названия, происходит при подаче на обмотку переменного тока определенной частоты. Данное коммутирующее устройство для переменного тока с контролем перехода фазы через ноль или без такового, представляет собой блок из тиристоров, выпрямительных диодов и управляющих схем. Реле переменного тока могут быть выполнены в виде модулей на основе трансформаторной или оптической развязки. Данные КУ применяются в сетях переменного тока с максимальным напряжением 1,6 кВ и средним током нагрузки до 320 A.

Промежуточное реле 220 В

Иногда работа электросети и приборов не возможна без использования промежуточного реле на 220 В. Обычно КУ данного типа применяется, если необходимо разомкнуть или разомкнуть разнонаправленные контакты цепи. К примеру, если используется осветительный прибор с датчиком движения, то один проводник присоединяется к сенсору, а другой подводит электроэнергию к светильнику.

Реле переменного тока широко применяются в промышленном оборудовании и бытовой технике

Работает это таким образом:

1. подача тока на первое коммутационное устройство;
2. от контактов первого КУ ток поступает на следующее реле, которое имеет более высокие характеристики, чем у предыдущего и способно выдерживать токи с высокими значениями.

С каждым годом реле становятся эффективней и компактней

Функции малогабаритного реле переменного тока с напряжением 220 В весьма разнообразны и широко используются в качестве вспомогательного устройства в самых различных областях. Данный вид КУ применяется в тех случаях, когда основное реле не справляется со своей задачей или же при большом количестве управляемых сетей которые уже не в состоянии обслужить головное устройство.

Промежуточное коммутационное устройство применяется в промышленном и медицинском оборудовании, транспорте, холодильном оборудовании, телевизорах и прочей бытовой технике.

Реле постоянного тока

Реле постоянного тока делятся на нейтральные и поляризованные. Отличие между ними состоит в том, что поляризованные КУ постоянного тока чувствительны к полярности подаваемого напряжения. Якорь коммутационного устройства меняет направление движения в зависимости от полюсов питания. Нейтральные электромагнитные реле постоянного тока не зависят от полярности напряжения.

Электромагнитные КУ постоянного тока в основном используют, когда нет возможности подключения к электрической сети переменного тока.

Четырехконтактное автомобильное реле

К недостаткам соленоидов постоянного тока относят необходимость использования блока питания и более высокую стоимость в сравнении с КУ переменного тока.

Данное видео демонстрирует схему подключения и объясняет принцип работы 4 контактного реле:

Watch this video on YouTube

Электронное реле

Электронное реле управления в схеме прибора

Разобравшись с тем, что такое токовое реле, рассмотрим электронный тип этого устройства. Конструкция и принцип действия электронных реле практически те же, что и в электромеханических КУ. Однако, для выполнения необходимых функций в электронном устройстве используется полупроводниковый диод. В современных транспортных средствах большинство функций реле и переключателей выполняют электронные релейные блоки управления и на данный момент невозможно полностью от них отказаться. Так, например, блок электронных реле позволяет контролировать расход энергии, величину напряжения на клеммах аккумуляторных батарей, управлять системой освещения и т.д.

Преимущества устройства

По своей сути, тепловое реле является автоматическим устройством отключения электрооборудования от сети питания. Но в отличие от простого автомата включения/отключения электротепловое реле имеет ряд следующих существенных преимуществ:

• возможность регулировки времени и момента срабатывания в зависимости от тока перегрузки и длительности его воздействия на электрооборудование;
• разные варианты коммутации: дистанционный монтаж в электрических щитах или непосредственная установка на магнитных пускателях.

К другим достоинствам тепловых реле можно отнести малые габариты, массу и, конечно же, стоимость, а также простоту конструкции и высокую эксплуатационную надежность. Определенным недостатком устройства является необходимость в периодических настройках и поверках.