Ассортимент данного оборудования достаточно разнообразен, что позволяет выбрать оптимальное устройство, учитывая специфические задачи и актуальные рыночные цены. В продаже доступны как компактные приборы для использования в домашних электрических цепях, так и высокомощные устройства, предназначенные для управления электродвигателями.
Твердотельное реле: принцип работы
Твердотельное реле — это категория электронных устройств, функционирование которых основывается на принципах взаимодействия силовых ключей и полупроводниковых компонентов. Устройство не содержит подвижных частей, что способствует высокой надежности при коммутации цепей.
В большинстве промышленной и технической документации можно встретить термин «тиристорный переключатель», который применяется как научный термин для обозначения твердотельных реле. Кроме того, в тексте могут встречаться различные аббревиатуры, такие как ТТР, ТППТ и SSR, что также указывает на эти устройства.
Указанные обозначения относятся к различным видам электронного оборудования и могут подразделяться на группы в зависимости от одного или нескольких из следующих критериев:
- Количество фаз;
- Тип коммутируемого напряжения;
- Способ управления;
- Конструктивные особенности.
По количеству фаз устройства разделяются на однофазные и трехфазные. Принцип работы однофазных твердотельных реле предполагает управление с применением переменного резистора и аналогового сигнала. Тем не менее, они также могут функционировать в трехфазной сети. Работа трехфазных коммутационных аппаратов основана на реверсивном регулировании электрических цепей.
Коммутируемое напряжение также имеет решающее значение для функционирования твердотельного реле. Эти устройства могут быть предназначены для работы как с постоянным, так и с переменным током. При этом работа ТТР во многом зависит от характеристик диапазона тока.
Для постоянного тока выбор коммутационного устройства должен производиться в пределах диапазона 3-32В, а для переменного напряжения этот диапазон составляет 90-250В. Вторая категория выделяется высокой скоростью срабатывания и экономичностью, и может использоваться для коммутации в сетевом напряжении 220В.
Метод управления напрямую влияет на скорость активации устройства:
- Мгновенный. Данный метод применяется в цепях, требующих неожиданного включения;
- Фазовый. Коммутационные устройства, использующие данный метод, предназначены для управления уровнями освещения, температуры и прочими параметрами;
- Через ноль. Здесь срабатывание происходит, когда напряжение достигает нулевого значения. Этот тип приборов может использоваться на устройствах с относительно небольшими нагрузками.
Функционирование ТТР обеспечивается взаимодействием двух сигналов:
Важно отметить, что между электрическими цепями отсутствует прямой контакт, однако передача информации и энергии осуществляется благодаря гальванической или оптической развязке.
Оптоизолятор является одним из основных компонентов в функционировании данного прибора. В качестве оптоизолятора в тепловом реле используются светодиод и фотоприемник, которые в совокупности называются оптопарой. Данная оптическая развязка применяется как для постоянного, так и для переменного тока. Основная её задача — изолировать входные сигналы от выходных. Для реализации гальванической изоляции служит оптрон.
Когда электрический ток проходит через светодиод, расположенный на входной секции, он начинает светиться. Затем свет попадает на фотоприемник, которым может быть симистор или фоточувствительный транзистор.
Таким образом, в твердотельном реле, рассчитанном на различное напряжение, включая 220В, используется следующий принцип работы: осуществляется замыкание или размыкание контактных клемм.
Отличие от электромагнитных реле
Твердотельные реле, помимо монолитной конструкции, имеют отличия от электромагнитных реле и по принципам работы. Электромагнитные реле включают катушку и подвижную контактную группу.
Такой дизайн позволяет замыкать контакты за счет протекания тока через катушку и притягивания якоря с контактной группой. В конструкции твердотельного реле отсутствуют аналогичные компоненты. В зависимости от типа устройства и области применения, замыкание контактных клемм производится за счет использования полупроводниковых ключей.
Еще одной ключевой особенностью, которая отличает твердотельные реле от электромагнитных, является отсутствие в их конструкции подвижных элементов. Это обстоятельство снижает вероятность механического износа, что значительно увеличивает срок службы таких приборов.
Твердотельные реле по типу управления
Твердотельные реле могут управляться несколькими способами:
1) Постоянного тока. Его диапазон составляет от 3 до 32 Вольт.
2) Переменного тока. Для переменного тока диапазон составляет от 90 до 250 Вольт. Это означает, что такие реле могут успешно работать с сетевым напряжением 220 В.
3) С помощью переменного резистора. Значение переменного резистора может варьироваться от 400 до 600 Килоом.
Твердотельные реле по типу переключения
С коммутацией через ноль
Обратите внимание на диаграмму ниже:
Такого рода ТТР на выходе коммутируют переменный ток. Как видно на представленной диаграмме, когда на вход твердотельного реле подается постоянное напряжение, выходная коммутация происходит не сразу, а только тогда, когда переменный ток достигает значения нуля. Аналогично происходит выключение устройства.
Почему так организован данный процесс? Это сделано для минимизации влияния помех на нагрузку и для уменьшения импульсных скачков тока, которые могут привести к повреждению нагрузки, особенно если она собрана на полупроводниковых радиоэлементах.
Схема подключения и внутреннее строение данного твердотельного реле выглядят примерно так:
Мгновенного включения
В этом случае все гораздо проще. Такое реле мгновенно начинает коммутировать нагрузку с момента подачи управляющего напряжения. На диаграмме видно, что выходное напряжение появляется сразу после подачи управляющего напряжения на вход. Когда управляющее напряжение снимается, реле выключается аналогично ТТР с контролем перехода через ноль.
Какой недостаток у такого типа ТТР? При подаче управляющего напряжения на выходе могут возникать скачки тока, что, в свою очередь, приводит к возникновению электромагнитных помех. Поэтому подобный тип реле не рекомендуется использовать в радиоэлектронных устройствах, особенно в тех, где имеются шины передачи данных, так как помехи могут существенно повлиять на передачу информационных сигналов.
Внутреннее строение ТТР и схема подключения нагрузки выглядят примерно так:
С фазовым управлением
Весомым преимуществом здесь является то, что смена значения сопротивления напрямую изменяет мощность на нагрузке.
Схема подключения выглядит следующим образом:
Показания к применению
Твердотельные реле рекомендуется применять в ситуациях, когда стандартные устройства не способны выполнять свои функции должным образом. Например, это бывает, когда обычные реле начинают плавиться или выгорать в процессе коммутации.
Использование ТТР обеспечивает надежность электрических цепей и своевременную подачу напряжения к нагрузке. В отличие от стандартных устройств, твердотельные реле легко справляются с индукционными нагрузками.
Кроме того, твердотельное устройство оптимально использовать в условиях ограниченного пространства монтажа и в тех случаях, когда требования к надежности цепи особенно высоки.
Где используются?
Твердотельные реле — это уникальные устройства, которые после установки практически не требуют ухода. Здесь работает принцип «установил и забыл». Например, в простых моделях очистка контактной группы производится с определенной периодичностью — как правило, после определенного количества циклов. Если устройство работает редко, это не вызывает неудобств.
Что делать, если речь идет об аппаратуре, для которой требуется частое срабатывание — например, один раз в секунду или даже чаще? Примером такой техники являются станки с клапанами на соленоидах.
В таком случае подача напряжения осуществляется через реле, которое должно разрывать цепь до десяти ампер индуктивной нагрузки. Если использовать контактное устройство, его замена потребуется каждые 1-2 месяца. Однако если поставить твердотельный аналог, о замене можно будет не вспоминать на протяжении многих лет.
Несмотря на высокую надежность работы, ТТР требуют периодического контроля. Основные рекомендации в этой области предоставляет производитель устройства. Обычно это касается проверки состояния замыкания контактов, целостности корпуса и изоляции.
Конструкция, виды и классификация
Твердотельные реле классифицируются по ряду технических и электрических критериев: конструкция, способ монтажа, тип тока, принцип коммутации и др. Рассмотрим основные категории.
По методу монтажа ТТР бывают: с креплением на стене с помощью шурупов, устанавливаемыми на динрейке в электрощитах, или же с размещением на печатной плате.
Твердотельное реле с креплением на печатной плате
По типу тока: для сети переменного (AC) и постоянного (DC) тока.
Реле переменного тока, в свою очередь, делятся на тиристорные (симисторные) и транзисторные; для постоянного тока — транзисторные. Коммутационный элемент служит для управления, отключения или переключения электрических цепей. Твердотельные реле по типу развязки могут быть трансформаторными или оптическими.
| Твердотельное реле | |||||
| Для сети переменного тока (AC) | Для сети постоянного тока (DC) | ||||
| Тиристорные (симисторные) | Транзисторные | Транзисторные | |||
| Трансформаторные | Оптические | Трансформаторные | Оптические | Трансформаторные | Оптические |
Таблица с классификацией ТТР: по току, коммутационным элементам и типу развязки
Тиристорные реле переменного тока с опторазвязкой — наиболее распространенная категория, которую производят большинство компаний. Оптическое реле более экономично и технологично, чем трансформаторное. Однако основное его применение связано с небольшими мощностями. При подключении более мощной нагрузки рекомендуется использование трансформаторного реле.
По типу переключения реле делятся на: управление с коммутацией через ноль, мгновенное включение, фазовое управление. Они могут быть как однофазными (SSR), так и трехфазными (TSR).
Схемы подключения и принцип действия
Твердотельные реле имеют несколько ключевых электрических параметров, которые включают максимальный ток коммутации и допустимое напряжение, диапазон напряжения управления и тип напряжения. Схема подключения твердотельного реле может различаться в зависимости от моделей.
Подключение модуля реле осуществляется двумя управляющими контактами. На выводы управления подается слабое постоянное напряжение. Важно соблюдать полярность (плюс и минус), что указано на корпусе реле. Выходные клеммы с маркировкой ~ соединяются с нагрузкой. Когда на управляющие выводы подается напряжение, нагрузка подключается к сети.
Посмотрим подробнее на устройство ТТР с оптической развязкой. На клеммы управления (+/–) подается низковольтное постоянное напряжение. При этом срабатывает транзистор VT1, к которому соединены светодиод оптической пары DA и индикаторный светодиод VD1. Когда оптопара активируется, она подает питание на управляющий электрод симистора Т1, который в свою очередь инициирует коммутацию нагрузки Load.
Схема реле с оптической развязкой
Можно встретить модификации, где на входе имеется выпрямитель (диодный мост). Он преобразует переменный ток в постоянный. Далее принцип работы остается тем же, что и в предыдущем случае.
Схема с выпрямителем на входе и оптической развязкой
Полупроводниковые элементы могут нагреваться при больших токах. При высокой нагрузке необходимо отводить тепло от реле, чтобы избежать его выхода из строя. Для этого используются радиаторы охлаждения, которые крепятся к корпусу реле.
Радиатор, отводящий тепло от реле, предотвращает его перегрев
Примеры работы
Рассмотрим несколько примеров работы с твердотельным реле.
Простой коммутатор
Работа с реле не требует применения микроконтроллеров. Создадим макет системы освещения, где маленький переключатель будет управлять обычной лампой на 220 В.
Что потребуется
- 1× Твердотельное реле SSR-1 D4810
- 1× Переключатель
- 4× Батарейка AA
- 1× Батарейный отсек на 4 батарейки AA
- 1× Патрон E27 с выходной вилкой на 220 В
- 1× Лампа на 220 В с цоколем E27
Схема устройства
Результат работы
При переключении состояния маленького тумблера → управляющее напряжение поступает на управляющие контакты реле → выходные контакты реле замыкаются или размыкаются → бытовая лампочка включается или выключается.
Пример работы с Arduino
Автоматизируем процесс и вместо ручного управления настроим реле на работу по определенному алгоритму. В качестве контроллера возьмем платформу Arduino Uno.
Что понадобится
- 1× Твердотельное реле SSR-1 D4810
- 1× Arduino Uno
- 1× Кабель USB (A — B)
- 1× Соединительные провода (папа-папа, 65 шт.)
- 1× Патрон E27 с выходной вилкой на 220 В
- 1× Лампа на 220 В с цоколем E27
Схема устройства
Программная настройка
Исходный код
// GPIO пин, к которому подключено реле
constexpr auto PIN_RELAY = 4;
void setup() {
pinMode(PIN_RELAY, OUTPUT);
}
void loop() {
// Подаем на реле высокий уровень
digitalWrite(PIN_RELAY, HIGH);
// Ждем 1000 мс
delay(1000);
// Подаем на реле низкий уровень
digitalWrite(PIN_RELAY, LOW);
// Ждем 1000 мс
delay(1000);
}
Результат работы
После загрузки программы в Arduino, бытовая лампочка будет менять своё состояние каждую секунду.
Элементы платы
Силовые контакты
Силовые контакты предназначены для подключения нагрузки в разрыв электрической цепи.
| Контакт | Функция | Подключение |
|---|---|---|
| 1 | Клемма для подключения нагрузки или силового питания. | Подключите к нагрузке или силовому питанию. |
| 2 | Клемма для подключения нагрузки или силового питания. | Подключите к нагрузке или силовому питанию. |
Управляющие контакты
Управляющие контакты служат для подключения управляющего напряжения.
| Контакт | Функция | Подключение |
|---|---|---|
| 3 | Клемма для подключения управляющего напряжения (+). | Подключите к плюсу управляющего напряжения. |
| 4 | Клемма для подключения управляющего напряжения (−). | Подключите к минусу управляющего напряжения или на землю. |
Индикаторный светодиод
Красный индикаторный светодиод указывает текущее состояние работы реле:
- Горит: на управляющих контактах имеется напряжение → силовые контакты реле замкнуты.
- Не горит: на управляющих контактах напряжение отсутствует → силовые контакты реле разомкнуты.
