"Электрик Инфо" - онлайн журнал про электричество. Теория и практика. Обучающие статьи, примеры, технические решения, схемы, обзоры интересных электротехнических новинок. Уроки, книги, видео. Профессиональное обучение и развитие. Сайт для электриков и домашних мастеров, а также для всех, кто интересуется электротехникой, электроникой и автоматикой.
Что такое твердотельное реле и как его правильно использовать
Во всех электрических цепях приходится включать и отключать приборы и устройства. Для этого используют коммутационные аппараты, это может быть, как простой выключатель или рубильник, так и реле, контакторы и т.д. Сегодня мы рассмотрим один из таких приборов — твердотельное реле, поговорим о том, что это такое, как выбрать и подключить в цепь управления нагрузкой.
Твердотельное реле — это устройство, построенное на полупроводниковых элементах и силовых ключах, таких как симисторы, биполярные или МОП-транзисторы. В англоязычных источниках твердотельные реле называют SSR от Solid State Relay (что в дословном переводе эквивалентно русскому названию).
Как и у электромагнитных реле и других коммутационных приборах они предназначены для управления слабым сигналом нагрузкой с бо́льшим напряжением или током.
Отличия от электромагнитных реле
Обычные реле, как и все электромагнитные коммутационные приборы работает следующим образом — есть катушка на которую подается ток от системы управления или кнопочного поста. В результате протекания тока через катушку возникает магнитное поле, которое притягивает якорь с контактной группой. После этого контакты замыкаются и по ним начинает протекать ток в нагрузку.
У твердотельных нет катушки управления и нет подвижной контактной группы. Что внутри твердотельного реле вы можете видеть ниже. В нём, как было сказано выше, вместо силовых контактов используются полупроводниковые ключи: транзисторы, симисторы, тиристоры и другие в зависимости от сферы применения (правая часть фотографии).
Это есть главное отличие полупроводникового реле от электромагнитного. В связи с этим у твердотельного значительно больше срок службы, поскольку нет механического износа контактной группы, также стоит отметить что и быстродействие полупроводниковых реле выше, чем у электромагнитных.
Кроме отсутствия механического износа нет и искр или дуг при коммутации, как и звуков от ударов контактов при переключении. Кстати если нет искр и дуговых разрядов при коммутации – твердотельные реле могут работать во взрывоопасных помещениях.
Сравнение
Плюсы у твердотельных реле по сравнению с электромагнитными следующие:
1. Бесшумность.
2. Есть данные о том, что их наработка на отказ порядка 10 миллиардов переключений, что в 1000 и более раз превышает ресурс электромагнитных реле.
3. Если для электромагнитных реле импульсные перенапряжения практически не страшны, то электронная схема полупроводникового реле в большинстве случаев выходит из строя, если не было принято схемотехнических решений по ограничению этих импульсов. Поэтому сравнивать эти приборы по количеству переключений не всегда корректно.
4. Быстродействие полупроводниковых реле составляет доли и единицы миллисекунд, тогда как у электромагнитного от 50 мс до 1 с.
5. Энергопотребление на 95% ниже чем потребление катушки электромагнитных аналогов.
Однако эти плюсы прикрывается рядом недостатков:
Полупроводниковые реле греются во время работы. В тепло выделяется мощность равная произведению падения напряжения на силовом ключе (порядка 2 вольт) на силу тока через него протекающего;
При перегрузке и коротких замыканиях есть высокая вероятность выхода из строя силового ключа, перегрузочная способность обычно составляет 10In в течении 10 мс — одного периода в сети с частотой 50 Гц (может отличаться в зависимости от используемых компонентов);
Автоматический выключатель, скорее всего, не успеет сработать прежде, чем реле выйдет из строя при КЗ;
При импульсных перенапряжениях (скачки напряжения) – срок службы твердотельного реле может закончится моментально.
У твердотельных реле есть ток утечки (до 7-10 мА) в связи с этим, если они стоят в цепи управления, например, светодиодных светильников — последние будут мигать аналогично ситуации с выключателем с подсветкой. Соответственно на фазном проводе будет напряжение даже когда реле отключено!
В следующей таблице приведены общие характеристики твердотельных реле серий TSR (трёхфазных) и SSR (однофазных) от производителя «FOTEK» (кстати одни из самых распространенных). В принципе у других производителей характеристики продукции будут похожими или такими же.
Сопротивление изоляции
>50 МОм/500В DC
Электрическая прочность изоляции вход/выход
Выдерживает 2,5 кВ АС в течение 1 минуты
Ток срабатывания
Не более 7.5 мА
Перегрузочная способность
До 10 номинальных токов в течение 10 мс
Метод коммутации
При переходе через ноль (в моделях для переменного тока) или мгновенно через оптрон (для постоянного тока)
Встроенная защита
В серии SSR-F есть сменный предохранитель
Виды
Твердотельное реле можно классифицировать:
По роду тока (постоянный или переменный);
По силе тока (маломощные, силовые);
По способу монтажа;
По напряжению;
По количеству фаз;
По типу управляющего сигнала (постоянным или переменным током, аналоговый вход для управления переменным резистором, в цепь 4-20 мА и т.д.).
По типу переключения – коммутация при переходе напряжения через ноль (в цепях переменного тока), или коммутация по управляющему сигналу (для регулировки мощности, например).
Итак, по количеству фаз бывают одно- и трехфазное реле. А вот типов, управляющих сигналов гораздо больше. В зависимости от внутреннего устройства твердотельные реле могут управляться как постоянным напряжением, так и переменным.
Наиболее распространены твердотельное реле, которые управляются постоянным напряжением в диапазоне от 3 до 32 Вольт. При этом величина управляемого напряжения должно находиться в этом диапазоне, а не быть равной какой-то конкретной величине из него, что очень удобно при интеграции в системы с различным напряжением.
Также встречаются полупроводниковые реле, для управления которыми используется аналоговый сигнал:
4-20 мА;
0-10 вольт постоянного тока;
Переменным резистором 470-560 кОм.
При этом такими реле можно регулировать мощность на подключенном приборе, по принципу фазового управления. Такой же принцип регулировки используется в бытовых диммерах для освещения.
В таблице ниже вы видите виды сигналов управления твердотельных реле с фазовым методом управления от компании IMPULS.
Обратите внимание на последние буквы маркировки (LA, VD, VA), у большинства производителей они одинаковы, и говорят, как раз, о типе сигнала.
Как уже было сказано, в реле с фазовым управлением, в зависимости от величины управляющего сигнала изменяется напряжение на выходе, что отображено на графике ниже.
Распознать такое реле можно по условному изображению возле входных клемм, например, на фото ниже видно, что ко входу подключается переменный резистор 470-560 кОм.
Есть и твердотельные реле с сигналом управления от сети переменного тока 220В, как изображено ниже. Они подходят для использования в качестве замены маломощных контакторов или электромагнитных реле.
Маркировка и тип управления
Для определения «фазности» реле используют символы в начале маркировки:
SSR – однофазные;
TTR – трёхфазные.
Что эквивалентно однополюсным и трёхполюсным коммутационным приборам.
Где «хх» - это сила тока в амперах, например, P03 – 3 ампера, а P10 – 10 ампер.
Если в маркировке есть буква H – то это реле предназначено для коммутации повышенного напряжения.
В маркировке данные о типе управления указаны в последних символах, она может отличаться у разных производителей, но зачастую она имеет такой вид и значение (данные собраны по разным производителям):
VA – переменный резистор 470-560кОм/2Вт (фазовое управление);
LA – аналоговый сигнал 4-20мА (фазовое управление);
VD – аналоговый сигнал 0-10V DC (фазовое управление);
ZD – управление 10-30V DC (коммутация при переходе через ноль);
ZD3 – управление 3-32V DC (коммутация при переходе через ноль);
ZA2 – управление 70-280V AC (коммутация при переходе через ноль);
DD3 – управление сигналом 3-32V постоянного тока цепью постоянного тока (коммутация напряжения постоянного тока);
DA – управление сигналом постоянного тока, коммутация цепи переменного тока.
AA – управление сигналом переменного тока (220В), коммутация цепи переменного тока.
Проверим это на практике, допустим вы столкнулись с таким изделием как на рисунке ниже, и хотите узнать, что оно собой представляет.
Если внимательно изучить надписи возле клемм для подключения проводов уже станет ясно, что это реле для управления цепями переменного тока от 90 до 480 вольт, при этом управление происходит также переменным током с напряжением от 80 до 250 вольт.
Если же видна только маркировка, то: «SSR» – однофазное; «-10» - номинальная сила тока 10 ампер; «АА» - управление переменным током, коммутация переменного тока; «H» - для коммутации повышенного напряжения в силовой цепи — до 480В (если бы H не было, то было бы до 380-400В).
И для закрепления и лучшего понимания изучите следующую таблицу с маркировками и характеристиками твердотельных реле.
Устройство
Внутренняя схема твердотельного реле зависит от того на какой ток оно рассчитано (постоянный или переменный) и вида сигнала управления им. Рассмотрим некоторые из них.
Начнем с реле, которое управляется постоянным током и коммутируется при переходе через ноль. Иногда их называют «твердотельное реле Z-типа».
Здесь контакты 3-4 – это вход управляющего сигнала, в котором используется управление с помощью оптопары, которая служит для гальванической развязки входных и выходных цепей.
Блок контроля перехода через 0, или как его называют Zero Cross Circuit – отслеживает фазу напряжения в питающей сети и когда оно переходит через ноль производит коммутацию цепи (включение или отключение). Такой способ также называют Zero Voltage Switch, он позволяет снизить броски тока при включении (так как напряжение в этот момент равняется нулю) и всплески ЭДС-самоиндукции при отключении нагрузки.
Подходит для управления резистивной, емкостной и индуктивной нагрузкой. Не подходит для управления высокоиндуктивной нагрузкой (при cosФ<0.5), такой как трансформаторы на холостом ходу. Также этот метод управления не вносит помех в питающую сеть при переключениях. Ниже вы видите эпюры сигналов управления, напряжения в сети и тока нагрузки при таком методе управления.
Схематически это реализуется следующим образом:
Здесь напряжение от сети подаётся на блок с симистором и блоком который отслеживает переход через ноль. Элементы Q1, R3, R4, R5, C4 при высоком напряжении блокируют открытие тиристора T2, который управляет силовым симистором T1. Тогда коммутация возможна только при напряжении в сети близком к нулю. Входная цепь выполнена н U1 – транзисторной оптопаре, которая подаёт сигнал на управляющий электрод драйвера симистора T2, через Q2.
Реле мгновенного включения устроены несколько иначе чем, реле с коммутацией при переходе через ноль. В них отсутствует каскад ZCC.
А при коммутации цепей постоянного тока симистор заменяют транзистором.
Также есть универсальные реле для постоянного и переменного тока, где используется сборка из транзисторов. Вообще есть множество схем выходных каскадов твердотельных реле, ниже приведены примеры схемотехники разных моделей от такого производителя, как International Rectifier.
В реле с фазовым методом управления дело обстоит несколько иначе. Оно подобно диммеру умеет регулировать мощность нагрузки (выходное напряжение), для этого на вход подают аналоговый сигнал — напряжение, ток или подключают переменное сопротивление. В качестве силового элемента здесь применяется тиристор. Но учтите, что из-за такого метода регулировки возникают помехи в сети, для подавления которых применяют сетевые фильтры с синфазными дросселями, но это совсем другая тема.
Отличия коммутации при переходе через ноль от фазовой коммутации вы можете увидеть на рисунке ниже.
Схемы подключения и особенности использования
На самом деле схема подключения твердотельных реле почти ничем не отличается от обычных. Как правильно подключить? Давайте разбираться.
Если вам нужно заменить обычное реле 220В с управлением от переменного тока 220В – используйте следующую схему, на примере LDG LDSSR-10AA-H. На схеме для примера изображено подключение через обычный выключатель или тумблер. Вместо этого сигнал включения может подаваться от термостата, регулятора и других устройств.
В этой схеме в качестве источника низкого напряжения постоянного тока используется блок питания 12VDC, которые широко распространены как блоки питания для светодиодных лент. Кстати вы даже можете управлять таким твердотельным реле подав на вход напряжение от зарядного устройства мобильного телефона, ведь на его выходе 5В, что больше минимального сигнала в 3В.
Учтите и то, что напряжение управления нужно отключать полностью, так как у каждого реле есть определенные параметры, при которых оно работает, например, у приведенного выше напряжение отключения порядка 1 вольта, а сработать оно может не при 3 номинальных вольтах, а уже при 2.5 (данные приведены усредненные, для примера, и могут отличаться в зависимости не только от конкретного изделия, но и от условий окружающей среды и монтажа.)
Но напомним, что есть и реле с фазовым методом управления. Схемы подключения таких реле проиллюстрированы далее (иллюстрация из инструкции к ним).
Вопрос – для чего нужны такие реле и где их используют? Поиск ответа на данный вопрос был недолгим, стоило мне ввести начало запроса и сразу выдало варианты использования в качестве силового ключа для управления нагревательными элементами от терморегуляторов с выходом 4-20 мА или 0-10В.
Кстати, для промышленного применения есть и отечественные разработки, например, ОВЕН ТРМ132 и другие модели, которые могут работать с выходными сигналами 4-20мА и 0-10В.
Однако использование твердотельного реле для управления мощной нагрузкой невозможно без охлаждения. Для этого используют пассивное (простой радиатор) или активное охлаждение (радиатор+кулер).
Рекомендации о выборе кулеров приводятся в технической документации на конкретное твердотельное реле, поэтому давать универсальные советы нельзя.
Заключение
Твердотельные реле могут использоваться как замена электромеханическим в ряде случаев. Самыми популярными вариантами в быту является замена контактора в электрокотле, по причине его громкого хлопка при включении, соответственно и включение ТЭНов станет бесшумным.
А также реализация различных мощных регуляторов мощности для тех же ТЭНов и прочего, для чего применяется твердотельное реле с аналоговым входом сигнала от переменного сопротивления (тип VA).
Радиолюбители же могут собрать простейшее твердотельное реле, на основе оптодрайвера для симисторов с ZCC типа MOC3041 и подобных.
Я считаю, что это достойные изделия для использования их в различных средствах автоматизации, к тому же они не требуют обслуживания (разве что чистки радиаторов от пыли), а срок службы, можно сказать, что неограничен. Они прослужат в разы дольше чем контакторы при условии отсутствия перегрузок, перегрева, КЗ и импульсных перенапряжений!
