Твердотельное реле работа устройство и подключение

Твердотельное реле, по своей сути является электронной разновидностью обычного, но без без механических движущихся частей. Оно предназначено для коммутирования мощных электрических цепей с помощью низких уровней напряжений, подаваемых на управляющие контакты. Стандартное твердотельное реле содержит датчик, срабатывающий при поступлении управляющего сигнала и твердотельную электронику, коммутирующую мощную нагрузку. Эти устройства можно применять в сетях как переменного так и постоянного и тока. В принципе их используют для тех же функций, что и обычные электромагнитные.
Радиоконструкторы на любой вкус

Чтобы обеспечить бесконтактную коммуникацию без использования электромагнитов отлично подходят эти электронные устройства. Об их особенностях, принципе работы и схеме подключения поговорим далее в рамках нашей статьи.

Все современные твердотельные реле используют все свойства полупроводниковых устройств, таких как транзисторы, тиристоры, для переключения больших токов. Они имеют достаточно высокую скорость переключения, по сравнению с их электро-механическими аналогами и обладают полной гальванической развязкой. Но есть и небольшая ложка дегтя в том, что эти коммутационные приборы менее приспособлены к выдерживанию кратковременных перегрузок чем их механические собратья, и имеют чуть более высокое сопротивление в замкнутом состоянии.

Работа и устройство твердотельных реле

Как только на твердотельное реле поступает управляющее напряжение (переменное или постоянное), то оно замыкает или размыкает свои «электронные контакты». Функцию этих контактов выполняют различные полупроводниковые (твердотельные, отсюда и название) устройства. Обычно это, симисторы или тиристоры (для коммутации цепей переменного тока) и транзисторы (при работе с постоянным током).

В принципе, практически любой биполярный или полевой транзистор работающий в ключевом режиме можно назвать твердотельным реле. Например, в схеме преобразователя напряжения 12 - 1000 вольт на выходе стоит биполярный транзистор VT1, который подает питающее напряжение на первичную обмотку трансформатора. Транзистор может пропускать только постоянный ток, а вот тиристоры и симисторы можно применять и для переменного.

Так же, как и электромагнитных устройствах, в твердотельных имеется гальваническая развязка между управляющим напряжением и коммутируемым на силовых контактах. Только типовых это достигается за счет разнесения в пространстве, а в твердотельном – благодаря оптической развязки. Т.е, на входе должен обязательно стоять оптрон.

Рассматривая структуру данного электронного прибора, а большинство моделей очень похожи между собой, как по принципу работы, так и способу управления, но все же имеются незначительные отличия, которые никак не сказывается на их функциональность.

Структура любого твердотельного реле состоит из:

входной части
схемы оптической развязки
триггерной схемы
переключателя
защитной части.

Входная схема состоит из резистора на постоянном изоляторе имеющая последовательное подключение. Основная функция входной части состоит в принятии сигнала и передаче команды на коммутацию нагрузки.

В роли оптической развязки выходной и входной цепи применяются оптроны. От вида оптрона, зависит вид твердотельного реле и его работа.

Для переключения выхода при обработке сигнала применяется несложная схема на триггерах. Она выступает, как отдельный компонент.

Для непосредственной коммутации применяется схема переключающего типа, состоящая обычно из транзистора, кремниевого диода и симистора.

Для защиты прибора от возможных сбоев в работе или появления ошибок, применяется отдельная защитная часть. Она в основной состоит из внутренней и внешней схемы.

Чтобы коммутировать индуктивную нагрузку с помощью твердотельного устройства необходимо увеличить запас тока в 6-8 раз.

Принцип работы любого твердотельного прибора состоит в размыкании или замыкании контактов. Чтобы осуществить их переключение требуется наличие некоторого активатора. Его роль в электронном реле чаще всего выполняет транзистор при коммутации схем постоянного тока. А при работе на переменном токе это тиристор или симистор.

Применение твердотельных реле

Эти устройства автоматики используется там, где крайне важен принцип «поставил и забыл». А обычные контакты стандартных приборов все-же и иногда, рекомендуется чистить через несколько десятков тысяч циклов размыканий и замыканий.

Их рекомендуют применять там, где обычные контакты плохо себя ведут и горят как дешевые свечки, особенно их выгодно использовать в схемах коммутации индуктивной нагрузки, где контакты чаще всего залипают и подгорают. Либо, важны габариты собираемого (проектируемого) устройства.

Радиолюбители часто используют эти электронные устройства в схемах регулировки температуры, где применяются ТЭНы. Обычный пускатель (если ТЭН от 3 кВт или выше) переодически выходит из строя. Ведь, если в схемах требуется большая точность и задана небольшая гистерезисная петля, то контактору придется очень много трудиться, что неблагоприятно влияет на его продолжительность жизни.

Сфера применения твердотельного реле на практике достаточно обширная. Их применяют в том случае, если появляется необходимость в коммутации индуктивной нагрузки. Ниже даны основные области использования твердотельного устройства:

Схемы автоматики, в которых осуществляется температурная регулировка с помощью тэна
Для поддержания постоянной температуры в термостатах
Коммутирования и управления нагрузкой
В схемах управления электродвигателями
Контроль нагрева силовых трансформаторов и других технических устройств
В системах автоматической регулировки уровня освещения
Классификация твердотельных реле

Твердотельные коммутационные элементы по принципу работы и устройству можно классифицировать на следующие разновидности:

По виду управляющего напряжения – постоянное или переменное
По виду коммутируемого напряжения – постоянное или переменное
По количеству фаз – одннофазные и трехфазные.
Трехфазные в свою очередь можно поделитьна с реверсом или без. По способу монтажа на ДИН-рейку или поверхность

Твердотельное реле постоянного тока характеризуется хорошими удельными свойствами, наличием светодиодной индикацией, высокой степенью надежности. Большинство моделей имеют широкий диапазон рабочих температур от -30 до +70 градусов.

Однофазное ТТР переменного тока способно коммутировать ток в диапазонах 10-120 А или 100-500 А. Фазовое управление происходит посредством аналогового сигнала и переменного сопротивления.

Трехфазные твердотельные приборы используют для одновременной коммутации тока сразу на трех фазах. Они имеют рабочий интервал от 10 до 120 А. Среди трехфазных устройств выделяют приборы реверсивного типа, которые отличаются маркировкой и бесконтактным методом коммутации нагрузки.

В соотношении со способом коммутации нагрузки бывают реле:

емкостного редуктивного и слабо индукционного типа
с мгновенным или случайным включением
с наличием фазового управления - с помощью них легко производить настройку различных видов нагревательных элементов.

Схемы подключения твердотельных реле

Управление твердотельных реле схемотехнически такое же, как и у типового электромагнитного прибора. Ниже показана типовая схема включения:

На управляющий вход твердотелого прибора контакты 1 и 2, подается управляющее постоянное напряжение через схему управления или просто от источника питания. В момент поступления управляющего сигнала контакты 4-6 замыкаются между собой коммутируя собой мощную нагрузку.

Схемы включения трехфазных твердотелых приборов

Источник трехфазного напряжения — справа по схемам, нагрузка — слева. Управляющее напряжение может быть как переменным так и постоянным. Коммутация может осуществляться как по двум, так и по трём фазам.

Рекомендации по подключению твердотельного реле

Подключение электронного прибора в схему происходит с помощью винтового соединения.
Чтобы исключить поломку электронной конструкции нельзя допускать попадания в него пыли и жидкости
Не следует прилагать черезмерные внешние воздействия на корпус прибора
Не нужно располагать твердотельное реле рядом с легко воспламеняющимися предметами, а также не прикасайтесь к нему, во время работы, чтобы исключить вероятность получения ожогов
Перед включением устройства проверьте правильность коммутации соединений
В случае сильного нагрева корпуса, желательно установить конструкцию на охлаждающий радиатор.
Чтобы избежать перегорания устройства старайтесь избегать короткого замыкания на выходе схемы.

Основные достоинства твердотельного реле

  1. Низкое энергопотребление вследствии отсутствия электромагнитного разнесения, так как в твердотельном реле используется полупроводниковый компонент, вместо электромеханической системы

  2. Твердотельное реле гораздо более малогабаритное устройство, это дает существенно больше свободного маневра при его монтаже

  3. Данная конструкция характеризуется более высоким уровнем быстродействия, а время ожидания на коммутацию контактов стремится к нулю

  4. Такие устройства отличаются более большим ресурсом работы и не требуют профилактического обслуживания.

  5. Твердотельное реле не допускают генерации помех в применяемых схемах электромагнитного характера

  6. Высокий уровень быстродействия полностью исключает дребезг контактов во время работы.

  7. Надежная изоляция между цепями входа и нагрузки

  8. Стойкая виброустойчивость

Самодельное твердотельное реле

ТТР можно собрать и своими руками по приведенной ниже схеме, которая, по своей сути, является изолированным контроллером питания на базе симистора. Когда управляющие напряжение протекает через светодиод оптопары MOC3021, на ее выходе генерируется импульс, поступающий на симистор T1. Последний открывается и коммутирует через себя сетевое напряжение цепи переменного тока.

Для ограничения скорость изменения напряжения, параллельно симистору в схему подключена снабберная цепь (R2-C1)