Интересное / Как работает и для чего нужно твердотельное реле

Как работает и для чего нужно твердотельное реле

Содержание▼

Определение

Твердотельное реле представляет собой оптоэлектронный прибор, где управляющий сигнал передается посредством оптического канала, что позволяет активировать или деактивировать мощное выходное электронное устройство.

Общая классификация твердотельных реле

Оптоэлектронные твердотельные реле можно разделить на две основные группы:

двухполярные реле постоянного тока, основанные на IGBT или МОП-транзисторах, которые также могут работать в цепях переменного тока.
реле для переменного тока, где в качестве силовых компонентов используются симисторы и тиристоры, а также однополярные реле;

Эффективность сравнения (оптимизация рассеиваемой мощности в силовых компонентах) применения тиристорных и двухполярных реле на IGBT или МОП-транзисторах в цепях переменного тока. Для стандартных параметров силовых компонентов при напряжениях 230/380 В обнаруживается, что при токах выше 1 ампера тиристоры превосходят IGBT в 3–5 раз по эффективности, а соотношение рассеиваемой мощности реле на IGBT или МОП-транзисторах приблизительно равно величине тока в амперах.

Классификация твердотельных реле переменного тока

Существует несколько основных типов тиристорных твердотельных реле:

двухканальные твердотельные реле, имеющие раздельные или общие выходные точки с независимым управлением для каждого канала (от 1 А и выше).
однофазные реле с нормально замкнутыми и нормально разомкнутыми контактами (диапазон тока от 1 А до 100 А);
трехфазные реле с нормально разомкнутыми контактами (диапазон тока от 10 А до 150 А);
однофазные, двухфазные и трехфазные реле с функцией реверса, имеющие встроенную защиту от межфазного замыкания и моментального реверсирования (диапазон тока от 10 А до 40 А);

Классификация твердотельных реле постоянного тока

Твердотельные реле постоянного тока можно также классифицировать по времени задержки включения/выключения. Быстродействующие реле характеризуются задержками включения/выключения в пределах нескольких микросекунд, имеют дополнительный вывод для внешнего питания и подразделяются на следующие категории:

реле с питанием, которое гальванически связано с выходом, а также с питанием по входу;
реле с существенно меньшими задержками выключения (до 1 мс).

Также выпускаются многоканальные реле, которые имеют различные комбинации «нормально замкнутых» и «нормально разомкнутых» контактов, среди которых встречаются двух- и четырехканальные варианты.

Принцип работы

Твердотельное реле работает следующим образом: при подаче управляющего сигнала на вход реле светодиод внутри реле излучает свет, который активирует фотодетектор. Это, в свою очередь, включает полупроводниковый элемент, такой как симистор или транзистор, который замыкает цепь и подключает нагрузку. Когда управляющий сигнал исчезает, светодиод гаснет, фотодетектор отключается, и полупроводниковый элемент размыкает цепь, отключая нагрузку. Такой механизм обеспечивает быстрое и надежное переключение без механического износа.

Структура

Структура твердотельного реле может варьироваться в зависимости от конкретной модели и ее назначения, но обычно она состоит из следующих элементов:

Оптопара (оптрон): Этот компонент является сердцем реле и отвечает за изоляцию управляющей цепи от силовой. Оптопара включает светодиод (LED) и фотодетектор (например, фототранзистор или фотодиод), расположенные в одном корпусе. Когда на управляющую цепь подается сигнал, светодиод испускает свет, который активирует фотодетектор и, таким образом, включает силовую часть реле.
Силовая часть (выходная цепь): Силовая часть реле включает в себя элементы, которые управляют подключением нагрузки. Это могут быть транзисторы (например, MOSFET или IGBT) или тиристоры (например, симисторы или диоды). Они переключают подачу напряжения или тока на нагрузку в зависимости от сигнала, поступающего с оптопары.
Управляющая часть (входная цепь): Входная часть твердотельного реле представляет собой схему, через которую подается управляющий сигнал. В ней может находиться резистор, определяющий ток, поступающий на светодиод оптопары, и другие элементы, обеспечивающие работу управляющей цепи в требуемых режимах.
Защитные компоненты: В структуру твердотельного реле могут быть включены различные защитные элементы, такие как варисторы или диоды, предназначенные для защиты от перенапряжений и помех, которые могут возникнуть при работе с нагрузкой.
Корпус: Все эти компоненты заключены в прочный корпус, который обеспечивает защиту и изоляцию электрических цепей, а также способствует отводу тепла, которое выделяется в процессе работы реле.

Схема подключения

Схема подключения твердотельного реле во многом зависит от модели и параметров устройства, однако основная процедура подключения включает несколько ключевых этапов. Сначала важно определить входные и выходные контакты реле, где входные могут служить для подачи управляющего сигнала, а выходные — для подключения нагрузки. Тип нагрузки (переменный или постоянный ток, мощность) также играет значительную роль при выборе подходящего реле.

Далее входные контакты реле подключаются к источнику управляющего сигнала, будь то микроконтроллер или другой элемент управления. При этом важно учитывать требования к напряжению и току, которые предъявляются к управляющему сигналу.

Затем подключают нагрузку к выходным контактам реле, учитывая параметры нагрузки, такие как мощность, ток и напряжение. Правильность подключения всех элементов необходимо тщательно проверить, чтобы избежать несоответствий параметров реле и нагрузки. При необходимости можно добавить защитные элементы, например, предохранители или диоды, для дополнительной безопасности.

После завершения всех подключений подается управляющий сигнал на входные контакты реле и проверяется работа подключенной нагрузки. В случае обнаружения ошибок или необходимости точной настройки, проводится дополнительная проверка и корректировка подключения.

Методы управления

Управление напряжением: Управляющий сигнал подается в виде постоянного или переменного напряжения. Это наиболее распространенный метод, когда на вход реле подается напряжение, соответствующее его характеристикам (обычно от 3 до 32 В), что приводит к срабатыванию реле.
Управление током: В этом случае реле активируется при подаче определенного тока на управляющий вход. Это может быть полезно в системах, где напряжение остается стабильным, а управление осуществляется путем изменения тока.
Импульсное управление: Управляющий сигнал подается в виде импульсов. Такой метод часто используется в системах с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), где реле включается и выключается в зависимости от частоты и длительности импульсов.

Диапазоны для потенциального управления напряжением следующие:

для переменного напряжения: (6—30) В и (110—280) В.
для постоянного напряжения: (4—7) В и (3—30) В;

Организация защиты твердотельных реле

Тиристорные конструкции обладают высокой чувствительностью к перенапряжениям, что может привести к их необратимому повреждению. В связи с этим важной задачей является защита выходов реле от перенапряжений. Основной метод такой защиты — использование варисторов для шунтирования выходов реле. Для предотвращения потери управления реле из-за импульсных помех дополнительно применяется шунтирование выходов с помощью RC-цепей.

Сфера применения

Твердотельные реле (SSR) находят применение в самых разных областях благодаря своим уникальным характеристикам: высокой скорости переключения, отсутствию механического износа, бесшумной работе и устойчивости к вибрациям.

Они активно используются в промышленной автоматизации, где управляют электродвигателями, системами терморегуляции в печах и сушильных камерах, а также обеспечивают работу станков с ЧПУ и робототехнических комплексов.

В энергетике SSR играют важную роль в интеграции возобновляемых источников энергии, таких как солнечные панели и ветрогенераторы, участвуя в коммутации цепей инверторов и защите оборудования от перегрузок.

Медицинская техника также выигрывает от применения твердотельных реле — их используют в рентгеновских аппаратах, МР-томографах и лабораторном оборудовании, где критически важны отсутствие помех и надежность.

В транспорте, особенно в электромобилях и железнодорожных системах, SSR управляют зарядкой аккумуляторов, освещением и дверными механизмами, а в бытовой сфере они становятся основой для умных домов, регулируя климат-контроль, освещение и работу бытовой техники.

Особую нишу SSR занимают в системах освещения, например, в диммерах для светодиодных лент или автоматике уличных фонарей, где требуется плавное управление мощностью.

Научные лаборатории и пищевая промышленность тоже не остаются в стороне: реле применяют для контроля высокоточных приборов в вакуумных камерах, управления температурой в холодильных установках или на упаковочных линиях.

Преимущества и недостатки

Преимущества твердотельных реле:

Более высокая надежность и долговечность в сравнении с механическими реле благодаря отсутствию движущихся частей и контактов.
Быстрое и точное реагирование на управляющий сигнал благодаря высокой скорости коммутации.
Малый размер и вес.
Высокая точность регулирования выходной мощности.
Высокий уровень изоляции между входными и выходными цепями.