Схема твердотельного реле постоянного тока своими руками

Содержание

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ РЕЛЕ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Электромагнитные реле – электромеханические устройства, работа которых основана на явлениях, известных по экспериментам с электромагнетизмом. Известно, что принцип действия обычных контактных выключателей заключается в том, что металлические элементы соприкасаются и через них может течь ток. Когда они разомкнуты, воздух между ними становится непроходимой преградой для тока. А эти контакты перемещаются электромагнитом, управляемым отдельной схемой.

Электромагнит был изобретен ещё 200 лет назад и с тех пор в его конструкции мало что изменилось. Но теперь есть больше знаний и технологических возможностей для изготовления миниатюрных электромагнитов с низким энергопотреблением, с возможностью питания постоянного или переменного тока и других особенностей. Электромагнитные реле (или просто реле) – это компоненты, которые чаще всего закрываются в прямоугольный корпус с выводами для пайки или установки в разъём. Внутри находится электромагнит, металлический якорь, который перемещает контакты.

Твердотельное реле: виды, практическое применение, схемы подключения

Классические пускатели и контакторы постепенно уходят в прошлое. Их место в автомобильной электронике, бытовой технике и промышленной автоматике занимает твердотельное реле – полупроводниковое устройство, в котором отсутствуют какие-либо подвижные части.

Приборы имеют различные конструкции и схемы подключения, от которых зависят их сферы применения. Прежде чем использовать устройство, необходимо разобраться в его принципе действия, узнать об особенностях функционирования и подключения разных видов реле. Ответы на обозначенные вопросы подробно изложены в представленной статье.

Как своими руками собрать схему твердотельного реле

Схема твердотельного реле своими руками

Даже начинающий радиолюбитель способен собрать твердотельное реле. Это устройство создано на базе полупроводниковых радиодеталей. Силовые ключи собраны на тиристорах, транзисторах либо симисторах. Для изготовления схемы твердотельного реле своими руками, стоит выяснить принцип работы и особенности подключения устройства. В результате с его помощью можно повысить надежность и безопасность электроцепи.

Твердотельное реле своими руками: инструкция по сборке и советы по подключению

Твердотельное реле (ТТР) – прибор из серии электронных компонентов немеханического действия. Отсутствие механики открывает больше возможностей любителям электроники сделать твердотельное реле своими руками для личного пользования.

Рассмотрим такую возможность подробнее.

Транзисторное твердотельное реле

Твердотельное реле (ТТР) или Solid State Relay (SSR) — это электронные устройства, которые выполняют те же самые функции, что и электромеханическое реле, но не содержит движущихся частей. Серийные твердотельные реле используют технологии полупроводниковых устройств, таких как тиристоры и транзисторы.

То есть вместо подвижных контактов в ТТР используются электронные полупроводниковые ключи, в которых цепи управления имеют гальваническую развязку с силовыми, коммутируемыми цепями. Благо сейчас переключательных полевых транзисторов приобрести нет никаких проблем. Таким образом, для построения твердотельного реле нам потребуется MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) транзистор, русский эквивалент термина — МОП-транзистор или полевой транзистор с изолированным затвором, и оптрон. На страницах сайта есть статьи, посвященные транзисторным ключам с оптической изоляцией – «Транзисторный ключ переменного тока»

Твердотельное реле схема

В данной статье рассмотрен ключ для коммутации переменного тока. Используя SMD компоненты по этой схеме можно изготовить ТТР переменного тока. Часть деталей монтируется на печатной плате, которая крепится к алюминиевой положке. Транзисторы устанавливаются на подложку через слюдяные прокладки. Конденсатор С1 лучше брать или танталовый или керамический. Его емкость можно уменьшить.
Еще одна статья – «Транзисторный ключ с оптической развязкой»

Схема твердотельного реле

В этой схеме к качестве коммутирующих транзисторов используются биполярные транзисторы разных структур.

Есть еще одна схема гальванически развязанного ключа на моп-транзисторе с защитой от предельного тока нагрузки. О нем шла речь в статье «Mощный ключ постоянного тока на полевом транзисторе»

Твердотельное реле (ТТР)

Все это хорошо, если напряжения, с которыми работают ТТР реализованные на MOSFET, позволяют управлять этими полевыми транзисторами. А как быть с коммутацией напряжения, например 3,3 вольта. Для открывания полевого транзистора этого напряжения явно не достаточно. Нужен какой-то преобразователь, способный поднять напряжение управления хотя бы до пяти вольт. Классический импульсный преобразователь использовать для реле – слишком громоздко. Но есть другие преобразователи – оптические, например — TLP590B.

Твердотелки – надо ли их использовать?

Для начала рассмотрим также целесообразность применения таких реле. Например, реальный случай:

У нас на предприятии на одном станке стоят соленоидные клапаны с питанием 24VDC 2А. Эти два клапана соединены параллельно, и включаются-выключаются с частотой примерно 1 раз в секунду. Питание идёт через реле. И, несмотря на то, что номинальный ток реле 10А индуктивной нагрузки, приходилось менять его каждый месяц-два. Поставили мы твердотелку – и забыли, работает без шума и проблем уже два года.

Другой случай, когда такие реле не нужны:

Простейший контроллер температуры, точность поддержания не существенна. Нагрузка – ТЭНы, работают в воде круглосуточно. Чаще, чем раз в год, один из ТЭНов замыкает или коротит на корпус. Здесь большая вероятность того, что ТТР выгорит, так как они очень чувствительны к перегрузкам.

О перегрузках и защите твердотельных реле будет подробно сказано ниже, а в данном случае целесообразно применить обычный контактор, который прекрасно справляется с перегрузкой и стоит в 10 раз дешевле.

Поэтому, за модой гнаться не стоит, а лучше применить трезвый расчет. Расчет по току и по финансам.

Если кому-то придёт в голову, можно кнопкой звонка или герконом запускать двигатель мощностью 10 кВт! Но не так всё просто, подробности будут ниже.

Параметры реле

Правильный выбор реле важен. Часто критерий выбора ограничивается ценой в магазине или запасом в радиолюбительской мастерской. Просто берут подходящее по току/напряжению. Но к этому вопросу следует подходить более профессионально. Давайте обсудим менее популярные параметры и посмотрим на них под другим углом, потому что многие из них часто слишком поверхностны.

Назначение

Сфера применения твердотельного реле достаточно обширна и охватывает самые разнообразные отрасли промышленности и народного хозяйства. Их используют в таких системах, где по условиям эксплуатации можно исключить периодический контроль состояния коммутатора. Твердотельные приборы устанавливаются в оборудовании с частыми коммутациями, где классические подвижные контакты не справляются с работой и перегорают. Или в таких электроустановках, где недопустимо искрообразование при разрывании или замыкании цепи контактной группой.

Помимо этого твердотельные реле характеризуются малыми габаритами, что делает их весьма привлекательной альтернативой для слаботочного оборудования. Они применяются в электронике и бытовых устройствах, а также труднодоступных местах, где после ввода прибора в работу отсутствует возможность технического обслуживания.

Основными направлениями, в которых вы часто встретите твердотельное реле, являются:

  • нагревательные электроприборы с ТЭНами, спиралями для контроля температуры нагревания;
  • контроль температурных режимов в технологических процессов;
  • отслеживание рабочих режимов силовых трансформаторов;
  • регулировка степени освещенности или включение освещения в зависимости от времени суток;
  • применение в качестве датчика движения;
  • включение и отключения электродвигателей, переключение различных режимов их работы;
  • в качестве электронных ключей силовых и слаботочных электроустановок;
  • как коммутаторы станочного оборудования, в котором нужна высокая частота срабатывания;
  • для переключения позиций в источниках бесперебойного питания.

Стоит отметить, что повсеместная автоматизация технологических процессов все чаще задействует твердотельное реле в качестве коммутационного устройства.

Устройство твердотельного реле

Современные твердотельные реле (ТТР) представляют собой модульные полупроводниковые приборы, являющиеся силовыми электропереключателями.

Ключевые рабочие узлы этих устройств представлены симисторами, тиристорами или транзисторами. ТТР не имеют подвижных частей, чем отличаются от электромеханических реле.

Ключевые узлы твердотельных реле

Внутреннее устройство этих приборов может сильно различаться в зависимости типа регулируемой нагрузки и электрической схемы.

Простейшие твердотельные реле включают такие узлы:

  • входной узел с предохранителями;
  • триггерная цепь;
  • оптическая (гальваническая) развязка;
  • переключающий узел;
  • защитные цепи;
  • узел выхода на нагрузку.

Входной узел ТТР представляет собой первичную цепь с последовательно подключенным резистором. Предохранитель в эту цепь встраивается опционально. Задача узла входа – принятие управляющего сигнала и передача команды на коммутирующие нагрузку переключатели.

При переменном токе для разделения контролирующей и основной цепи применяют гальваническую развязку. От её устройства во многом зависит принцип работы реле. Ответственная за обработку входного сигнала триггерная цепь может включаться в узел оптической развязки или располагаться отдельно.

Защитный узел препятствует возникновению перегрузок и ошибок, ведь в случае поломки прибора может выйти из строя и подключенная техника.

Основное предназначение твердотельных реле – замыкание/размыкание электрической сети с помощью слабого управляющего сигнала. В отличие от электромеханических аналогов, они имеют более компактную форму и не производят в процессе работы характерных щелчков.

Различия схем включения реле

По виду подключения твердотельные реле можно разделить на следующие категории:

По управлению (виду входного управляющего сигнала):

  • постоянное напряжение (встречается чаще всего),
  • переменное напряжение,
  • постоянный ток 4-20 мА,
  • переменный резистор.

По виду коммутируемого тока

  • твердотельные реле переменного тока
  • твердотельные реле постоянного тока

По количеству фаз

  • одна фаза
  • три фазы (как правило, фактически это две фазы)

В любом случае, для выбора ТТР и его схемы включения нужно руководствоваться мануалами на данное реле.

Кстати, рекомендую мою статью про трехфазное и однофазное напряжение. Терминология и отличия разжеваны не пальцах)))

Напряжение питания катушки

На корпусе реле написано, например, 12 В, что означает для его срабатывания потребуется 12 В. Вот только редко бывает напряжение точно требуемого значения. И что делать если напряжение в схеме упадёт до 9 В или повыситься до 15 В?

Если напряжение будет слишком высоким, катушка соленоида, обычно герметично закрытая в небольшом пластиковом корпусе, просто перегреется. Закон Джоуля здесь неумолим. К счастью производители предоставляют некоторый запас по напряжению. И наоборот, если напряжение слишком низкое, через катушку постоянного сопротивления будет протекать меньший ток, что сделает якорь менее слабым на притягивание. А если сила тока слишком низкая, якорь вообще не сдвинется с места.

Термин «напряжение питания катушки» неточен, потому что каждый производитель реле должен предоставить по крайней мере два разных напряжения характеризующих катушку. Первое – это напряжение срабатывания, а второе – напряжение отпускания. Напряжение переключения близко к напряжению, указанному на корпусе.

Это значение, при котором производитель гарантирует замыкание контакта. Оно дается для строго определенной температуры, чаще всего комнатной или аналогичной. При более высоких температурах сопротивление провода увеличивается, поэтому приложение того же напряжения к катушке вызовет протекание более низкого тока (что может быть недостаточно для перемещения якоря).

Напряжение отключения (отпускания) информирует, до какого значения необходимо снизить напряжение питания катушки, чтобы контакты вернулись в исходное положение. Часто это всего лишь 10% от номинального напряжения! Таким образом, реле с напряжением питания 5 В, указанным на корпусе, отключится когда падение напряжения упадёт до 0,5 В, что даже меньше прямого напряжения кремниевых p-n переходов. Разница в процентах вызвана магнитным гистерезисом ферромагнитного материала, из которого изготовлен сердечник электромагнита.

Это очень удобно, поскольку позволяет значительно снизить энергопотребление катушки в установившемся режиме. Реле с номинальным напряжением питания 12 В достаточно для подачи напряжения выше 8,4 В, а затем его понижения (например до 2 В). Экономия электроэнергии, важная для схем с батарейным питанием, будет огромной.

Фактическое напряжение питания катушки может отличаться от указанного на корпусе, и в довольно широких пределах. Об этом стоит помнить. Подтянув якорь электромагнитом, можно снизить напряжение питания катушки и сэкономить энергию.

Устройство

Конструктивно твердотельное реле представляет собой расширенный вариант полупроводникового ключа. В состав устройства входят резисторы, транзисторы, симисторы или тиристоры, которые и лежат в основе их работы. За счет того, что вся конструкция имеет монолитную структуру – единый блок, реле и получило название твердотельного.

Устройство твердотельного реле

Рис. 1. Устройство твердотельного реле

Условно все устройство можно разделить на несколько блоков:

  • Входной узел – используется для подачи управляющего сигнала. В состав узла входит токоограничивающий резистор и устройство для передачи сигнала на коммутирующий элемент.
  • Триггерный узел – применяется для обработки получаемых сигналов. Как правило, является частью линии оптической развязки, но может устанавливаться и отдельно от нее.
  • Узел оптической развязки – осуществляет гальваническое разделение основного участка и контролирующего. Является неотъемлемой составляющей реле переменного тока. От конструктивных особенностей этого узла напрямую зависит принцип действия коммутатора.
  • Цепь коммутации – производит включение и отключение линии питания нагрузки. Функционирует по принципу запирания и отпирания p-n перехода, поэтому классического переключения в твердотельных реле не происходит.
  • Цепи защиты – осуществляют устранение помех, защищают твердотельное реле от перегрузок и токов коротких замыканий. По месту расположения бывают внутренней и внешней установки.
  • Выходной узел – используется для подключения нагрузки, как правило, представлен парой контактов или клемм.

Следует отметить, что в зависимости от типа твердотельного реле, состав основных блоков может существенно отличаться. Поэтому определенные модели могут обходиться без некоторых из вышеперечисленных узлов.

Особенности процесса изготовления

Рекомендуется заключать все элементы схемы в металлический корпус, чтобы охлаждение происходило намного лучше. Для надежности нужно заливать короб при помощи клеевого пистолета. Главное при работе – это правильно подобрать металлическую подложку, чтобы обеспечить наилучшее отведение тепла. Для изготовления используется опалубка, в которую заключается твердотельное реле постоянного тока. Своими руками ее изготовить можно из любого материала.

Идеально подойдет пластиковая коробка или отрезок трубы. Все зависит от того, какой размер у изделия. Металлическая подложка должна размещаться в этой опалубке. Тщательно нужно залить клеем все элементы схемы, отверстия в корпусе, чтобы обеспечить качественную изоляцию. Обратите внимание на то, что у симисторов выводы обычно неоднозначно определяются, поэтому их нужно заранее проверить. Для проверки открытия симистора необходимо использовать мегомметр. Как только симистор откроется, сопротивление изменится от нескольких десятков мегаом до 1-2 кОм.

Принцип работы

В зависимости от вида твердотельного реле, может отличаться и принцип его действия. В основе работы лежит два сигнала – управляющий и управляемый, которые могут генерироваться и передаваться различным способом. Поэтому в качестве примера мы рассмотрим одну из разновидностей данного устройства, функционирующего посредством оптрона.

Принцип действия твердотельного реле

Рис. 2. Принцип действия твердотельного реле

Оптрон, в соответствии с п.1.1 ГОСТ 29283-92 осуществляет генерацию электромагнитных или световых импульсов с определенными параметрами. В соответствии с которым и происходит взаимодействие его компонентов. Конструктивно оптрон представляет собой оптическую пару – светодиод и фотодиод, установленные в разных блоках твердотельного реле.

При подаче питания на входной узел твердотельного реле начнется протекание тока через цепь светодиода. В результате чего световое излучение попадет на фотодиод. При достижении световым потоком заданной интенсивности, фотодиод установит рабочие параметры для цепи нагрузки и произведет коммутацию нагрузки.

Схемы с управлением от транзистора

Здесь транзистор может быть выходом любого полупроводникового прибора – датчика приближения, контроллера, и т.п.

Управление транзистором PNP, НО реле

Скажу, что со схемами управления, которые я взял из фирменных инструкций, полная путаница. Можете сами разобраться, а я расскажу своё мнение.

Управление транзистором PNP, НО реле

Управление транзистором PNP, НО реле

Под “нормально открытым контактом” (читали, что это, ссылку я давал выше?) подразумевается, что без управляющего напряжения (на базе транзистора) твердотельное реле не пропускает ток. Напряжение между входными контактами 3 и 4 близко к нулю, реле выключено. При подаче входного управляющего напряжения на базу транзистора (например, +5В), транзистор открывается и плюс подается на вход 3. Реле открывается, нагрузка получает питание.

Управление транзистором NPN, НЗ реле

Управление транзистором NPN, НЗ реле

Управление транзистором NPN, НЗ реле

Когда транзистор закрыт (не активен), на управляющий вход твердотельного реле подается напряжение, нагрузка под напряжением.

Управление транзистором NPN, НО реле

Когда транзистор закрыт (не активен), на управляющий вход твердотельного реле подается напряжение, близкое к нулю, и нагрузка без напряжения.

Контактный ток передачи

И контакты, и металлические выводы к ним, представляют собой элементы с конечной площадью поперечного сечения. Существует ограничение на количество тока, который может проходить через них без опасения перегрева.

На значение этого параметра влияют форма контактов, контактная поверхность, материал контактов и сила их давления. Как для нормально разомкнутых (NO), так и для нормально замкнутых (NC) контактов, идентичность первых трех параметров легко достигается. Достаточно если они будут из одного материала, с использованием одинаковых форм.

Параметр усилия нажима повторить сложнее. Контакты сталкиваются с большой силой и затем удерживаются на месте якорем. Давление на замыкающие контакты обеспечивается только пружиной, которая не должна быть слишком сильной, чтобы электромагнит реле мог ее согнуть. По этой причине ток, который могут проводить замыкающие контакты, может быть больше чем ток, протекающий через замыкающие контакты. Некоторые производители правда оговаривают, что максимальный прямой ток замыкающих контактов доступен при номинальном напряжении питания катушки. Многие производители учитывают это и проектируют свою продукцию таким образом, чтобы не было разницы в параметрах между нормально разомкнутыми и нормально замкнутыми контактами.

Отличия от электромеханических реле

Отличия между электромеханическим и твердотельным реле

Рис. 3. Отличия между электромеханическим и твердотельным реле

Если рассматривать основные отличия, то они заключаются в принципе реализации логических операций. Так, в соответствии с п. 3.1.1 ГОСТ IEC 61810-7-2013 под электромеханическим реле следует понимать такое устройство, в котором операции производятся за счет движения механических элементов. В частности, на катушку индуктивности подается управляющий импульс, который создает достаточный электромагнитный поток для перемещения сердечника. Механически сердечник соединяется с контактной группой, которая замыкается и размыкается в зависимости от управляющего сигнала.

Твердотельное реле, в свою очередь, не имеет подвижных частей, а изменение логического состояния производится путем перевода полупроводникового элемента из открытого состояния в закрытое, и, наоборот. Поэтому основным отличием от электромеханических моделей является отсутствие подвижных контактов.

Преимущества и недостатки ТТР

Твердотельные реле не зря вытесняют с рынка обычные пускатели и контакторы. Эти полупроводниковые приборы обладают множеством преимуществ перед электромеханическими аналогами, которые заставляют потребителей останавливать выбор именно на них.

Твердотельное реле для печатных плат

К таким достоинствам относят:

  1. Низкое потребление электроэнергии (на 90% меньше).
  2. Компактные габариты, позволяющие монтировать устройства в ограниченном пространстве.
  3. Высокая скорость запуска и отключения
  4. Пониженная шумность работы, отсутствуют характерные для электромеханического реле щелчки.
  5. Не предполагается техническое обслуживание.
  6. Длительный срок службы благодаря ресурсу в сотни миллионов срабатываний.
  7. Благодаря широким возможностям по модификации электронных узлов, ТТР имеют расширенные сферы применения.
  8. Отсутствие электромагнитных помех при срабатывании.
  9. Исключается порча контактов вследствие их механического удара.
  10. Отсутствие прямого физического контакта между цепями управления и коммутации.
  11. Возможность регулирования нагрузки.
  12. Наличие в импульсных ТТР автоматических цепей, защищающих от перегрузок.
  13. Возможность использования во взрывоопасных средах.

Указанных преимуществ твердотельных реле не всегда достаточно для нормальной работы оборудования. Именно поэтому они ещё не полностью вытеснили электромеханические контакторы.

Зависимость коммутационной способности ТТР от температуры

ТТР имеют и недостатки, которые не позволяют им использоваться во многих случаях.

К минусам относят:

  1. Невозможность работы большинства устройств с напряжениями свыше 0,5 кВ.
  2. Высокая стоимость.
  3. Чувствительность к высоким токам, особенно в пусковых цепях электродвигателей.
  4. Ограничения по использованию в условиях повышенной влажности.
  5. Критическое снижение рабочих характеристик при температурах ниже 30°С мороза и выше 70°С тепла.
  6. Компактный корпус приводит к избыточному нагреву устройства при стабильно высоких нагрузках, что требует применения специальных устройств пассивного или активного охлаждения.
  7. Возможность расплавления устройства от нагрева при коротком замыкании.
  8. Микротоки в закрытом состоянии реле могут быть критическими для работы оборудования. Например, подключенные в сеть люминесцентные лампы могут периодически вспыхивать.

Таким образом, твердотельные реле имеют определенные сферы применения. В цепях высоковольтного промышленного оборудования их использование резко ограничено из-за несовершенных физических свойств полупроводниковых материалов.

Однако в бытовой технике и автомобильной промышленности ТТР занимают прочные позиции за счет своих положительных свойств.

Промышленный образец Siemens V23103-S2232-B302

Схема твердотельного приведена на рисунке:

Схема твердотельного реле производства Сименс

По этой схеме своими руками твердотельное реле можно довольно быстро изготовить, трудностей при этом не возникнет. Главное – это найти необходимые компоненты или аналоги. Защита может находиться как внутри корпуса реле, так и отдельно. Теперь нужно рассмотреть дополнительные устройства, которые необходимо использовать совместно с реле.

irlr024zpbf Datasheet Pdf

Но у меня таких транзисторов нет и я для реле использовал транзисторы IRL2505 с каналом типа n. У данного транзистора Qg = 130nC !

Управление резистором

Плавно подходим к переменному току.

Управление переменным резистором

Управление переменным резистором

Не путать переменный ток и переменный резистор! В данном случае твердотельное реле фактически является диммером, который изменяет скважность выходного напряжения для нагрузки, которая приспособлена для этого. Такие реле – только с коммутацией переменного тока, и включаются/выключаются 100 раз в секунду.

Технические характеристики

При выборе конкретной модели для замены вышедшего со строя твердотельного реле или для установки в новом оборудовании необходимо руководствоваться основными характеристиками прибора.

К основным параметрам относятся:

  • Класс и величина напряжения на входе и выходе устройства;
  • Сопротивление твердотельного элемента или потребляемая мощность;
  • Ток срабатывания – определяет рабочие параметры перехода из одного логического состояния в другое;
  • Перегрузочная способность – кратная величина номинальному току;
  • Электрическая прочность изоляции;
  • Тип монтажа – наличие крепежных деталей или пайка на выводы;
  • Материал, из которого изготовлено реле;
  • Габаритные размеры;
  • Наличие дополнительных функций.

Все характеристики твердотельных реле будут отличаться в зависимости от вида конкретного устройства.

Разделение по видам обуславливается как рабочими параметрами некоторых устройств, так и сферой их применения. Поэтому, классификация твердотельных реле осуществляется по нескольким факторам, определяющим тот или иной параметр.

Так, все логические элементы, в зависимости от рода тока, подразделяются на две группы – реле постоянного и переменного тока. Первые отличаются высокой надежностью и отлично справляются с поставленными задачами, как при низких, так и при высоких температурах. Второй вид обладает высокой скоростью срабатывания.

В зависимости от количества подключаемых фаз все твердотельные реле подразделяются на однофазные и трехфазные. Первый вид обеспечивает питание однофазной нагрузки или устройств постоянного тока. Трехфазные, в большинстве случаев, используются для питания электродвигателей, но встречаются коммутаторы и для других типов оборудования.

Трехфазные и однофазные твердотельные реле

Рис. 4. Трехфазные и однофазные твердотельные реле

По типу управления различают следующие виды:

  • Фазовое – плавно изменяет напряжение на выходе в процентном соотношении;
  • Мгновенное – производит переключение мгновенно;
  • При переходе через 0 – переключение осуществляется только при достижении синусоидой нулевого значения.

В зависимости от пропускаемой нагрузки, все устройства могут подразделяться на слаботочные и силовые. Первые устанавливаются в цепи управления, вторые используются для питания мощного бытового и промышленного оборудования.

Возможные схемы подключений

Схемы подключения твердотельных реле могут быть самые разнообразные. Каждая электрическая цепь строится, исходя из особенностей подключаемой нагрузки. В схему могут добавляться дополнительные предохранители, контроллеры и регулирующие устройства.

Простейшая схема подключения реле

Далее будут представлены наиболее простые и распространенные схемы подключения ТТР:

  • нормально-открытая;
  • со связанным контуром;
  • нормально-закрытая;
  • трехфазная;
  • реверсивная.

Нормально-открытая (разомкнутая) схема – реле, нагрузка в котором находится под напряжением при наличии управляющего сигнала. То есть подключенная техника оказывается в отключенном состоянии при обесточенных входах 3 и 4.

Типы однофазных схем подключения ТТР

Нормально-замкнутая схема – подразумевается реле, нагрузка в котором находится под напряжением при отсутствии управляющего сигнала. То есть подключенная техника оказывается в рабочем состоянии при обесточенных входах 3 и 4.

Существует схема подключения твердотельного реле, в которой управляющее и нагрузочное напряжение одинаково. Такой способ можно использовать одновременно для работы в сетях постоянного и переменного тока.

Трехфазные реле подключаются несколько по иным принципам. Контакты могут соединяться в вариантах «Звезда», «Треугольник» или «Звезда с нейтралью».

Варианты подключения трехфазной нагрузки

Реверсные твердотельные реле применяются в электродвигателях в соответствующем режиме. Они изготавливаются в трехфазном варианте и включают два контура управления.

Реле с двумя контурами управления

Собирать электрические цепи с ТТР необходимо только после их предварительной прорисовки на бумаге, потому что неверно подключенные устройства могут выйти из строя из-за короткого замыкания.

Схема с фиксацией и управлением кнопками (защелка)

Управление твердотельным реле с фиксацией включения

Управление твердотельным реле с фиксацией включения

Схема включения интересна тем, что можно включать – выключать нагрузку, используя только две кнопки – Пуск и Стоп. То есть, схема такая же, как и при использовании обычного реле. Точнее, магнитного пускателя. Важно, что управляющее напряжение равно напряжению питания нагрузки.

Схема нарисована тайваньскими инженерами, попробуем разобраться в ней.

Кстати, её же можно использовать для коммутации и переменного, и постоянного тока.

Схема работает таким образом. Исходно управляющее напряжение поступает на клемму 3 ТТР с источника питания через НЗ контакты кнопки Стоп. При нажатии кнопки Пуск (слева на схеме) напряжение с другого полюса источника поступает через НО контакты на клемму 4 ТТР. Реле включается, напряжение на клемме 1 появляется, и подается через резистор (вверху схемы) на клемму 4. Прошла доля секунды, кнопку Пуск можно отпускать, нагрузка питается до тех пор, пока не будет нажата кнопка Стоп.

Особенности работы и схемы включения реле

При изготовлении своими руками твердотельного реле на полевом транзисторе важно учитывать параметры схемы, в которой оно будет использоваться. Но давайте, чтобы разобраться в особенностях работы твердотельных элементов, рассмотрим обычные электромагнитные реле. В них, когда на обмотку подается напряжение, генерируется магнитное поле. С его помощью происходит притягивание контактов.

Оптическая развязка в твердотельном реле своими руками

При этом цепь либо размыкается, либо замыкается. Есть один недостаток у такого механизма – имеется в конструкции немало подвижных элементов. У твердотельных их нет, а это является основным преимуществом. Также можно выделить следующие особенности:

  1. Включение и отключение нагрузки происходит только в том случае, когда напряжение проходит через нуль.
  2. При работе не происходит появление помех электрического типа.
  3. Достаточно большой диапазон напряжений, при котором работает устройство.
  4. Между цепями управления и нагрузкой качественная изоляция.
  5. Высокая механическая прочность изделия.

А еще при работе не издается ни единого звука – просто открывается и закрывается переход полупроводника.

Время переключения

Понятно что реле работают медленнее полупроводниковых приборов. В некоторых устройствах необходимо ввести соответствующие последовательности переключения. Те же пассивные регуляторы громкости. Быстрое переключение резисторов в резистивном делителе необходимо, чтобы получить ощущение плавности при быстром изменении громкости звука. Здесь следует помнить, что оставление цепи разомкнутой даже на мгновение, когда одно реле уже отключилось, а соседнее еще не сработало, может привести к очень неприятному потрескиванию из динамиков. Это недопустимо в аудиоаппаратуре высокого класса, а в студии звукозаписи вообще нонсенс.

Следует учитывать время включения следующего реле до того, как предыдущее перестанет работать. И учитывать возможное отклонение напряжения питания в сторону уменьшения, а также повышенную температуру окружающей среды, что увеличивает время переключения. Поэтому лучше предполагать, что время вдвое больше, чем указано в даташитах на реле.

Практическое применение устройств

Сфера использования твердотельных реле довольно обширна. Из-за высокой надежности и отсутствия потребности в регулярном обслуживании их часто устанавливают в труднодоступных местах оборудования.

Подключение температурного датчика в реле

Основными же сферами применения ТТР являются:

  • система терморегуляции с применением ТЭНов;
  • поддержание стабильной температуры в технологических процессах;
  • контроль работы трансформаторов;
  • регулировка освещения;
  • схемы датчиков движения, освещения, фотодатчиков для уличного освещения и т.п.;
  • управление электродвигателями; .

С увеличением автоматизации бытовой техники твердотельные реле приобретают все большее распространение, а развивающиеся полупроводниковые технологии постоянно открывают новые сферы их применения.

При желании, собрать твердотельное реле можно собственноручно. Подробная инструкция представлена в этой статье.

Пример подключения твердотельного реле

Вы знаете, как изготовить твердотельное реле своими руками. Аналоги такого устройства встречаются в продаже достаточно часто. Можно использовать как любительские схемы, так и промышленные – зависит от того, какие возможности нужно получить от устройства. С помощью такого устройства обеспечивается контакт высоковольтной и низковольтной цепей.

Большая часть промышленных устройств и самоделок имеет схожую структуру. Отличия несущественные, на работу не влияют никак. Убедиться в этом несложно. На рисунке приведена простейшая схема включения реле:

Схема подключения устройств к твердотельному реле

  1. Оптическая развязка цепей.
  2. Триггерная цепь (может быть несколько).
  3. Защитные устройства и переключатели.
  4. Входы.

Вход – это первичная цепь, в которой устанавливается постоянное сопротивление. Функция входа заключается в приеме сигнала и передаче нужной команды на устройство, которое производит коммутацию нагрузки.

Схемы включения трехфазных твердотельных реле

Трехфазное твердотельное реле, схема подключения.

Трехфазное твердотельное реле, схемы подключения.

Тут источник трехфазного напряжения – справа по схемам, нагрузка – слева. Управляющее напряжение может быть любым (переменным или постоянным).

Кроме того, коммутация может быть как по двум фазам, так и по трём, это важно! Подробнее ниже.

Корпуса электромагнитных реле

Все большую популярность приобретают реле с герметичными корпусами, но все еще доступны реле и в негерметичном корпусе в виде пластиковой крышки, устанавливаемой на защелки. При разработке оборудования для дома или в офисе, это не имеет особого значения. Но в загрязненной или сырой среде на это стоит обратить внимание.

Разумеется только герметичные реле следует размещать в среде с повышенной влажностью. Но есть и помещения с совершенно другой спецификой, например, котельные. Воздух в них обычно сухой и теплый, но загрязнен угольной пылью и выхлопными газами. Примеси богаты серой, которая является неотъемлемым спутником всех видов углерода. Если сжигание в небольших котельных оказывает незначительное влияние на окружающую среду, то электроника внутри котельной может это сразу почувствовать. Большинство реле средней мощности имеют контакты из сплава серебра, идеально реагирующие с серой с образованием сульфида серебра, который нерастворим и не электропроводен. То есть контакты реле за короткое время сульфатируются.

Возникала такая ситуация в контроллере тонкой печи центрального отопления, где использовались реле без герметизации. Через два года печь стала «странно работать» и окончательно перестала включать насосы. Причина – сильно сульфатированные контакты реле. Внутри они были липкими от смолистой пыли. После замены на герметичный кожух печь безупречно работает долгие годы.

В своих примечаниях производители обращают внимание на использование реле с негерметичным корпусом только в местах, свободных от пыли, соединений серы и азота. Это сказывается и на классе герметичности – блоки с герметичным корпусом обычно имеют класс IP67, а обычные только IP40.

Реверсивные твердотельные реле

Существуют также специальные трехфазные твердотельные реле для реверса двигателей, у которых два управляющих входа.

Пример включения трехфазного реле – на фото ниже:

Включение трехфазного твердотельного реле

Включение трехфазного твердотельного реле

Как видно, реле не совсем трехфазное, одна фаза подается на двигатель постоянно, что может стать причиной опасности.

На корпусе реле напечатана его схема включения, где всё понятно. Реле реверсивное, и у него два входа – Forward и Reverse (Вперёд/Назад). Для реверса фазы L1 и L2 меняются местами.

Важно – внутри реле нет блокировки от одновременного включения в обоих направлениях, и ее надо обеспечить аппаратно (блокировочные контакты кнопок/реле) и программно (если управление – от контроллера). Если это не предусмотреть, то вероятна ситуация, когда силовые выходы 1, 2, 3, 4 будут замкнуты накоротко 🙁 .

Установка элемента в разъём

Реле являются электромеханическими компонентами, поэтому они подвержены износу. В большинстве серийно выпускаемых устройств этим можно пренебречь – срок службы реле обычно больше ожидаемого срока службы устройства. Даже если реле выходит из строя (например, при сварке контактов) или преждевременно изнашивается, это простая и рутинная операция по замене компонента в сервисном центре.

Иная ситуация с приборами промышленной автоматики. В тех случаях, когда твердотельные реле (SSR) не могут быть использованы или устройство не новое, остается регулярная замена реле. Следует учитывать, что устройства часто работают в очень плохих условиях, например, с повышенной влажностью (вызывающей коррозию клемм), вибрацией, пылью (ухудшающей изоляцию) или чрезвычайно высокой или чрезвычайно низкой температурой. Тогда не остается ничего другого, как использовать розетку для реле. Некоторые из них имеют клеммы, которые позволяют как пайку в печатную плату, так и установку в розетку с прижимным зажимом, чтобы предотвратить их выпадение.

Во многих розетках контакты расположены на том же расстоянии, что и реле, установленные в них. Благодаря этому в устройство можно добавить гнездо для реле, не меняя конструкции печатной платы. Это особенно важно, когда на этапе проектирования неизвестно будет ли данное реле часто выходить из строя. Учтите что реле встроенное в розетку, обычно имеет меньший допустимый прямой ток контактов.

Развязка оптического типа

Твердотельное реле в системе управления освещением

Оптическая развязка – это прибор, который осуществляет изоляцию входов и выходов. Когда происходит обработка сигнала, поступающего на вход, обязательно нужно использовать триггерную цепь. Это отдельный компонент, но иногда он включен в конструкцию оптической развязки. Цепь переключения используется в том случае, когда нужно подать напряжение к нагрузке.

Выбор твердотельных реле, защита и особенности работы

Обычное реле и контактор без особых проблем выдерживают кратковременные перегрузки до 150 и даже 200% от номинала. Особенно, если не коммутировать нагрузку с таким током, а повышать ток после замыкания, и понижать перед размыканием.

Обычные контакты могут выдержать и кратковременный ток КЗ, если сработает защита с правильной уставкой тока. Просто, возможно, придётся потом контакты почистить.

Твердотельные реле от перегрузок страдают сильнее, за пол периода портятся безвозвратно, и контакты потом не почистить, из-за отсутствия таковых.

Это как в звукотехнике. Ламповая техника при перегрузках чувствует себя нормально, только слегка “потеет”, а транзисторы начинают жутко искажать сигнал и могут выйти из строя. За это до сих пор так ценятся ламповые усилители, за их мягкий, бархатный звук на предельных мощностях. Другое дело, что источников качественного сигнала сейчас практически нет, всё заполонил mp3 128kbps, и то в лучшем случае. Но это тема отдельной статьи…

Если при выборе контактора достаточно выбрать запас в 10-20% и защитить его обычным автоматом, то с твердотельными устройствами всё сложнее.

Поэтому для твердотельных реле рекомендуется для активной нагрузки (лампы, ТЭНы) запас по номинальному току в 2-4 раза. При пуске асинхронных двигателей из-за большого пускового тока запас по току нужно увеличить до 6-10 раз.

То есть, трехфазная твердотелка Fotek TSR-40AA-H на 40А, показанная на фото чуть выше, на своих 40 амперах работать вряд ли будет. Мощность двигателя, которую можно коммутировать в данном случае – от 2,2 кВт до 5 кВт. Причём двигатель 5 кВт (это около 10А) должен запускаться обязательно на холостом ходу, с минимальным пусковым моментом, а нагрузку к нему прикладывать можно после пуска и разгона.

Кстати, с индуктивной нагрузкой твердотельные реле могут вести себя неадекватно, у меня бывали проблемы. В случае высокоиндуктивных нагрузок (трансформаторы, катушки с магнитопроводами, электрические звонки, и т.п.) нужно параллельно нагрузке включать RC-цепь (снабберную цепь из последовательных резистора и конденсатора) для уменьшения влияния противо-ЭДС. Кроме того, эта цепь уменьшает общую индуктивность нагрузки, т.е. делает её более активной. И ТТР легче работать.

Бистабильное и моностабильное

Бистабильные реле становятся дешевле и доступнее, но многие разработчики пока не обращают на них внимания. В схемах с питанием от сети энергоэффективность не очень важна, но где требуется экономия энергии, они могут оказаться большим подспорьем. Для удержания якоря в одном положении не требуется приложения энергии. Потребление тока происходит при переключении контактов, которое длится несколько десятков миллисекунд, после чего его источник может быть отключен. Устройство будет оставаться в устойчивом состоянии столько, сколько надо, отсюда и название.

Типичные реле имеют только одно стабильное положение, а поддержание другого требует непрерывного протекания тока через катушку.

Есть два типа бистабильных реле: с одной катушкой и с двумя. В случае двухкатушечных реле все просто, потому что одна из них используется для «включения», а другая для «выключения», то есть для переключения контактов в положения 1 и 2.

Бистабильные реле доступны как реле малой мощности, так и средней, для переключения устройств с питанием от сети с потреблением тока в несколько ампер. Практически каждая крупная компания занимающаяся производством реле, имеет их в своем предложении, поэтому выбор действительно велик.

Напоследок – защита при КЗ

Производители рекомендуют использовать специальные предохранители для твердотельных приборов:

  • gR – предохранители для всего диапазона рабочих токов, для защиты полупроводниковых элементов(более быстродействующие , чем gS)
  • gS – предохранители для всего диапазона рабочих токов, для защиты полупроводниковых элементов, при повышенной загрузке линии.
  • aR – предохранители для всего диапазона рабочих токов, для защиты полупроводниковых элементов от короткого замыкания.

Такие предохранители стоят дорого (сравнимы со стоимостью самого твердотельного реле), поэтому в большинстве случаев можно использовать защитные автоматы класса В. Чем же они хороши и как они спасут наши твердотельные реле от выгорания при КЗ?

Напомню, в 99% везде встречаются автоматы класса С. Класс D ставят в качестве вводных рубильников и при больших пусковых токах (мощные двигатели, трансформаторы). А класс В – самый чувствительный, срабатывает раньше всех.

Кстати, гуру электрики и электропроводки, cs-cs.net, предлагает дома ставить автоматы только В класса. И некоторые производители – рекомендуют ставить В класс на электроплиты, водонагреватели – туда, где нет двигателей и пусковых токов.

Почему – поясню на графике.

Кривые отключения

Кривые отключения или токо-временные характеристики

Подробно про выбор защитного автомата рассказано в другой статье.

Но мы вернёмся к нашему трехфазному твердотельному реле Fotek TSR-40AA-H на 40А, про которое я писал выше. Чтобы его гарантированно защитить от КЗ, надо обязательно поставить вот такой автомат:

Автомат В6

Автомат с характеристикой В6 (обведено красным)

Он мгновенно сработает при токе 20…30 Ампер и спасет твердотелку. А от перегруза надо будет поставить мотор-автомат на ток 4-6,3 А. И это всё будет питать двигатель на 2,2 кВт, лучше меньше. Либо ТЭН, тогда мотор-автомат не нужен.

Пишите в комментариях, у кого какой опыт по применению!

Полезные файлы, возможно, написано информативнее, чем у меня:

• Твердотельные реле Фотек / Твердотельные реле Фотек. Руководство пользователя. Рассмотрена вся линейка Fotek, даны рекомендации по применению и схемы включения., pdf, 757.78 kB, скачан: 3966 раз./
• Твердотельные реле – устройство и принцип работы / Подробно изложено, как устроены и работают твердотельные реле, приведены схемы включения, и т.п. Автор, отзовись!, pdf, 414.19 kB, скачан: 4458 раз./

Использование в электронике

Помимо защиты электроники от разрушительных последствий переключения катушки (имеется в виду импульс самоиндукции, возникающий при затухании тока в катушке), стоит защитить ее и от помех, создаваемых искрящими контактами. Особенно страдают микроконтроллеры, работающие рядом с реле, что может вызвать сбой программы. Наблюдения показывают, что это особенно верно для нагрузок с высокой индуктивностью, таких как электромагнитные клапаны 220 В переменного тока. Примером такой схемы защиты является последовательная RC-цепь. Это могут быть другие конфигурации, включая, например, переходной диод или, в цепях постоянного тока, быстродействующий полупроводниковый диод.

Выводы

  1. Электромагнитные реле не уйдут с рынка электронных компонентов ещё много лет, несмотря на прогресс и миниатюризацию деталей. Напротив, производители продолжают развивать и инвестировать в эту технологию, о чем свидетельствует спектр доступных реле на рынке.
  2. Бистабильные реле становятся все более популярными. Цена у них доступная, что побуждает к внедрению. Акцент на сокращении потребления электроэнергии электронными схемами, вероятно, подтолкнет проектировщиков внимательнее присмотреться к этой архитектуре, особенно там, где автономное питание.

Используйте реле по назначению, соблюдая естественно требование максимального коммутируемого тока, и они будут служить долго и безотказно.

Форум по обсуждению материала ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ РЕЛЕ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Противопомеховые фильтры – параметры, свойства, выбор подходящей схемы и радиоэлементов.

Тристабильный мультивибратор – схема трёхканального переключателя LED.

Как правильно выбрать резистор для LED, а также способы питания светодиодов.

Принципиальная схема усилителя наушников с микросхемой MAX4410 и искажениями всего 0,003%.

Оцените статью
Рейтинг автора
4,8
Материал подготовил
Егор Новиков
Наш эксперт
Написано статей
127
А как считаете Вы?
Напишите в комментариях, что вы думаете – согласны
ли со статьей или есть что добавить?
Добавить комментарий