При выборе твердотельного реле (ТТР) у покупателя возникает множество вопросов — стоит ли переплачивать за это устройство и в чем заключается его преимущество по сравнению с традиционными электромеханическими аналогами. Рассмотрим основные преимущества твердотельных реле:
Что такое твердотельное реле, назначение, принцип работы
В данной статье мы обсудим, что такое твердотельное реле, его использование, виды и отличия, конструкцию и принцип работы, а также различия с электромеханическими устройствами, схемы подключения и управления.
Автор: Анатолий Шамов. Просмотры: 10,8 тыс. Обновлено 19.10.2023
В области электротехники все больше распространение получают устройства, основанные на полупроводниковой технологии, которые обеспечивают бесконтактную коммутацию силовых цепей. Одним из таких устройств является твердотельное реле, активно используемое как в промышленности, так и в быту.
Что это такое? В каких ситуациях рекомендуется его использование? Какие конструктивные особенности следует учитывать? Каково осуществляется подключение и управление таким реле? В статье мы ответим на эти и другие важные вопросы.
Определение
Твердотельное реле — это электронное устройство, представляющее собой один из видов реле, в котором отсутствуют движущиеся механические элементы. Это устройство используется для подачи электрического тока или разрыва электрической цепи под воздействием внешнего управляющего сигнала, который представляет собой незначительное напряжение.
Твердотельное реле (сокращенно ТТР) имеет встроенный датчик, который реагирует на внешний управляющий сигнал. Внутри устройства также присутствует твердотельная электроника, в свою очередь включающая цепь, способную коммутировать большие токи.
Устройство может быть применено как в цепях переменного, так и в цепях постоянного тока, и часто выполняет функции обычного реле. Главное отличие состоит в том, что в твердотельном реле отсутствуют механические контакты, которые обычно используются в традиционных устройствах.
Отличие от электромагнитных реле
Помимо монолитной конструкции, твердотельные реле существенно отличаются от электромагнитных реле по принципу работы. Последние устройства имеют катушку и подвижную контактную группу.
Такая конструкция позволяет замыкать контакты за счет прохождения тока через катушку, которая притягивает якорь с контактной группой. В отличие от электромагнитных устройств, в конструкции твердотельного реле эти элементы отсутствуют. В зависимости от типа твердотельного реле и области его использования, замыкание контактных клемм происходит через полупроводниковые ключи.
Еще одним важным отличием твердотельных реле от их электромагнитных аналогов является отсутствие подвижных деталей. Это обстоятельство обеспечивает защищенность устройства от механического износа, что, в свою очередь, значительно продлевает срок службы твердотельного реле.
Применение
Модификация и схемы коммутаторов подбираются в зависимости от потребностей электрической сети, для которой они предназначены. Область применения ТТР очень обширна, и устройство может использоваться для:
- Управления электродвигателями;
- Регулирования температуры в нагревательных элементах;
- Контроля работы трансформаторов;
- Управления уровнем освещения;
- Контроля включения и выключения осветительных приборов;
- Автоматизации различных промышленных процессов;
- Настройки и управления датчиками движения;
- Встраивания в электронные системы автомобилей.
Дополнительно, благодаря своей технологии и уникальной схеме управления, твердотельные реле часто используются в качестве электронных ключей. Это особенно актуально для силовых и слаботочных установок, где мгновенное срабатывание устройства имеет критическое значение.
Также ТТР можно встретить в бытовой технике, включая холодильники, стиральные машины, обогреватели и электрочайники и др.
Твердотельные реле по типу переключения
С коммутацией перехода через ноль
Посмотрите внимательно на приведенную диаграмму.
Данный тип твердотельных реле на выходе коммутирует переменный ток. Как видно на графике, когда на вход подается постоянное напряжение, выходная коммутация происходит не сразу, а только в момент достижения переменного тока нуля. Выключение нагрузки происходит аналогичным образом.
Зачем это делается? Основная цель — уменьшение влияния помех на нагрузки и снижение импульсного броска тока, который может привести к повреждению нагрузки, особенно если она состоит из полупроводниковых радиоэлементов.
Схема подключения и внутреннее устройство такого ТТР представлены ниже:
Мгновенного включения
В этом случае принцип работы проще. Такое реле немедленно начинает коммутировать нагрузку при подаче управляющего напряжения. На диаграмме видно, что выходное напряжение появляется сразу после подачи управляющего сигнала на вход. Как только управляющее напряжение снимается, реле отключается, аналогично ТТР с контролем перехода через ноль.
Каков минус данного типа ТТР? При подаче на вход управляющего напряжения возможны скачки тока, что может создать электромагнитные помехи. Поэтому этот тип реле не рекомендуется к использованию в радиоэлектронных устройствах, где есть шины передачи данных, поскольку помехи могут серьезно нарушить передачу информационных сигналов.
Схема подключения и внутреннее устройство реле представляют собой следующее:
С фазовым управлением
В данном случае все также просто. Изменяя значение сопротивления, мы можем управлять мощностью нагрузки.
Примерная схема подключения представлена ниже:
Работа твердотельного реле
В качестве примера рассмотрим твердотельное реле компании FOTEK:
Давайте ознакомимся с его обозначениями. Вот небольшая таблица-подсказка для различных типов реле:
Давайте еще раз взглянем на наше ТТР:
SSR — это обозначение однофазного твердотельного реле.
40 — максимальная сила тока, на которую оно рассчитано, измеряемая в Амперах (в этом случае — 40 Ампер).
D — тип управляющего сигнала. Указывает на связь с постоянным током (от английского Direct Current). Управление производится с помощью постоянного тока в диапазоне от 3 до 32 Вольт. Этот диапазон подходит для наиболее требовательных разработчиков радиоэлектронной аппаратуры. На корпусе реле указаны контакты: на контакт №3 подается положительное, а на контакт №4 — отрицательное напряжение.
A — тип коммутируемого напряжения. Указывает на возможность работы с переменным током (от английского Alternative Current). Подключение осуществляется через выводы №1 и №2, что позволяет коммутировать диапазон напряжения от 24 до 380 Вольт переменного тока.
Во время эксперимента нам понадобится лампа накаливания на 220 Вольт и обычная вилка со шнуром. Подключаем лампу с шнуром, но только в одном месте:
Мы вставляем твердотельное реле в разрыв цепи.
Вкручиваем вилку в розетку и…
Нет, не работать… Какой-то элемент не хватает…
Не хватает управляющего напряжения! Подключаем от блока питания постоянное напряжение от 3 до 32 Вольт, в данном случае я выбрал 5 Вольт. Подаю на управляющие контакты и…
О чудо! Лампа загорается! Это означает, что контакт №1 замкнулся с контактом №2. О срабатывании реле также сообщит светодиод, встроенный в корпус реле.
Возникает вопрос: какая сила тока проходит через управляющие контакты реле? Итак, на блоке питания у нас 5 Вольт.
И сила тока составила 11,7 миллиампер! То есть мы можем управлять даже маломощными микроконтроллерами!
Конструкция, виды и классификация
Твердотельные реле можно классифицировать по различным техническим и электрическим параметрам: конструкция, способ монтажа, тип тока, принцип коммутации и другим. Давайте рассмотрим основные категории.
По способу монтажа ТТР могут быть: с креплением на стену с помощью шурупов, устанавливаемыми на динрейке в электрощите или крепящимися на печатной плате.
Твердотельное реле с креплением на печатной плате.
По виду тока они делятся на устройства для сети переменного тока (AC) и устройства для сети постоянного тока (DC).
В свою очередь, реле для переменного тока по типу коммутационного элемента делятся на тиристорные (симисторные) и транзисторные; реле постоянного тока, как правило, являются транзисторными. Коммутационный элемент выполняет функцию включения, отключения или переключения электрических цепей. В зависимости от типа развязки ТТР 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 классов твердотельных реле: по виду тока, типу коммутационных элементов и способу развязки
Тиристорные реле переменного тока с опторазвязкой являются наиболее распространенными и производятся большинством производителей. Оптическое реле оказалось более доступным и технологически продвинутым по сравнению с трансформаторным. Однако такие реле чаще всего используются для маломощных приложений. Если же требуется подключение более мощной нагрузки, предпочтительнее использовать трансформаторное реле.
По типу переключения подразделяются на реле с комиссией через ноль, мгновенное переключение и фазовое управление. Существуют однофазные (SSR) и трехфазные (TSR) реле.
Схемы подключения и принцип действия
Твердотельное реле имеет несколько важных электрических параметров: максимальный ток коммутации, допустимое напряжение, диапазон напряжения управления и тип напряжения. У различных моделей схемы подключения могут отличаться.
Подключение модуля реле осуществляется с использованием двух управляющих контактов. На выводы управления подается слабое постоянное напряжение. Важно соблюдать полярность (плюс и минус), что обычно указано на корпусе устройства. Выходные клеммы с пометкой ~ предназначены для подключения к нагрузке. При подаче напряжения на управляющие выводы нагрузка включается в сеть.
Подробно рассмотрим устройство твердотельного реле с оптической развязкой. На клеммы управления +/– подают низковольтное постоянное напряжение. В этом случае срабатывает транзистор VT1, к которому подключены светодиод оптической пары DA и индикаторный светодиод VD1. Активируется оптопара, которая подает питание на управляющий электрод симистора Т1, что приводит к коммутации нагрузки (Load).
Так выглядит схема реле с оптической развязкой:
В некоторых модификациях на входе может находиться выпрямитель (диодный мост), преобразующий переменный ток в постоянный. Принцип работы в этом случае остается тем же, как и в предыдущем варианте.
Схема с выпрямителем на входе и оптической развязкой:
Полупроводниковые элементы могут нагреваться при больших токах. При высоких нагрузках следует предусматривать отвод тепла от реле, чтобы предотвратить его повреждение. Для этого используются радиаторы охлаждения, которые закрепляются на корпусе устройства.
Радиатор, отвечающий за отвод тепла от реле и защищающий его от перегрева:
Примеры работы
Рассмотрим несколько практических примеров использования твердотельного реле.
Простой коммутатор
Работать с реле можно даже без использования микроконтроллера. Давайте соберем макет системы освещения, где небольшим тумблером мы сможем управлять бытовой лампой на 220 В.
Необходимые компоненты
- 1× Твердотельное реле SSR-1 D4810;
- 1× Переключатель;
- 4× Батарейка AA;
- 1× Батарейный отсек на 4×AA;
- 1× Патрон E27 с выходной вилкой 220 В;
- 1× Лампа на 220 В с цоколем E27.
Схема устройства
Результат работы
Происходит следующее: при переключении состояния тумблера → управляющее напряжение поступает на управляющие контакты реле → коммутируются выходные контакты реле → бытовая лампочка включается или выключается.
Пример работы с Arduino
Мы можем автоматизировать процесс управления — вместо ручного управления заставим реле переключать контакты по заданному алгоритму. В качестве контроллера будем использовать платформу Arduino Uno.
Необходимые компоненты
- 1× Твердотельное реле SSR-1 D4810;
- 1× Arduino Uno;
- 1× Кабель USB (A — B);
- 1× Соединительные провода (2.54 мм, папа-папа) (в количестве 65 шт.);
- 1× Патрон E27 с выходной вилкой 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 высокий уровень на реле
digitalWrite(PIN_RELAY, HIGH);
// Ждём 1000 мс
delay(1000);
// Снимаем высокий уровень с реле
digitalWrite(PIN_RELAY, LOW);
// Ждём 1000 мс
delay(1000);
}
Результат работы
После прошивки с Arduino бытовая лампочка будет менять своё состояние каждую секунду, в результате чего достигается автоматизированное управление освещением.
Элементы платы
Силовые контакты
Силовые контакты используются для подключения нагрузки по разрыв цепи.
| Контакт | Функция | Подключение |
|---|---|---|
| 1 | Клемма подключения нагрузки или силового питания. | Подключите к нагрузке или силовому питанию. |
| 2 | Клемма подключения нагрузки или силового питания. | Подключите к нагрузке или силовому питанию. |
Управляющие контакты
Управляющие контакты предназначены для подключения управляющего напряжения.
| Контакт | Функция | Подключение |
|---|---|---|
| 3 | Клемма подключения управляющего напряжения (+). | Подключите к положительному управляющему напряжению. |
| 4 | Клемма подключения управляющего напряжения (−). | Подключите к минусу управляющего напряжения или к земле. |
Индикаторный светодиод
Красный индикаторный светодиод показывает текущее состояние реле:
- Горит: на управляющих контактах присутствует напряжение → силовые контакты реле замкнуты.
- Не горит: на управляющих контактах отсутствует напряжение → силовые контакты реле разомкнуты.
