Твердотельное реле

Назначение твердотельных реле

Главной задачей, которую решают твёрдотельные реле, является коммутация электрических цепей. Реле могут коммутировать различные типы нагрузки:

• Индуктивная нагрузка – трансформаторы, сварочное оборудование и т.п. Для данного типа нагрузки рекомендуется использовать методы управления при переходе через ноль, фазовый и мгновенное переключение;
• Резистивная нагрузка – ТЭНы. Для данного типа нагрузки рекомендуется использовать фазовый метод управления, переключение при пересечении нуля и мгновенное переключение;
• Емкостная нагрузка – конденсаторные батареи и т.п. Для данного типа нагрузки рекомендуется использовать метод управления при переходе через ноль;

Преимущества использования твердотельных реле

Полупроводниковые реле имеют ряд преимуществ перед электромеханическими. Перечислим их:

• Небольшие габариты – займут в шкафу немного места;
• Нет шума и вибрации при работе – важно при установке реле в местах, где работают люди, например, операторские;
• Быстрое срабатывание реле;
• Долговечность и надежность – за счет отсутствия механических узлов;
• Контактная группа не окисляется и не изменяет своего сопротивления в течение срока эксплуатации;
• При переключении не происходит скачков напряжения;
• Нечувствительность к внешним магнитным полям, вибрации и пыли;
• Отличная изоляция между входом и выходом;
• Малое потребление электроэнергии;
• При коммутации не происходит искрения, что расширяет зону применения данных реле;
• Число коммутации за время эксплуатации реле может достигать 10⁹ раз.

Принцип работы твердотельного реле

Работа твердотельного реле заключается в коммутации электрической цепи. Такие реле имеют клеммы для управления и клеммы для коммутации управляемой цепи. При подаче необходимого напряжения или другого сигнала, необходимого для используемого реле, выходная цепь замкнется. 

В отличие от электромеханического реле, где все коммутационные операции происходят с помощью электромагнита и механических контактов, в твердотельном реле эти функции выполняют полупроводниковые элементы. Для реле переменного тока этими устройствами являются тиристоры или симисторы, а для постоянного тока транзистор.

Управление реле происходит с помощью специального элемента – оптрона. За счет его использования появляется гальваническая развязка. Управляющее напряжение питает светодиод, который начинает светиться. Его свечение приводит в действие фотодиод, ток которого включает полупроводниковый элемент (тиристор, транзистор и т.п.), который коммутирует нагрузку.

По типу переключения можно выделить следующие типы реле:

• С коммутацией перехода через ноль – при подаче напряжения на вход, коммутация происходит, когда значение синусоиды достигнет нуля: 

• Мгновенное включение – при появлении управляющего напряжения, коммутация произойдет мгновенно:

• Фазовое управление – меняя сопротивление, меняется мощность на нагрузке:

Возможности применения твердотельных реле

Так как цена твердотельного реле обычно выше, чем у электромеханического, то и применяют его в задачах, с которыми не справляется обычное реле. Например, это задачи, где требуется частая коммутация цепей с большим током. При использовании электромеханического реле его контакты от частой коммутации большого тока нагреваются и обугливаются, и устройство придётся менять.

Полупродниковые реле тока отлично подойдут для следующих задач:

• Схемы управления нагревательными элементами – где требуются частые коммутации для точного регулирования температуры;
• Как регуляторы мощности тока (например, серии SSR и SR с входным сигналом 4…20 мА);
• Управление электрическими двигателями, которые имеют частые и недолгие срабатывания, при этом необходимо обеспечить 6-10 кратный запас по току для реле и использовать радиатор охлаждения или вентилятор;
• Автоматизация производственных станков – исполнительные устройства на различных станках могут срабатывать по 10-20 тысяч раз, следовательно, их необходимо коммутировать;
• Использование в датчиках движения, освещения.

Возможные недостатки

Для правильной эксплуатации твердотельных реле следует знать возможные недостатки, которые могут проявляться во время работы:

• При работе может происходить нагрев устройства – это возникает при коммутации высоких токов, для этого все реле оснащаются радиаторами охлаждения;
• В закрытом виде имеется ток утечки;
• При работе с реле постоянного тока требуется соблюдать полярность;
• При пробое силового ключа возможно перекрытие контактов на входе;
• Для ограничения скорости нарастания напряжения необходимо устанавливать RC-цепочку (в случае её отсутствия), для цепей переменного тока – варистор, для цепей постоянного тока – TVS-диод;
• Реле необходимо защищать от токовой перегрузки со стороны нагрузки. Для этого используются специальные быстродействующие плавкие предохранители.