Твердотельное реле: виды, принцип работы и схема подключения

Твердотельное реле (ТТР в русской транскрипции и SSR в анг.) – электронное устройство, используемое для коммутации электросетей, то есть для их соединения через транзитные узлы без применения движущихся механических частей. Отличие ТТР от электромеханических реле заключается в отсутствии в конструкции реле движущихся деталей за счет использования таких полупроводниковых элементов, как транзисторы, тиристоры и симисторы. Такая конструкция увеличивает скорость срабатывания реле (в сравнении с реакцией электромеханических реле), обеспечивая их долговечность и популярность. Область использования ТТР не ограничивается бытовой электроникой. Они используются для автоматизации промышленных процессов в разных областях производства благодаря быстроте коммутации и надежности.

Принцип действия твердотельных реле

Работа твердотельного реле основана на гальванической развязке цепей (управляющей и коммутируемой) без электрического контакта, для чего зачастую используется оптопара (оптрон), передающая сигнал с помощью светового луча. В конструкции реле отсутствуют механические контакты. Вместо них используются полупроводниковые элементы. Находящиеся в реле в одном корпусе светодиод и фотоприемник разделены оптическим каналом. Входной сигнал в виде управляющего напряжения передается оптроном на выходную цепь (на тиристор, транзистор или симистор), защищая от помех, обеспечивая срабатывание реле (замыкание или размыкание) и его безопасное функционирование при работе с высоким напряжением. Отличие работы ТТР от электромеханического реле в том, что в процессе коммутации не возникает щелчков и искр.

Порядок работы ТТР:

• подача управляющего напряжения на вход реле (на светодиод в оптроне);
• оптическая (гальваническая) развязка, когда излучаемый светодиодом свет попадает на фотодиод или фототранзистор;
• фотоприемник (фотодиод или фототранзистор) через схему управления подает сигнал на включение симистора или транзистора;
• активация замыкает цепь нагрузки;
• при исчезновении управляющего сигнала гаснет светодиод, отключая фоточувствительный элемент, размыкая цепь и отключая нагрузку.

Классификация твердотельных реле

ТТР классифицируются по следующим параметрам:

По типу напряжения

• реле постоянного тока (DC);
• реле переменного тока (AС).

По числу фаз:

• однофазные;
• трехфазные.

По типу управления:

• с ручным управлением;
• с автоматическим управлением.

По числу каналов:

• одноканальные;
• многоканальные.

По типу переключателей:

• симисторные;
• МОП-транзисторные;
• IGBT-транзисторные;
• тиристорные.

По скорости переключения:

• с мгновенным переключением (Random Turn-On);
• с переключением «в ноль» (Zero Crossing), то есть в момент перехода переменного напряжения через нулевое значение, снижая электромагнитные помехи;
• с фазовым управлением (Phase Control), позволяющим плавно регулировать мощность нагрузки.

По способу гальванической развязки:

• оптические;
• трансформаторные.

По типу нагрузки, для которой предназначено реле:

• емкостная;
• индуктивная;
• резистивная.

По типу монтажа:

• под винтовое крепление;
• на DIN-рейку;
• на печатную плату (PCB);
• на кронштейн;
• в модульном исполнении.

Подключение ТТР – схема и рекомендации

Схемы, используемые для подключения ТТР:

• нормально-разомкнутая (НО/NO) – цепь нагрузки разомкнута при отсутствии управляющего сигнала и замыкается при его подаче;
• нормально-замкнутая (НЗ/NC) – цепь нагрузки замкнута при отсутствии управляющего сигнала и размыкается при его подаче;
• трехфазная – с использованием соединений типа «звезда», «треугольник» или «звезда с нейтралью»;
• реверсивная, позволяющая в трехфазных реле переключать уровни управления.

Рекомендации по подключению ТТР:

• учитывать, что реле может быть для постоянного (переменного) тока или с ручным управлением;
• познакомиться с обозначением клемм, к примеру, в однофазных реле – входные клеммы управления (обычно обозначаются как Input, +, -) и выходные силовые клеммы (обозначаются как Output, Load, ~), в трехфазных реле – входные (L1, L2, L3 и N – нейтраль), выходные (Load1, Load2, Load3);
• обязательно сверяться со схемой подключения, указанной на реле и в документации;
• напряжение управления должно соответствовать характеристикам реле;
• учитывать полярность при подключении постоянного тока;
• учитывать предельное значение пускового тока и величину минимальной нагрузки;
• уточнить необходимость использования радиатора охлаждения.

Преимущества и недостатки ТТР

Преимущества:

• Быстродействие – время срабатывания 5-15 миллисекунд.
• Меньшая чувствительность к механическому воздействию (ударным нагрузкам и вибрации).
• Низкий уровень электромагнитных помех.
• Отсутствие механических контактов обеспечивает надежность и продолжительный срок службы (до 10 млн. циклов срабатывания), избавляя от дребезга контактов, искрения и преждевременного износа, свойственных электромагнитным реле.
• Большой диапазон рабочих напряжений и токов.
• Возможность установки и использования в агрессивных средах.
• Бесшумная работа.
• Малые габариты.

Недостатки:

• Несколько дороже электромагнитных реле.
• Более чувствительны к воздействию перегрузок по напряжению и силе тока.
• Выделение тепла при работе требует обязательного использования теплоотвода (радиатора) для реле, работающих на средних и высоких токах;
• Возможность некоторой потери мощности при коммутации.

Советы по выбору твердотельного реле

Купить твердотельное реле по минимально возможной стоимости можно лишь в том случае, если выбирать его, учитывая, кроме цены, следующие факторы:

• требуемый ток (постоянный или переменный) нагрузки;
• тип нагрузки (индуктивная или активная);
• запас по току (для активной нагрузки до 30 или 40%, для индуктивной – в 6-10 раз большей);
• параметры напряжения;
• тип управления;
• тип коммуникации;
• удобство монтажа;
• наличие дополнительных функций, например, защиты от перенапряжения;
• при токах нагрузки ниже 5А охлаждение может не требоваться, при бо́льших значениях нагрузки – необходим подбор радиатора (с учетом рекомендаций производителя), его приобретение и установка.

Не лишним будет при покупке реле уточнить репутацию надежности производителя.

Окупаемость затрат на приобретение и установку твердотельных реле

Следующие отрасли отечественной экономики нуждаются в использовании твердотельных реле:

• промышленные автоматические линии для управления электродвигателями или системами регулирования температуры;
• управление электрическими печами, промышленными нагревателями,
• управление системами HVAC;
• системы управления энергией (для защиты от короткого замыкания, сетевые фильтры, источники бесперебойного питания);
• автомобильная электроника (в системах управления высоковольтными блоками питания);
• бытовая техника (стиральные машины, холодильники, чайники, водонагреватели);
• медицинское оборудование.

Твердотельные реле считаются надежной альтернативой электромеханическим реле там, где требуется быстродействие, надежность и продолжительный срок службы. По этой причине стоимость покупки и установки твердотельных реле являются вполне оправданными затратами, которые обязательно окупаются в процессе использования ТТР.