Роль твердотельных реле в современных системах автоматики и управления переоценить трудно. В последние годы в различных областях техники: автомобильной электронике, системах связи, бытовой электронике и промышленной автоматике происходит интенсивная замена обычных электромагнитных реле и пускателей на их электронные твердотельные аналоги.

 

Что нужно знать о твердотельных реле? Где применяется и как устроено твердотельное реле?

 

 

ВЫСОКАЯ НАДЕЖНОСТЬ, обусловленная отсут- ствием механических контактов, подтверждается высокой наработкой на отказ;

НЕИЗМЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ в течение всего срока службы;

ОТСУТСТВИЕ ДРЕБЕЗГА КОНТАКТОВ, искр и элек- трической дуги при коммутации, что значительно снижает внутрисхемный уровень помех в аппара- туре и обеспечивает стабильность её работы;

ОТЛИЧНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ изоляционных свойств между управляющими и силовыми цепями (до 4 кВ), высокое сопротивление изоляции корпуса;

НИЗКОЕ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕ: твердотельные реле потребляют электроэнергии значительно меньше, чем электромагнитные реле и контакторы;

ОТСУТСТВИЕ акустического шума;

ВЫСОКОЕ БЫСТРОДЕЙСТВИЕ;
МАЛЫЕ ГАБАРИТЫ и вес.

 

Твердотельное реле (ТТР)

 

 – это класс модульных полупроводниковых приборов, выполненных по гибридной технологии, содержащих в своем составе мощные силовые ключи на симисторных, тиристорных либо транзисторных структурах. Они с успехом используются для замены традиционных электромагнитных реле и контакторов.

По типу нагрузки твердотельные реле (ТТР) делятся на однофазные и трехфазные. Широкий диапазон коммутируемого напряжения – 40…440 В позволяет использовать твердотельные реле для управления нагрузками в различных областях промышленности.

По типу управления твердотельные реле (ТТР) делятся на 3 группы:

- управление напряжением постоянного тока (3…32 В);
-управление напряжением переменного тока (90…250 В);
- ручное управление выходным напряжением с помощью переменного резистора (470-560 кОм, 0,25-0,5 Вт).
Различные варианты управляющих сигналов позволяют применять твердотельные реле в качестве коммутационных элементов в разнотипных системах автоматического управления.

По способу коммутации твердотельные реле (ТТР) можно разделить на:

Твердотельные реле с контролем перехода через ноль применяются для коммутации резистивных (электрические нагревательные элементы, лампы накаливания), емкостных (помехоподавляющие сглаживающие фильтры, имеющие в своем составе конденсаторы) и слабоиндуктивных (катушки соленоидов, клапанов) нагрузок. При подаче управляющего сигнала, напряжение на выходе такого реле появляется в момент первого пересечения линейным напряжением нулевого уровня. Это позволяет уменьшить начальный бросок тока, снизить уровень создаваемых электромагнитных помех и, как следствие, увеличить срок службы коммутируемых нагрузок. Недостатком реле данного типа является невозможность коммутации высокоиндуктивной нагрузки, когда cos φ<0,5 (трансформаторы на холостом ходу).

 

 Диаграмма срабатывания ТТР с контролем перехода через ноль.

 

Твердотельные реле мгновенного (случайного) включения

 

применяются для коммутации резистивных (электрические нагревательные элементы, лампы накаливания) и индуктивных (маломощные двигатели, трансформаторы) нагрузок при необходимости мгновенного срабатывания. Напряжение на выходе реле данного типа появляется одновременно с подачей управляющего сигнала (время задержки включения не более 1 миллисекунды), а значит включение реле возможно на любом участке синусоидального напряжения. Однако реле данного типа имеют существенный недостаток – возникновение импульсных помех и начальных бросков тока при коммутации. После включения такое реле функционирует как обычное реле с контролем перехода через ноль.

Диаграмма срабатывания ТТР мгновенного включения.

 

 

позволяют изменять величину выходного напряжения на нагрузке и управлять нагревательными элементами (регулирование мощности), лампами накаливания (регулирование уровня освещенности).

 

Диаграмма срабатывания ТТР с фазовым управлением.

 

Типы модификаций твердотельных реле KIPPRIBOR

Модификация ZD3 (MDххххZD3, HDххххZD3, HDHххххZD3, BHDхххххZD3, HTххххZD3) применяется в случае необходимости управления твердотельным реле с помощью напряжения постоянного тока 3…32 В.
Модификация ZA2 (HDххххZA2, HTххххZA2) применяется в случае необходимости управления твердотельным реле с помощью напряжения переменного тока 90…250 В.
Модификация DD3 (HD1025DD3, HD2525DD3, HD4025DD3) разработана для широкого применения в электрических схемах подключения подвижного оборудования с аккумуляторным питанием.
Модификация VA (HD1044VA, HD2544VA, HD4044VA) - это реле с возможностью ручного регулирования напряжения нагрузки при помощи управляющего переменного резистора.

 

 

Типы выходов твердотельных реле KIPPRIBOR

Твердотельное реле KIPPRIBOR в зависимости от модификации могут иметь в качестве выходного ключа один из четырех силовых элементов:
симисторный выход (TRIAC) – применяется в реле серий MD, HD, HT всех модификаций с током до 60А (кроме DD3);
транзисторный выход (Transistor) – применяется в реле серии HD модификации DD3;
двойной SCR-выход (SCR) – применяется в реле серий HDH и BDH всех модификаций;
тиристорный выход (Thyristor) – применяется в реле серий HD и HT всех модификаций c током свыше 60 А.

Симисторные выходные элементы используются в твердотельных реле на номинальные токи до 40 А включительно. Это обусловлено тем, что при двустороннем протекании большего тока, эффективного отвода тепла от кристалла симистора добиться невозможно. Симисторный выход имеют реле серий: MD, HD и HT с номинальными токами до 40 А. В качестве выходных элементов твердотельных реле на токи от 60 А используются только тиристоры, раздельно установленные на охлаждающей подложке. Это дает возможность обеспечить необходимый отвод тепла.

 

Твердотельные реле серий HDH и BDH, рассчитанные на длительную коммутацию номинальных токов и работу с индуктивной нагрузкой, изготовлены на базе тиристорных SCR-выходов. SCR-выход представляет собой два разнесенных монокристалла, наращенных непосредственно на охлаждающей подложке. Это позволяет добиться еще более эффективного отвода тепла и, следовательно, повысить эксплуатационные характеристики устройства.

Рекомендации по выбору твердотельных реле

Нагрев реле при коммутации нагрузки обусловлен электрическими потерями на силовых полупроводниковых элементах. Но увеличение температуры накладывает ограничение на величину коммутируемого тока. Чем выше температура реле, тем меньший ток оно способно коммутировать. Достижение температуры в 40 0С не вызывает ухудшения рабочих параметров устройства. При нагреве реле выше 60 0С допускаемая величина коммутируемого тока сильно снижается. Нагрузка в этом случае может отключаться не полностью, а реле перейти в неуправляемый режим работы и выйти из строя.
Следовательно, при длительной работе реле в номинальных, и особенно, «тяжелых» режимах (при длительной коммутации токов свыше 5 А) требуется применение радиаторов или воздушного охлаждения для рассеивания тепла. При повышенных нагрузках, например, в случае нагрузки «индуктивного» характера (соленоиды, электромагниты и т.п.), рекомендуется выбирать реле с большим запасом по току - в 2-4 раза, а в случае применения твердотельных реле для управления асинхронным электродвигателем необходим 6-10 кратный запас по току.

 

При работе с большинством типов нагрузок включение реле сопровождается скачком тока различной длительности и амплитуды, величину которого необходимо учитывать при выборе реле.

 

Для более широкого класса нагрузок можно отметить следующие величины пусковых перегрузок:

- чисто активные (нагреватели) нагрузки дают минимально возможные скачки тока, которые практически устраняются при использовании реле с переключением в «0»;
- лампы накаливания, галогенные лампы при включении пропускают ток в 7…12 раз больше номинального;
- флуоресцентные лампы в течение первых секунд (до 10 с) дают кратковременные скачки тока, в 5…10 раз превышающие номинальный ток;
- ртутные лампы дают тройную перегрузку по току в течение первых 3-5 мин.;
- обмотки электромагнитных реле переменного тока: ток в 3…10 раз больше номинального в течение 1-2 периодов;
- обмотки соленоидов: ток в 10…20 раз больше номинального в течение 0,05 - 0,1 с;
- электродвигатели: ток в 5…10 раз больше номинального в течение 0,2 - 0,5 с;
- высокоиндуктивные нагрузки с насыщающимися сердечниками (трансформаторы на холостом ходу) при включении в фазе нуля напряжения: ток в 20…40 раз больше номинального в течение 0,05 - 0,2 с;
- емкостные нагрузки при включении в фазе, близкой к 90°: ток в 20…40 раз больше номинального в течение времени от десятков микросекунд до десятков миллисекунд.

 

Способность реле выдерживать токовые перегрузки характеризуются величиной «ударного тока». Это - амплитуда одиночного импульса заданной длительности (обычно 10 мс). Для реле постоянного тока эта величина обычно в 2 – 3 раза превосходит значение максимально допустимого постоянного тока, для тиристорных реле это соотношение около 10.

Для токовых перегрузок произвольной длительности можно исходить из эмпирической зависимости: увеличение длительности перегрузки на порядок ведет к уменьшению допустимой амплитуды тока.

Выбор номинального тока реле для конкретной нагрузки должен заключаться в соотношении между запасом по номинальному току реле и введением дополнительных мер по уменьшению пусковых токов (токоограничивающие резисторы, реакторы и т.д.).

 

Для повышения устойчивости реле к импульсным помехам параллельно коммутирующим контактам ТТР имеется внешняя цепь, состоящая из последовательно включенных резистора и емкости (RC-цепь). Для более полной защиты от источника перегрузки по напряжению со стороны нагрузки необходимо включить защитные варисторы параллельно каждой фазе твердотельного реле.

 

При коммутации индуктивной нагрузки использование защитных варисторов обязательно. Выбор необходимого наминала варистора зависит от величины напряжения питающего нагрузку, и осуществляется исходя из условия:
Uваристора = (1,6…1,9)хUнагрузки

 

Тип используемого варистора определяется на основе конкретных характеристик работы реле. Наиболее распространенными сериями отечественных варисторов являются: СН2-1, СН2-2, ВР-1, ВР-2.

Твердотельное реле обеспечивает надежную гальваническую изоляцию входных и выходных электрических цепей друг от друга, а также токоведущих цепей от элементов конструкции прибора, поэтому применение дополнительных мер изоляции цепей не требуется.