Твердотельное реле (ТТР) или в буржуйском варианте Solid State Relay (SSR) – это особый вид реле, которые выполняют те же самые функции, что и электромагнитное реле, но имеет другую начинку, состоящую из полупроводниковых радиоэлементов, которые имеют своем составе силовые ключи на тиристорах, симисторах или мощных транзисторах.

Виды твердотельных реле

Выглядеть ТТР могут по-разному. Ниже на фото слаботочные реле

Такие релe используются в печатных платах и предназначены для коммутации (переключения) малого тока и напряжения.

На ТТР строят также сразу готовые модули входов-выходов, которые используются в промышленной автоматике

А вот так выглядят реле, используемые в силовой электронике, то есть в электронике, которая коммутирует большую силу тока. Такие реле используется в промышленности в блоках управления станков ЧПУ и других промышленных установках

Слева однофазное реле, справа трехфазное.

Если через коммутируемые контакты силовых реле будет проходить приличный ток, то корпус реле будет очень сильно греться. Поэтому, чтобы реле не перегревались и не выходили из строя, их ставят на радиаторы, которые рассеивают тепло в окружающее пространство.

Твердотельные реле по типу управления

ТТР могут управляться с помощью:

1) Постоянного тока. Его диапазон составляет от 3 и до 32 Вольт.

2) Переменного тока. Диапазон переменного тока составляет от 90 и до 250 Вольт. То есть такими реле можно спокойно управлять с помощью сетевого напряжения 220 В.

3) С помощью переменного резистора. Значение переменного резистора может быть в диапазоне от 400 и до 600 Килоом.

Твердотельные реле по типу переключения

С коммутацией перехода через ноль

Посмотрите внимательно на диаграмму

Такие ТТР на выходе коммутируют переменный ток. Как вы здесь можете заметить, когда мы подаем на вход такого реле постоянное напряжение, у нас коммутация на выходе происходит не сразу, а только тогда, когда переменный ток достигнет нуля. Выключение происходит подобным образом.

Для чего это делается? Для того, чтобы уменьшить влияние помех на нагрузках и уменьшить импульсный бросок тока, который может привести к выходу нагрузки из строя, если тем более нагрузкой будет являться схема на полупроводниковых радиоэлементах.

Схема подключения и внутреннее строение такого ТТР выглядит примерно вот так:

управление постоянным током управление переменным током

Мгновенного включения

Здесь все намного проще. Такое реле сразу начинает коммутировать нагрузку при появлении на нем управляющего напряжения. На диаграмме видно, что выходное напряжение появилось сразу, как только мы подали управляющее напряжение на вход. Когда мы уже снимаем управляющее напряжение, реле выключается также, как и ТТР с контролем перехода через ноль.

В чем минус данного ТТР? При подаче на вход управляющего напряжения, у нас на выходе могут возникнуть броски тока, а в следствии и электромагнитные помехи. Поэтому, данный тип реле не рекомендуется использовать в радиоэлектронных устройствах, где есть шины передачи данных, так как в этом случае помехи могут существенно помешать передаче информационных сигналов.

Внутреннее строение ТТР и схема подключения нагрузки выглядят примерно вот так:

С фазовым управлением

Здесь все намного проще. Меняя значение сопротивления, мы тем самым меняем мощность на нагрузке.

Примерная схема подключения выглядит вот так:

Работа твердотельного реле

В гостях у нас ТТР фирмы FOTEK:

Давайте разберемся с его обозначениями. Вот небольшая табличка-подсказка для этих типов реле

Давайте еще раз взглянем на наше ТТР

SSR – это значит однофазное твердотельное реле.

40 – это на какую максимальную силу тока она рассчитана. Измеряется в Амперах и в данном случае составляет 40 Ампер.

D – тип управляющего сигнала. От значения Direct Current – что с буржуйского – постоянный ток. Управление ведется постоянным током от 3 и до 32 Вольт. Этого диапазона хватит самому заядлому разработчику радиоэлектронной аппаратуры. Для особо непонятливых даже написано Input, показан диапазон и фазировка напряжения. Как вы видите, на контакт №3 мы подаем “плюс”, а на №4 мы подаем “минус”.

А – тип коммутируемого напряжения. Alternative current – переменный ток. Цепляемся в этом случае к выводам №1 и №2. Можем коммутировать диапазон от 24 и до 380 Вольт переменного напряжения.

Для опыта нам понадобится лампа накаливания на 220 Вольт и простая вилка со шнуром. Соединяем лампу со шнуром только в одном месте:

В разрыв вставляем наше твердотельное реле

Втыкаем вилку в розетку и…

Нет… не хочет… Чего-то не хватает…

Не хватает управляющего напряжения! Выводим напряжение от Блока питания от 3 и до 32 Вольт постоянного напряжения. В данном случае я взял 5 Вольт. Подаю на управляющие контакты и…

О чудо! Лампочка загорелась! Это значит, что контакт №1 замкнулся с контактом №2. О срабатывании реле нам также говорит и светодиод на корпусе самого реле.

Интересно, какую силу тока потребляют управляющие контакты реле? Итак, имеем на блоке 5 Вольт.

А сила тока получилась 11,7 миллиампер! Можно управлять хоть микроконтроллером!

Плюсы и минусы твердотельного реле

Плюсы

  • включение и выключение цепей без электромагнитных помех
  • высокое быстродействие
  • отсутствие шума и дребезга контактов
  • продолжительный период работы (свыше МИЛЛИАРДА срабатываний)
  • возможность работы во взрывоопасной среде, так как нет дугового разряда
  • низкое энергопотребление (на 95% (!) меньше, чем у обычных реле)
  • надёжная изоляция между входными и коммутируемыми цепями
  • компактная герметичная конструкция, стойкая к вибрации и ударным нагрузкам
  • небольшие размеры и хорошая теплоотдача (если конечно использовать термопасту и хороший радиатор)

Минусы:

  • дороговизна

Схема для подключения реле

Все полупроводниковые устройства такого рода поделены на участки, среди которых: входная часть, оптическая развязка, триггер, а также цепи переключения и защиты. На входе присутствует отдельная первичная цепь, куда последовательным способом включено сопротивление. Главная задача входного участка – принимать импульсы, передавая их в дальнейшем на участок коммутации.

На схемах и фото твердотельного реле видно, что две цепи имеют между собой изоляционный слой. Его роль выполняет оптическая развязка. От типа и особенностей развязки зависят общие конечные характеристики прибора и особенности его работы.

Чтобы понимать, как правильно подключить твердотельные реле, необходимо подробнее разобраться в его конструкции. Так, сигнал на входе обрабатывается при помощи триггерной цепи. Цепь представляет собой индивидуальную деталь конструкции и активно задействуется в переключении выхода. Она, в зависимости от структуры прибора, может также входить в состав вышеупомянутой развязки.

Регулирование напряжения нагрузки происходит на участке, где расположены транзистор, симистор и диод из кремния.

Дополнительно должна быть установлена защитная система, предохраняющая узел от возможных проблем в работе. Цепь защиты может быть внутренней, либо внешней.

Особенности эксплуатации

Как понятно из принципа работы, твердотельное реле актуальнее всего использовать в случаях, когда за малый период времени необходимо большое количество раз подать и снять нагрузку. Электромеханические приборы с такой задачей справляются плохо, быстро теряют свои свойства и просто-напросто ломаются. В них регулярно нужно очищать контакты, и даже, если вы будете это делать, риск выгорания или залипания контакта всё равно огромен.

Твердотельные приборы, в свою очередь, обеспечивают высокую надёжность, а также тихую и бесперебойную работу. Кроме того, они обладают компактными размерами. Но при этом имеют заметно большую стоимость, чем электромеханические узлы. Поэтому, если имеет место фактор экономии, полупроводники не всегда являются оптимальным вариантом.

    В целом, устройство активно используется для создания промышленных машин, в горной, металлургической, химической и медицинской сферах. С его помощью также создают изделия для обороны и реализуют процессы телеметрии.

    Для правильной эксплуатации прибора, а также, если вы хотите знать, как проверить твердотельное реле, стоит запомнить следующие тезисы:

    • Соединение в устройствах производится винтовым методом. Пайка для данной цели не используется.
    • Дабы не нарушить целостность корпуса и не допустить выхода прибора из строя, оградите его попадания пыли, частиц металла и любых механических воздействий извне.
    • Держите реле как можно дальше от легко возгораемых предметов. Не трогайте устройство в активной фазе его работы, существует риск получения ожога.
    • Прежде чем включить прибор, проверьте, верно ли реализована коммутация.
    • Если температура корпуса достигла отметки свыше 60°C, поместите прибор на охлаждающий радиатор.
    • Ни в коем случае не допускайте короткого замыкания на участке выхода. Это приведёт к мгновенной поломке устройства.

    Фото твердотельного реле

    Преимущества и области применения

    Сравнивая твердотельные реле с электромеханическими, следует отметить такие достоинства первых, как:

    • малые габариты;
    • экономия электроэнергии;
    • отсутствие необходимости дополнительного техобслуживания;
    • высокая скорость переключения;
    • длительный срок эксплуатации;
    • бесшумность;
    • возможность применения в различных приборах;
    • производительность;
    • отсутствие искры и скачка напряжения;
    • низкая чувствительность к неблагоприятным условиям.

    Твердотельные реле нашли широкое применение. Они используются в тех случаях, когда требуется коммутировать индуктивную нагрузку. Как правило, это устройство служит для:

    • сохранения постоянной температуры в технологическом процессе;
    • коммутации цепи управления;
    • контроля нагрева трансформаторов и других приборов;
    • регулировки степени освещения;
    • управления электродвигателями.

    Также ТТР применяется в системах, производящих регулирование температуры с помощью ТЭНа, а также при замене пускателей реверсного бесконтактного типа.

    Что это такое

    Конструкция оптрона подразумевает наличие специального светового излучателя (в современных устройствах для этого применяются световые диоды, прежние модели оснащались малогабаритными лампами накаливания) и устройства, отвечающего за преобразование полученного оптического сигнала (фотоприёмника). Обе эти составляющие объединяются при помощи оптического канала и общего корпуса.

    Существует несколько характеристик, в соответствии с которыми можно разделить модели оптопар на несколько групп. В зависимости от степени интеграции:

    • элементарный оптрон – включает в себя 2 и более элемента объединённых общим корпусом;
    • оптронная интегральная схема – конструкция состоит из одной и более оптопар и, помимо этого, ещё может быть оснащена дополняющими элементами (например, усилителем).

    В зависимости от разновидности оптического канала:

    • Оптический канал открытого типа;
    • Оптический канал закрытого типа.

    В зависимости от типа фотоприёмника:

    • Фоторезисторные (или просто резисторные оптопары);
    • Фотодиодные оптопары;
    • Фототранзисторные (используется обычный или составной биполярный фототранзистор) оптопары;
    • Фототиристорные, либо фотосимисторные оптопары;
    • Оптопары функционирующие с помощью фотогальванического генератора;
    • Солнечная батарейка.

    Оптопарой (иначе – оптроном) называют электронные прибора предназначенные для преобразования электрических сигналов в световые, их передачи через оптические каналы и повторного преобразования сигнала вновь в электрический.

    Конструкция устройств последнего вида зачастую дополняются полевыми транзисторами, за управление затвором которого отвечает тот же генератор. Фотосимисторные оптроны или те, которые оснащены полевыми транзисторами, могут называться «оптореле», либо «твердотельное реле».

    Схема подключения открытой оптопары.

    Описание устройства

    Излучатель – бескорпусный светодиод, – как правило, помещают в верхней части металлического корпуса, а в нижней – на кристаллодержателе – укрепляют кристалл кремниевого фотоприемника, например фототиристора. Все пространство между светодиодом и фототиристором заливают твердеющей прозрачной массой. Эту заливку покрывают отражающим внутрь световые лучи слоем, который препятствует рассеянию света за пределы рабочей зоны. Мало отличается от описанной конструкция резисторного оптрона.

    Здесь в верхней части металлического корпуса укреплена сверхминиатюрная лампа накаливания, а в нижней – фоторезистор на основе селенистого кадмия. Фоторезистор изготавливают отдельно, на тонкой подложке из ситалла. На нее напыляют пленку из полупроводникового материала – селенида кадмия, а затем – формообразующие электроды из токопроводящего материала (например алюминия). К электродам приваривают выходные выводы. Жесткое соединение лампы и подложки между собой обеспечивается затвердевшей прозрачной массой. Отверстия в корпусе для выводов оптрона залиты стеклом. Герметичное соединение крышки и основания корпуса обеспечено сваркой.

    Вольт-амперная характеристика (ВАХ) тиристорного оптрона примерно такая же, что и у одиночного тиристора. При отсутствии входного тока (I=0 – темновая характеристика) фототиристор может включиться только при очень высоком значении приложенного к нему прямого напряжения (800…1000 В). Так как практически приложение столь большого напряжения недопустимо, то эта кривая имеет чисто теоретический смысл.

    Это интересно! Все о полупроводниковых диодах.

    Если приложить к фототиристору прямое рабочее напряжение (от 50 до 400 В, в зависимости от типа оптрона), включение прибора возможно только при подаче входного тока, который теперь является управляющим. Скорость включения оптрона зависит от значения входного тока. Типичные значения времени включения t=5…10 мкс. Время выключения оптрона связано с процессом рассасывания неосновных носителей тока в переходах фототиристора и зависит только от значения протекающего выходного тока. Реальное значение времени выключения находится в пределах 10…50 мкс.

    Максимальный и рабочий выходной ток фоторезисторного оптрона резко уменьшается при увеличении температуры окружающей среды выше 40 градусов по цельсия. Выходное сопротивление этого оптрона до значения входного тока 4 мА остается постоянным, а при дальнейшем увеличении входного тока (когда яркость свечения лампы накаливания начинает возрастать) резко уменьшается. Кроме описанных выше, существуют оптроны с так называемым открытым оптическим каналом. Здесь осветителем служит светодиод инфракрасного излучения, а фотоприемником могут быть фоторезистор, фотодиод или фототранзистор.

    Отличие этого оптрона в том, что его излучение выходит наружу, отражается от какого-либо внешнего предмета и возвращается в оптрон, к фотоприемнику. В таком оптроне выходным током может управлять не только входной ток, но также изменение положения внешней отражающей поверхности. У оптронов с открытым оптическим каналом оптические оси излучателя и приемника расположены либо параллельно, либо под небольшим углом. Существует конструкции подобных оптронов с соосным расположением оптических осей. Такие приборы называют оптопрерывателями.

    Оптрон или оптопара.

    Параметры и особенности работы устройства

    Опираясь на точную конструкцию прибора, можно определить его электрическую прочность. Под этим термином понимается значение напряжения, возникающего между цепями входа и выхода.Так, производители оптопар, обеспечивающих гальваническую изоляцию, демонстрируют целый ряд моделей с различными корпусами:

    1. DIP; 2. SOP; 3. SSOP; 4. Miniflat-lead.

    В зависимости от типа корпуса у оптопары формируется то или иное напряжение изоляции. Чтобы создать условия, в которых уровень напряжения достаточный для пробоя изоляции был достаточно велик, следует сконструировать оптопару таким образом, чтобы следующие детали были расположены достаточно далеко друг от друга:

    • Световой диод и оптический регистратор;
    • Внутренняя и внешняя сторона корпуса.

    В отдельных случаях можно обнаружить оптопары специализированной группы, изготавливаемые в соответствии с международным стандартом безопасности. Уровень электрической прочности у этих моделей на порядок выше. Другой значимый параметр транзисторной оптопары носит название «коэффициента передачи тока». Согласно значению этого коэффициента устройство относят к той или иной категории, что и отображается в названии модели.

    Относительно уровня нижней рабочей частоты оптронов никаких ограничений нет: они хорошо функционируют в цепи с постоянным током. А верхняя граница рабочей частоты этих приборов, задействованных в передаче сигналов цифрового происхождения, исчисляется в сотнях мегагерц. Для оптронов линейного типа этот показатель ограничивается десятками мегагерц. Для самых медленных конструкций, включающих в себя лампу накаливания, наиболее характерна роль низкочастотных фильтров, работающих на частотах, не достигающих 10 Герц

    Существует две основные причины тому, что работа транзисторной пары сопровождается шумовыми эффектами:

    • Проходная ёмкость между световым диодом и транзисторной базой;
    • Паразитная ёмкость между коллектором и фототранзисторной базой.

    Чтобы побороть первую причину, понадобится вмонтировать особый экран. Вторая же устраняется через верно подобранный рабочий режим.

    Датчик скорости с оптопарой.

    Оптореле

    Оптореле, иначе называемое твердотельным реле, обычно используется для регуляции работы цепи с большими управляющими токами. Роль управляющего элемента здесь обычно выполняют два MOSFET транзистора со встречным подключением, подобная конфигурация обеспечивает возможность функционирования в условиях переменного тока.

    Классификация видов оптореле

    Для оптореле определено три типа топологий:

  1. Нормально разомкнутые.Предполагается, что управляющая цепь будет замыкаться лишь в момент подачи управляющего напряжения на выводы светового диода.
  2. Нормально замкнутые.Предполагается, что управляющая цепь будет размыкаться лишь в момент подачи управляющего напряжения на выводы светового диода.
  3. Переключающая.Третья топология предполагает сочетание каналов нормально-замкнутого и нормально разомкнутого типа.

Оптореле подобно оптопаре имеет характеристику по электрической прочности.

Разновидности оптореле

  • Модели стандартного типа;
  • Модели, имеющие малое сопротивление;
  • Модели, имеющие малое СxR;
  • Модели, имеющие малое напряжение смещения;
  • Модели, имеющие высокое напряжение изоляции.

Рубрики: Статьи

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *