Дизайн интерьера

Что такое твердотельное реле

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.

Назначение и область применения твердотельных реле

Твердотельные изделия предназначены для обеспечения замыкания и размыкания участков в высоковольтных и низковольтных электрических цепях.

Они выполняют ту же функцию что и обычные реле с механическими размыкателями контактов на основе электромагнитной катушки.

Основное отличие в том, что оно не имеет механических контактов и электромагнита, коммутация осуществляется полупроводниковыми приборами.

Область применения таких реле та же что и обычных, используются при необходимости коммутации элементов индуктивной нагрузки:

• В системах нагрева с электрическими тэнами;
• В производственных технологиях, где необходимо поддерживать стабильную температуру;
• Для коммутации цепей систем управления в комплексе различного оборудования;
• В некоторых случаях твердотельными реле заменяют бесконтактные пускатели реверсного типа;
• В схемах управления электродвигателями;
• В системах контроля и диагностики оборудования, нагрева трансформаторов и других элементов с установленными пределами определенных параметров в процессе эксплуатации;
• В схемах управления уровнем освещения на различных объектах.

Невозможно перечислить все варианты, сфера применения этих изделий очень обширна.

Отличия от электромеханических реле

Если рассматривать основные отличия, то они заключаются в принципе реализации логических операций. Так, в соответствии с п. 3.1.1 ГОСТ IEC 61810-7-2013 под электромеханическим реле следует понимать такое устройство, в котором операции производятся за счет движения механических элементов. В частности, на катушку индуктивности подается управляющий импульс, который создает достаточный электромагнитный поток для перемещения сердечника. Механически сердечник соединяется с контактной группой, которая замыкается и размыкается в зависимости от управляющего сигнала.

Твердотельное реле, в свою очередь, не имеет подвижных частей, а изменение логического состояния производится путем перевода полупроводникового элемента из открытого состояния в закрытое, и, наоборот. Поэтому основным отличием от электромеханических моделей является отсутствие подвижных контактов.

Виды твердотельных реле и схемы подключения

Разновидности твердотельных реле разделяют по следующим признакам:

• По характеристикам напряжения управляющего сигнала постоянное или переменное, его величина;
• По напряжению на линии коммутации, так же переменного или постоянного тока;
• По количеству фаз, в цепях переменного тока, однофазные или трехфазные реле;
• По схемам коммутации в трехфазных цепях могут быть варианты с реверсом и без него;
• По конструкции корпуса, для монтажа на плоскую поверхность, на дин – рейку или универсальные.

В некоторых случаях в одном корпусе с реле устанавливаются инверторы напряжения, тогда на входе изделия переменное напряжение а на выходе получается постоянное или наоборот, в зависимости от назначения инвертора. Полупроводниковые реле способны коммутировать нагрузку в цепи с токами до сотен ампер.

Такие изделия применяют для управления работой асинхронных электродвигателей с питанием 380/220В. С левой стороны две клеммы для подачи управляющего напряжения постоянного тока с указанием полярности, величина от 4 до 32 В.

На контакты R—S—T подключаются три фазы по 220В от РЩ, к клеммам U—V—W провода, идущие к электродвигателю. При кратковременной подаче управляющего напряжения постоянного тока 12 или 24В все три фазы замыкаются, и ток поступает на обмотки электродвигателя.

Существуют реле с более простой схемой коммутации одной фазы, для подключения осветительной системы, нагревательных приборов и другого оборудования с питанием от 220 В.

Такое реле коммутирует однофазные цепи, принцип действия аналогичный на контакты управления подается напряжение постоянного тока от 3 до 18 В, в результате чего открывается тиристор пропуская ток через коммутируемую фазу.

На корпусе указаны основные технические характеристики этой модели. Напряжение в цепи коммутации должно быть не более 240 А, токи нагрузки не более 2.5А.

Схем коммутации много вариантов это зависит от функционального назначения систем в которых они используются.

В данной схеме в цепи управления и коммутации используются напряжения с постоянным током. Такие варианты часто применяются в схемах электроснабжения автомобильного транспорта, где источником питания является аккумулятор.

По количеству подключенных фаз

Твердотельные реле используются как в составе домашних приборов, так и в промышленной автоматике с рабочим напряжением 380 В.

Поэтому эти полупроводниковые устройства, в зависимости от количества фаз, разделяются на:

• однофазные;
• трехфазные.

Однофазные ТТР позволяют работать с токами 10-100 или 100-500 А. Их управление производится с помощью аналогового сигнала.

К трехфазному реле рекомендуется подключать провода различных цветов, чтобы при монтаже оборудования можно было правильно их присоединить

Трехфазные твердотельные реле способны пропускать ток в диапазоне 10-120 А. Их устройство предполагает реверсивный принцип функционирования, который обеспечивает надежность регуляции одновременно нескольких электрических цепей.

Часто трехфазные ТТР используются для обеспечения работы асинхронного двигателя. В его электросхему управления обязательно включаются быстрые предохранители из-за высоких пусковых токов.

По виду рабочего тока

Твердотельные реле нельзя настроить или перепрограммировать, поэтому они могут нормально работать только при определенном диапазоне электропараметров сети.

В зависимости от потребностей ТТР могут управляться электроцепями с двумя видами тока:

• постоянным;
• переменным.

Аналогично можно классифицировать ТТР и по виду напряжения активной нагрузки. Большинство реле в бытовых приборах работают с переменными параметрами.

Постоянный ток не используется в качестве основного источника электроэнергии ни в одной стране мира, поэтому реле такого типа имеют узкую сферу применения

Устройства с постоянным управляющим током характеризуются высокой надежностью и используют для регуляции напряжение 3-32 В. Они выдерживают широкий диапазон температур (-30..+70°С) без значительного изменения характеристик.

Реле, регулирующиеся переменным током, имеют управляющее напряжение 3-32 В или 70-280 В. Они отличаются низкими электромагнитными помехами и высокой скоростью срабатывания.

По конструктивным особенностям

Твердотельные реле часто устанавливают в общий электрощит квартиры, поэтому многие модели имеют монтажную колодку для крепления на DIN-рейку.

Кроме того, существуют специальные радиаторы, располагающиеся между ТТР и опорной поверхностью. Они позволяют охлаждать прибор при высоких нагрузках, сохраняя его рабочие характеристики.

Реле крепиться на DIN-рейку преимущественно через специальный кронштейн, который имеет и дополнительную функцию – отводит излишки тепла при работе прибора

Между реле и радиатором рекомендуется наносить слой термопасты, который увеличивает площадь соприкосновения и увеличивает теплоотдачу. Существуют и ТТР, предназначенные для крепления к стене обычными шурупами.

По нагрузке

Конкретный тип прибора определяется разновидностью используемой нагрузки. По этому параметру реле делятся на однофазные и трёхфазные:

• Однофазные работают с током от 10 до 120 А, либо от 100 до 500 А. Регулирование фазы происходит за счёт аналогового сигнала и элемента сопротивления.
• Трёхфазные приборы осуществляют соединение на всех трёх участках сразу. Их рабочий диапазон также составляет от 10 до 120 А. Существуют отдельные вариации приборов, работающих по принципу реверса и осуществляющих бесконтактную коммутацию.

По типу управления

По типу управления и характеристикам используемого напряжения приборы делятся на:

Устройства постоянного тока. Работают под действием стабильного электричества. Параметры мощности – от 3 до 32 Вт. Для данного типа характерны большие удельные показатели, наличие светодиодных индикаторов, высокий параметр надёжности. Практически для всех наименований приборов оптимальной рабочей температурой являются цифры от -30 до +70°C.

Устройства с мануальным управлением. В них вы можете сами выбрать оптимальный тип действия. Подобная функция реализована за счёт использования переменных резисторов.

По методу коммутации

Исходя из метода коммутации, приборы подразделяются на:

Осуществляющие переход через 0. Способны регулировать нагрузки емкостные, редуктивные, а также низкие индукции. При подаче сигнала управления, напряжение на выходе возникает в момент достижения напряжением линейным нулевой отметки.

Вследствие чего наблюдается снижение стартового показателя тока, устраняются сторонние помехи и повышается длительность использования коммутируемых параметров. Этот подвид реле не способен осуществлять коммутацию высоких индукций, для условных трансформаторов, работающих в режиме ХХ, он недопустим к применению.

С моментальной (случайной) активацией. Эти устройства идут в ход, если нам требуется очень быстрое включение. Напряжение на выходе появляется вместе с пуском сигнала управления. Задержка активации, как правило, составляет не больше 1 мс. Большой минус таких приборов – импульсные погрешности, а также изначальные броски тока, наблюдаемые при изменении параметров.

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:

Конструктивные особенности

В основе твердотельного реле лежит электронная плата, в состав которой входит три главных элемента — узлы управления и развязки, а также силовой ключ. В роли силовых элементов применяются такие детали:

• Для постоянного I — транзисторы полевого типа, простые транзисторы, модульные элементы класса IGBT, а также MOSFET-транзисторы.
• Для переменного I — сборки на базе тиристоров, а также симисторы.

Развязка цепи обеспечивается оптронами — изделиями, состоящими из излучающего и принимающего свет устройства. Между ними установлен диэлектрик, имеющий прозрачную структуру.

Управляющий узел выполнен в виде стабилизирующей схемы, обеспечивающей оптимальные уровни тока и напряжения для излучающего свет элемента. Напряжение на входе схемы должно быть от 70 до 280 Вольт.

Что касается напряжения нагрузки, его величина — до 480 Вольт. Расположение электроприбора (до или после ТТР) не имеет значения.

Как правило, устройство монтируется после нагрузки с последующим подключением к «земле». При таком варианте схемы удается защитить внутренние элементы от протекания тока КЗ (он потечет через заземляющий провод).

Принцип действия

Зная конструктивные особенности твердотельного реле, легче понять принцип его действия. В приборе взаимодействуют два сигнала — управляющий и управляемый, что обеспечивается благодаря гальванической развязке.

В некоторых моделях ТТР эту функцию берет на себя оптрон. Напряжение, обеспечивающее управление устройством, подается и на светодиод.

Свечение последнего поступает на фотодиод, что приводит к появлению тока, включению МОП или тиристора для управления подключенным аппаратом.

Кроме того, в процессе создания схемы допускается применение специальных оптоэлектронных устройств — опто- и фототиристоров.

Как работает твердотельное реле?

Управляющий сигнал (обычно напряжение низкого уровня, исходящее, к примеру, от контроллера управления) подаётся на светодиод оптоэлектронной пары, присутствующей в схеме ТТР. Светодиод начинает излучать свет в сторону фотодиода, который в свою очередь открывается и начинает пропускать ток.

Обобщённая схема ТТР, наглядно показывающая, каким образом функционирует электронный прибор: 1 – источник напряжения управления; 2 – оптопара внутри корпуса реле; 3 – источник тока нагрузки; 4 – нагрузка

Проходящий через фотодиод ток приходит на управляющий электрод ключевого транзистора или тиристора. Ключ открывается, замыкает цепь нагрузки.

Разновидности твердотельных переключателей

Весь существующий ассортимент приборов условно можно разделить по группам, исходя из категории подключаемой нагрузки, особенностей контроля и коммутации напряжений.

Таким образом, в общей сложности наберётся три группы:

1. Устройства, действующие в цепях постоянного тока.
2. Устройства, действующие в цепях переменного тока.
3. Универсальные конструкции.

Первая группа представлена приборами с параметрами рабочих управляющих напряжений  3 – 32 вольта. Это относительно малогабаритная электроника, наделённая светодиодной индикацией, способная функционировать без перебоев при температурах -35 / +75 ºС.

Широко распространённое исполнение электронного прибора для применения в однофазной электрической сети. Также встречаются иные варианты конструкций, но значительно реже

Вторая группа – устройства, предназначенные под установку в сетях переменного напряжения. Здесь представлены конструкции ТТР для установки в сетях переменного тока, управляемые напряжением 24 – 250 вольт. Есть устройства, способные коммутировать нагрузку высокой мощности.

Третья группа – приборы универсального назначения. Схемотехника этого вида устройств поддерживает ручную настройку на использование в тех или иных условиях.

Если отталкиваться от характера подключаемой нагрузки, следует выделить два вида твердотельных реле переменного тока: однофазные и трёхфазные. Оба вида рассчитаны на коммутацию достаточно мощной нагрузки при токах 10 – 75 А. При этом пиковые кратковременные значения тока могут достигать величины 500 А.

Широко распространённый вариант исполнения для применения в трёхфазной электрической сети. Часто используется в качестве линейного регулятора мощных электрических нагревателей (ТЭН)

В качестве нагрузки, коммутируемой твердотельными реле, могут выступать ёмкостные, резистивные, индукционные цепи. Конструкции переключателей позволяют без лишнего шума, плавно управлять, к примеру, нагревательными элементами, лампами накаливания, электродвигателями.

Особенности процесса изготовления

Нагрузка нагревательного элемента составляет Вт.
Вход — это первичная цепь, в которой устанавливается постоянное сопротивление.
В обычных для приведения какой-либо электрический механизм в действие используются контакты, которые периодически замыкаются и размыкаются.
Выходная мощность порядка Вт. Здесь в схеме два варианта входа: ввод управления напрямую к диоду оптрона и входной сигнал подающийся через транзистор. Коммутация электроцепей в этом приборе выполняется по принципу электронного ключа, выполненного на полупроводниках.
Рекомендации о выборе кулеров приводятся в технической документации на конкретное твердотельное реле, поэтому давать универсальные советы нельзя. Соблюдая определенный ряд условий, твердотельные реле можно использовать для пуска асинхронных двигателей.

Поэтому существует максимально возможная задержка выключения между удалением входного сигнала и отключением тока нагрузки в один полупериод. Между цепями управления и нагрузкой качественная изоляция. Эти реле, работающие бесшумно, являются хорошей заменой контакторам и пускателям. Такой же принцип регулировки используется в бытовых диммерах для освещения. Когда сигнал входного напряжения постоянного тока удаляется, выход не отключается внезапно, так как после срабатывания проводимости тиристор или триак, используемый в качестве переключающего устройства, остается включенным в течение оставшейся части полупериода, пока токи нагрузки не упадут ниже удерживающих устройств тока, в этот момент он выключается.

Видео: тестирование твердотельного реле. Нужно выделить такие свойства твердотельных реле: При помощи оптической развязки обеспечивается изоляция различных цепей электронного устройства. В твердотельных моделях эту роль выполняют тиристоры, транзисторы и симисторы.

С его помощью происходит притягивание контактов. Защита может находиться как внутри корпуса реле, так и отдельно

Обратите внимание на то, что у симисторов выводы обычно неоднозначно определяются, поэтому их нужно заранее проверить. Чтобы подать силу напряжения на нагрузку используется цепь переключающего типа, которая включает транзистор, кремниевый диод и симистор

В этом примере подойдет любое предпочтительное значение резистора между Ом и Ом.
Твердотельное реле вместо контактора.

Твердотельное реле своими руками: инструкция по сборке и советы по подключению

Схемы подключения

На практике существует несколько вариантов подключения твердотельного реле к цепи питания и управления. Так, в зависимости от величины и рода питающего напряжения выделяют схему постоянного и переменного тока:

Как видите, здесь от фазного и нейтрального проводника напряжение подается и на цепь управления (выводы 3 и 4), и к нагрузке. Через выводы 1 и 2 фазный проводник устанавливается в коммутацию твердотельного реле для питания потребителя. Включение и отключение производится путем замыкания контактной группы К1 в цепи управления.

Еще один вариант схемы – управление нагрузкой посредством низковольтного сигнала:

В таком случае напряжение сети изначально подается на блок питание, где оно преобразуется и понижается. А затем через контакты К1 поступает в цепь управления твердотельного реле на выводы 3 и 4. Питание нагрузки происходит по тому же принципу, что и в предыдущем случае.

Помимо этого схемы подключения твердотельных реле подразделяются на две категории – нормально открытые и нормально закрытые. Первый вариант подразумевает такой принцип действия, когда подача напряжения на цепь управления подает напряжение к нагрузке.

Второй вариант схемы при подаче напряжения в цепь управления отключает питание нагрузки.

Помимо этого существует трехфазная схема питания для соответствующего типа нагрузки:

Как видите на схеме, здесь используется трехфазное твердотельное реле. Для цепи управления используется пониженное напряжение, подаваемое от преобразователя. Линия трехфазного питания подключается к выводам A1, B1, C1, а трехфазный электродвигатель к выводам A2, B2, C2.

Электронные элементы

В качестве электронных компонентов, используемых при самостоятельном изготовлении простейшего образца ТТР, обычно применяются следующие распространенные детали:

• оптронная пара МОС3083;
• симистор марки ВТ139-800;
• биполярный транзистор серии КТ209;
• комплект резисторов, а также стабилитрон и светодиод, служащий индикатором срабатывания реле.
  
  Схема твердотельного реле

Перечисленные электронные элементы спаиваются навесным способом согласно приводимой в источниках схеме. Наряду с другими компонентами она содержит в своем составе ключевой транзистор, подающий стабилизированные импульсы на управляющий диод оптронной пары.

Момент подачи фиксируется светодиодным элементом, использование которого в исполнительной цепи допускает визуальный контроль.

Под воздействием этих импульсов происходит мгновенное срабатывание полупроводникового симистора, включенного в коммутируемую цепочку. Применение в такой схемы включения оптронной пары позволяет управлять постоянными потенциалами от 5 до 24 Вольт.

Ограничительная цепочка из резистора со стабилитроном необходима для снижения амплитуды тока, протекающего через светодиод и управляющий элемент до минимальной величины. Такое схемное решение позволяет продлить срок службы большинства используемых при построении схемы элементов.

Проверка собранной схемы на работоспособность

Собранную схему нужно проверить на работоспособность. Подключать при этом напряжение нагрузки 220 вольт в цепь коммутации через симистор необязательно. Достаточно подключить параллельно линии коммутации симистора измерительный прибор – тестер.

Проверка работоспособности твердотельного реле с помощью измерительного прибора. Если на вход устройства подано управляющее напряжение, переход симистора должен быть открыт

Режим измерений тестера нужно выставить на «мОм» и подать питание (5-24В) на схему генерации напряжения управления. Если всё работает правильно, тестер должен показать разницу сопротивлений от «мОм» до «кОм».

Конструкция корпуса (заливка компаундом)

Заливка платы компаундом

Для изготовления корпуса сборного изделия в первую очередь потребуется алюминиевая пластина толщиной 3-5 мм, она будет служить основанием под электронную сборку. Размеры выбираются произвольно при условии, что они гарантируют хороший отвод тепла в окружение. Еще одно требование, предъявляемое к этой детали – хорошо обработанная, абсолютно гладкая поверхность, отполированная специальным инструментом или до блеска зачищенная шкуркой.

На следующем шаге подготовки корпуса выбранная в качестве основания пластина оборудуется окаймлением из приклеиваемой по периметру полоски картона. В итоге получится небольшой короб, предназначенный для размещения уже собранной ранее электронной схемы. На его основании из компонентов жестко крепится только симистор, все остальные элементы удерживаются в пределах корпуса за счет собственных связей.

Для подключения к нагрузке и электропитанию наружу коробки выводятся соответствующие проводники.

В дальнейшем надежный крепеж всей сборки обеспечивается заливаемым в коробку жидкого компаунда, заранее подготовленного в подходящей емкости. После его застывания получится монолитная конструкция, по защищенности от вибраций и других воздействий не уступающая лучшим промышленным образцам. Единственный ее недостаток – невозможность разборки с целью последующего ремонта схемы.

Приготовление компаунда и заливка корпуса

Под изготовление твёрдого тела электронного устройства потребуется изготовить компаундную смесь. Состав смеси компаунда делается на основе двух компонентов:

1. Эпоксидная смола без отвердителя.
2. Порошок алебастра.

Благодаря добавлению алебастра мастер решает сразу две задачи – получает исчерпывающий объём заливного компаунда при номинальном расходе эпоксидной смолы и создаёт заливку оптимальной консистенции.

Смесь нужно тщательно перемешать, после чего можно добавить отвердитель и вновь тщательно перемешать. Далее аккуратно заливают «навесной» монтаж внутри картонного короба созданным компаундом.

Заливку делают до верхнего уровня, оставив на поверхности лишь часть головки контрольного светодиода. Первоначально поверхность компаунда может выглядеть не совсем гладкой, но спустя некоторое время картинка изменится. Останется только дождаться полного застывания литья.

По сути, применить можно любые подходящие для литья растворы. Главный критерий – состав заливки не должен быть электропроводящим, плюс должна формироваться хорошая степень жёсткости литья после застывания. Литой корпус твердотельного реле является своего рода защитой электронной схемы от случайных физических повреждений.

Заливка компаундом

После этого созданная схема аккуратно заливается компаундом до верхнего уровня, оставляя на поверхности только часть головки контрольного светодиода. При изготовлении корпуса твердотельного переключателя можно использовать любые растворы, подходящие для литья. Единственным критерием при выборе ингредиентов является отсутствие способности проводить электроток.

Самодельное ТТР станет хорошим выбором для подключения к низковольтной цепи с малой мощностью. Собирать более мощные приборы, рассчитанные на высокие напряжения нецелесообразно. Такие схемы отличаются высокой сложностью и лучше купить готовый прибор.

Защита твердотельного реле

Для того, чтобы обеспечить бесперебойную работу реле применяется специальная цепь защиты. Она может быть внутренней или внешней.

Для внутренней защиты можно воспользоваться разнообразными предохранителями:

• g R –обеспечивает высокий уровень быстродействия, подходят для работы с широким спектром мощностей;
• g S –применяются для работы с токами разной силы и помогают защищать полупроводники при излишне высоких нагрузках питающей сети;
• a R –применяются как страховка от потерь, наносимых коротким замыканием.

К сожалению, покупка такого предохранителя обычно немногим уступает цене, за которую приобретают само реле. Если на такую роскошь тратиться жалко, то можно воспользоваться  предохранителями класса В, С и D, которые не столь качественны, но и стоят гораздо меньше.

Выход твердотельного реле

Возможности переключения выхода твердотельного реле могут быть как переменного, так и постоянного тока, аналогичными его требованиям к входному напряжению. Выходная цепь большинства стандартных твердотельных реле сконфигурирована для выполнения только одного типа переключающего действия, дающего эквивалент нормально разомкнутого однополюсного однополюсного (SPST-NO) режима работы электромеханического реле.

Для большинства твердотельных реле постоянного тока обычно используются твердотельные коммутационные устройства — силовые транзисторы, Дарлингтона и MOSFET, тогда как для твердотельного реле переменного тока, коммутационные устройства — это симисторные или двухсторонние тиристоры. Тиристоры предпочтительны из-за их высокого напряжения и тока. Один тиристор также может использоваться в схеме мостового выпрямителя, как показано на рисунке.

Наиболее распространенным применением твердотельных реле является переключение нагрузки переменного тока, будь то управление мощностью переменного тока для включения / выключения, затемнение света, управление скоростью двигателя или другие подобные приложения, где необходимо управление мощностью, эти нагрузки переменного тока может легко управляться с помощью постоянного тока низкого напряжения с помощью твердотельного реле, обеспечивающего длительный срок службы и высокие скорости переключения.

Одним из самых больших преимуществ твердотельных реле по сравнению с электромеханическим реле является его способность выключать «переменные» нагрузки переменного тока в точке нулевого тока нагрузки, тем самым полностью устраняя искрение, электрический шум и отскок контактов, связанные с обычными механическими реле и индуктивными нагрузками.

Это связано с тем, что твердотельные реле переключения переменного тока используют SCR и триак в качестве выходного переключающего устройства, которое продолжает проводить после удаления входного сигнала до тех пор, пока переменный ток, протекающий через устройство, не опустится ниже своего порогового значения или не сохранит значение тока. Тогда выход SSR никогда не сможет выключиться в середине пика синусоидальной волны.

Отключение при нулевом токе является основным преимуществом использования твердотельного реле, поскольку оно уменьшает электрические помехи и обратную эдс, связанные с переключением индуктивных нагрузок, которые видятся как искрение контактами электромеханического реле. Рассмотрим диаграмму формы выходного сигнала ниже типичного твердотельного реле переменного тока.

Рекомендации по изготовлению

В соответствии с особенностями конструкции, схему прибора стоит собирать не на текстолите, а с помощью навесного монтажа. Существует довольно много схемотехнических решений, а выбирать нужный следует в зависимости от различных параметров, например, коммутируемой мощности.

Создаем реле времени на 12 и 220 Вольт

В зависимости от величины питающего напряжения, к которому подключается нагрузка, определяется и уровень потенциала, под которым будут находиться элементы реле времени. На практике для создания временных задержек применяются как работающие от сети 220В, так и от безопасного низкого 12В.

Первый вариант считается более простым, поскольку работа осуществляется напрямую от сети. Также схема на 220 В актуальна для питания особо мощной нагрузки – двигателей или бытовых приборов.

Сфера применения реле времени

Человек всегда стремился облегчить себе жизнь, внедряя в обиход разные приспособления. С появлением техники на базе электродвигателя встал вопрос об оснащении ее таймером, который управлял бы этим оборудованием автоматически. Включил на заданное время — и можно идти заниматься другими делами. Агрегат по истечении установленного периода сам отключится. Вот для такой автоматизации и потребовалось реле с функцией автотаймера.

Классический пример рассматриваемого устройства – это в реле в старой стиральной машинке советского образца. На ее корпусе имелась ручка с несколькими делениями. Выставил нужный режим, и барабан крутится в течение 5–10 минут, пока часики внутри не дойдут до нуля.

Электромагнитное реле времени небольшое по габаритам, потребляет мало электроэнергии, не имеет ломающихся подвижных частей и долговечно

Сегодня реле времени устанавливают в:

• микроволновки, печи и иную бытовую технику;
• вытяжные вентиляторы;
• системы автополива;
• автоматику управления освещением.

В большинстве случаев прибор делают на основе микроконтроллера, который одновременно и управляет всеми остальными режимами работы автоматизированной техники. Производителю так дешевле. Не надо тратиться на несколько отдельных устройств, отвечающих за что-то одно.

По типу элемента на выходе реле времени заводские модели и самоделки делятся на:

• релейные (нагрузка подключается через «сухой контакт»);
• симисторные;
• тиристорные.

Наиболее надежен и устойчив к всплескам в сети первый вариант. Устройство с коммутирующим тиристором на выходе следует брать, только если подключаемая нагрузка нечувствительна к форме питающего напряжения.

Чтобы самостоятельно изготовить реле времени, также можно воспользоваться микроконтроллером. Однако самоделки в основном делаются для простых вещей и условий работы. Дорогой программируемый контроллер в такой ситуации – лишняя трата денег. Есть гораздо более простые и дешевые в исполнении схемы на основе транзисторов и конденсаторов. Причем вариантов существует несколько, выбрать для своих конкретных нужд есть из чего.

Идея 1. На диодах

Рассмотрим вариант простейшего логического элемента для работы в цепи 220В.

Здесь включение происходит при нажатии кнопки S1, после чего напряжение подается на диодный мост. С моста потенциал переходит на времязадающий элемент, состоящий из резисторов и конденсатора. В процессе накоплении заряда  тиристор VS1 откроется, и ток протечет через лампу освещения L1. Когда емкость конденсатора полностью зарядится, тиристор перейдет в закрытое состояние, после чего срабатывает реле и лампа гореть перестанет.

Максимальную выдержку здесь можно установить в несколько десятков секунд, так как ее величина будет задаваться сопротивлением резистора и емкостью. Существенным недостатком является то, что эта схема несет угрозу человеческой жизни при поражении электротоком. Поэтому далее рассмотрим пример изготовления реле времени на 12В.

Идея 2. На транзисторах

Принцип действия такого реле времени основывается на использовании полупроводниковых приборов для задачи временного промежутка. На практике могут использоваться схемы как с одним транзистором, так и с большим числом. Наиболее актуальные для самостоятельного изготовления реле времени на двух транзисторах – они характеризуются лучшей стабильностью и управляемостью.

Пример такого электронного устройства приведен на рисунке ниже:

Для ее практической реализации вам понадобится обзавестись следующими элементами:

• резисторами – одним на 100 кОм и тремя на 1 кОм;
• двумя транзисторами КТ3102Б или идентичными;
• конденсатором для создания задержки выключения/включения;
• кнопка для запуска реле времени;
• промежуточное реле или коммутатор;
• светодиод для сигнализации состояния;
• печатная плата для сборки всех деталей.

Принцип работы такого реле времени заключается в подаче напряжения 12 В на емкостной элемент C1. После чего происходит зарядка конденсатора до определенного потенциала, величины которого будет достаточно для открытия транзистора VT1.

Ток заряда для емкостного элемента определяется сопротивлением ветви C1 – R1 – чем больше сопротивление, тем меньше ток, а время накопления заряда больше. Соответственно, для повышения или уменьшения времени включения или выключения нагрузки можно использовать переменный резистор для R1.

После разряда емкости на базу транзистора VT1 поступит сигнал открытия, и электрический ток начнет протекать через эмиттер и коллектор, резисторы R2 и R3. Эти номиналы резисторов подбираются для открытия второго транзистора VT2, работающего в режиме электронного ключа на включение основной нагрузки.

Открытый VT2 подает напряжение на обмотку реле K1, сердечник в нем притягивается и производит операции с нагрузкой. Одна из пар контактов электромагнитного реле воздействует своими контактами на цепь питания светодиода, сигнализирующего о состоянии устройства.

Кнопка SB1 в цепи позволяет обнулить заряд конденсатора – это обязательная процедура пере каждым последующим пуском, что составляет определенные трудности, которые решаются установкой микросхем.

Идея 3. На базе микросхем

Это более сложный вариант, чем с использованием транзисторов, но цифровое реле не требует нажатия кнопки для начала нового цикла, они более устойчивы. Циклическое реле позволяет выполнять несколько операций в автоматическом режиме, за счет наличия микросхемы существует источник внутреннего опорного питания, можно значительно увеличить пределы задержки времени.  

Посмотрите на рисунок, приведенная здесь схема рассчитана на работу в цепи 220 В. Для ее реализации вам понадобятся резисторы разного номинала, указанные на схеме, диодный мост, пара транзисторов, полупроводниковые элементы, конденсаторы, промежуточное реле, микросхема.

Ее принцип действия идентичен с описанным ранее вариантом на двух транзисторах с той разницей, что в цепи управления временной задержкой появляется микросхема. С помощью которой заряд конденсатора может накапливаться в десятки раз дольше, соответственно, получается возможность увеличения времени задержки.

Процесс сборки не представляет особых трудностей для опытных радиолюбителей, имеющих навыки пайки и чтения схем. Однако для новичков такое реле времени может представлять определенную сложность, поэтому им следует внимательно относиться к процессу.

Идея 4. На базе таймера NE555

Этот вариант также относится к электронным реле, в котором задержка времени устанавливается при помощи популярного таймера NE555. С его помощью вы сможете собрать таймер, который оперирует коммутационными процессами, как на включение, так и на отключение.

Как видите на схеме, таймер выполняет роль управляющего ключа, разрешающего выдачу электрического сигнала либо напрямую к прибору, либо через оперирующий орган – катушку реле. Когда времязадающая цепочка из двух резисторов и конденсатора достигнет насыщения, таймер выдаст на выход реле времени управляющий сигнал, который притянет к катушке прибора сердечник и замкнет контакты. К выходной катушке параллельно подключается светодиод, сигнализирующий о состоянии реле.

Практическая реализация этой схемы также требует определенных навыков и знаний в пайке радиодеталей и изготовлении печатных плат.

Следует отметить, что таймер и микросхема хоть и дают более устойчивую работу, но не могут похвастаться способностью  к программированию. Современные цикличные таймеры на микроконтроллерах представляют неограниченные функции в формировании логики работы, но собрать их в домашних условиях достаточно сложно.

Пример подключения твердотельного реле

Вы знаете, как изготовить твердотельное реле своими руками. Аналоги такого устройства встречаются в продаже достаточно часто. Можно использовать как любительские схемы, так и промышленные – зависит от того, какие возможности нужно получить от устройства. С помощью такого устройства обеспечивается контакт высоковольтной и низковольтной цепей.

Большая часть промышленных устройств и самоделок имеет схожую структуру. Отличия несущественные, на работу не влияют никак. Убедиться в этом несложно. На рисунке приведена простейшая схема включения реле:

Структура устройства:

1. Оптическая развязка цепей.
2. Триггерная цепь (может быть несколько).
3. Защитные устройства и переключатели.
4. Входы.

Вход – это первичная цепь, в которой устанавливается постоянное сопротивление. Функция входа заключается в приеме сигнала и передаче нужной команды на устройство, которое производит коммутацию нагрузки.

Особенности работы и схемы включения реле

При изготовлении своими руками твердотельного реле на полевом транзисторе важно учитывать параметры схемы, в которой оно будет использоваться. Но давайте, чтобы разобраться в особенностях работы твердотельных элементов, рассмотрим обычные электромагнитные реле

В них, когда на обмотку подается напряжение, генерируется магнитное поле. С его помощью происходит притягивание контактов.

При этом цепь либо размыкается, либо замыкается. Есть один недостаток у такого механизма – имеется в конструкции немало подвижных элементов. У твердотельных их нет, а это является основным преимуществом. Также можно выделить следующие особенности:

1. Включение и отключение нагрузки происходит только в том случае, когда напряжение проходит через нуль.
2. При работе не происходит появление помех электрического типа.
3. Достаточно большой диапазон напряжений, при котором работает устройство.
4. Между цепями управления и нагрузкой качественная изоляция.
5. Высокая механическая прочность изделия.

А еще при работе не издается ни единого звука – просто открывается и закрывается переход полупроводника.

Как выбрать полупроводниковое устройство?

Покупая твердотельное реле нужно обратить внимание на его основные характеристики:

• Вид SSR.
• Материал корпуса.
• Тип включения – быстрый или постепенный.
• Производитель.
• Наличие крепежей.
• Уровень потребления электроэнергии.
• Размер ТТР.
• Необходимо учесть коммутируемый регулятор напряжение.

Важно! Реле должно иметь большой запас мощности напряжения для его надежного и продолжительного использования. Иначе при скачке напряжения произойдёт поломка.

Выполняя работы по проведению электрической системы помещения и устанавливая оборудование, вне зависимости от его масштабов, важно чтобы всё работало надежно и исправно. Осуществлению этого способствует полупроводниковое устройство. При верном подборе типа SSR и правильной установке, оно будет долговечно.

Способы коммутации

Спросом пользуются приборы, в которых управление происходит при переходе через ноль. Плюс метода заключается в том, чтобы исключить помехи, которые создаются в процессе включения.

Минус варианта заключается в прерывании сигнала на выходе и недоступности применения ТТР в цепи с высокоиндуктивной нагрузкой. Главное применение этого тип коммутации подходит для нагрузки резистивного типа.

Кроме того, ТТР используются применительно к слабоиндуктивным и емкостным нагрузкам.

Фазовое управление

Плюс фазовой методики в том, что процесс регулирования проходит плавно и без разрывов. Благодаря этому удается менять напряжение на выходе (корректировать параметр мощности). Минус способа — в появлении помех в момент переключения.

Метод подходит для резистивных схем управления, подразумевающих нагрев, для переменных резистивных и индуктивных нагрузок (ИФ излучателей и трансформаторов соответственно). Сюда же стоит отнести управление освещением (подключение ламп накаливания).

Параметры нагрузки

При выборе стоит обращать внимание на нагрузочный ток. От него зависит надежность и продолжительность эксплуатации установленного ТТР. Важно, чтобы устройство имело запас по I.

При покупке стоит учесть не только рабочий ток, но и токи, возникающие в процессе пуска и превышающие номинальный параметр в несколько раз. По заявлению производителей ТТР выдерживает десятикратную токовую перегрузку кратковременно — до 10 мс.

Если твердотельное реле устанавливается для подачи напряжения на нагреватель (активный тип нагрузки), I должен превышать номинальный нагрузочный ток на 35-40%.

Если планируется подключение нагрузки, имеющей индуктивный характер (электрический двигатель), стоит учесть пусковые токи, которые в этом случае превышают номинальный на 600-1000 процентов.

Подведем краткие итоги по рекомендуемому току:

• Для ТЭНов — на 30-40% больше I номинального.
• Для АД — 6-10 крат.
• Для лампочек накаливания — 8-12 крат.
• ЭМ реле — 4-10 крат.

Наличие охлаждения

В процессе выбора стоит учесть фактор снижения температуры. Выше отмечалось, что твердотельное реле имеет свойство перегреваться при прохождении больших токов. Лишнее тепло, которое выделяется в процессе работы, отводится на специальные радиаторы охлаждения.

ТТР способно проводить указанный производителем ток в случае, если температура не превышает 40 градусов Цельсия. В случае роста параметра уменьшается способность пропускать I — на 20-25 процентов при нагреве на каждые десять градусов.  Следовательно, при нагреве ТТР до 80 градусов Цельсия оно не способно пропускать ток — изделие ломается.

На температуру прибора влияет множество факторов, среди которых место монтажа, сезон, нагрузка, наличие обдува воздухом и другие. Если устройство применяется для подключения мощного оборудования, например, для пуска АД, рекомендуется предусмотреть дополнительное охлаждение.

Для решения этой задачи ставится радиатор с большими габаритами. Для повышения эффективности обдува устанавливается вентилятор.

Защита

Еще один нюанс, который должен быть учтен в процессе покупки твердотельной модели — наличие необходимой защиты. Здесь возможны следующие варианты:

• Встроенная RC-цепочка, обеспечивающая защиту от ошибочного срабатывания в случае применения в цепи с индуктивной нагрузкой.
• Защита от кратковременного скачка напряжения со стороны нагрузки. Для этих целей производители устанавливают варисторы. Последние подбираются с учетом размера коммутируемого U (от 1,6 до 2). Стоит отметить, что современные реле способны выдержать значительное перенапряжение и без использования варисторов. Для таких устройств большие риски несет перегруз по I.
• Защита от токовой перегрузки. Для решения этой задачи применяются предохранители, сделанные на полупроводниковом принципе. Они подбираются с учетом величины тока. Так, I пр. составляет до 30% от номинального тока реле. При этом сам коммутирующий прибор должен иметь достаточный запас. При наличии пусковых токов этот нюанс необходимо брать во внимание. Рассмотренный способ обеспечивает надежную защиту от перегруза. Монтаж в цепи автоматов не имеет смысла, ведь твердотельные реле выдерживают перегруз в течение 10 мс, после чего сгорают. Время срабатывания автоматического выключателя выше.
• Обеспечение надежности работы устройства при небольших нагрузочных токах (равных токам утечки). Для решения этой задачи требуется монтаж шунтирующих резисторов, которые монтируются в параллель к нагрузке.

Надстройки для корректной работы

Если в процессе работы имеет место взаимодействие с индуктивной нагрузкой, возможны проблемы. Вот почему при использовании твердотельных реле в комплексе с трансформаторами, звонками, электрическими катушками и иными подобными приборами требуется параллельное включение R-C цепочки для снижения воздействия противо-ЭДС.

Кроме того, наличие такой цепи снижет суммарную индуктивность подключенного прибора и облегчает работу ТТР.

Защита от коротких замыканий

В случае повреждения изоляции в цели и по другим причинам может возникнуть КЗ. Чтобы избежать повреждения ТТР используются специальные предохранители. Они разработаны для применения в комплексе с твердотельными изделиями.

Их легко распознать по следующим спецификациям:

• gR — вставки плавки, работающие в широком диапазоне I. Они используются для защиты полупроводников. На сегодня это одни из наиболее быстродействующих приборов.
• gS — как и прошлые предохранители, могут работать во всех диапазонах I. Применяются в случае высокой нагрузки, а также для защиты полупроводников.
• aR — вставки плавки, не имеющие ограничений по I работы. Они устанавливаются для защиты полупроводников от КЗ. Недостатком таких изделий является высокая цена. Вот почему многие отдают предпочтение более доступным автоматам B-класса.

Ошибки, допускаемые при использовании твердотельных реле

• Чаще всего потребители не правильно делают выбор реле по техническим характеристикам, в результате чего оно не работает или быстро выходит из строя;

Характеристики входных сигналов управления твердотельных реле различных производителей

Марка реле/ параметры	серия протон импульс 5П19.20	Crydom H12D4825D PBF	Teledyne Relays SD48D50A2	Carlo Gavazzi RA2A48D25	Celduc SOB562460
Величина напряжения постоянного тока в В.	10 — 30	4 — 15	10 – 30	4.5 — 32	3.5 — 32
Минимальная амплитуда срабатывания в В.	1	1	1	1-2	1-2
Входной ток мА.	10 — 25	13	3	До 10	13

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

Часто задаваемые вопросы

1. Как защитить реле от скачков тока и напряжения в аварийных ситуациях?

В первую очередь устанавливайте изделия, которое соответствует по техническим параметрам цепи, в которой производится коммутация.

При коротком замыкании большинство реле выдерживают повышенную нагрузку до 10 мс, в этом случае рекомендуется ставить полупроводниковые предохранители, которые отключают цепь за 2 мс.

И реле и предохранители стоят не дешево, но защита дорогостоящего оборудования вполне оправдывает затраты.

1. Какое пиковое напряжение реле надо выбрать в цепях 220В?

Реле через которое коммутируются цепи с переменным напряжением в 220В рекомендуется выбирать с 9 классом по напряжению, оно выдерживает пиковые скачки до 900В.