Твердотельное реле тока: управление, подключение

В системах автоматики для управления силовыми цепями с помощью низковольтного сигнала применяют коммутаторы, называемые реле. Они бывают разных видов и устройств. Самые простые электромагнитные реле содержат обмотку на сердечнике и контакты. При подаче на обмотку управляющего напряжения в сердечнике возникает магнитное поле, которое притягивает контакты. Они замыкают либо размыкают цепь нагрузки. Наряду с электромагнитными все большее применение находят реле нового поколения – твердотельные, обладающие рядом преимуществ.

Что такое твердотельные реле тока

Устройство, предназначенное для коммутации цепей нагрузки высокого напряжения постоянного или переменного тока с помощью низковольтного управляющего напряжения и работающего на основе полупроводниковых связей в тиристорах, симисторах и транзисторах, называется твердотельным реле (ТТР).

Оно помещено в квадратный корпус, который имеет крепежные отверстия и металлическую площадку для установления его на радиатор. Подключение твердотельного реле к управляющей и коммутируемой линиям осуществляется при помощи резьбовых зажимов.

Принцип действия

Твердотельное реле состоит из нескольких функциональных блоков:

• Управляющий вход. На этот вход подается управляющее напряжение. Оно может быть переменным либо постоянным, в зависимости от назначения реле. Как правило, это напряжение низковольтное. Оно приводит в действие блок гальванической развязки. В том случае, если ток управления переменный, между входом и блоком развязки находится выпрямляющий мост на диодах и сглаживающий фильтр.
• Блок гальванической развязки. Он построен на оптроне и служит для передачи управляющего сигнала на силовой ключ без передачи напряжения.
  
• Силовой блок в основе имеет тиристор, симистор либо транзистор для коммутации высоковольтного постоянного напряжения. На управляющий вывод тиристора поступает напряжение с фотоприемника оптопары. Под действием этого открывается соответствующий p-n переход, и силовой ключ замыкает цепь нагрузки.
• Цепь защиты силового ключа, реализованная на варисторе, предназначена для защиты тиристора от перегрузок по напряжению.

Так как силовой полупроводник пропускает довольно большие токи, то часто его устанавливают на охлаждающий радиатор, отводящий излишнее тепло.

Типы классификации реле твердотельного

1. По виду напряжения, которое оно может коммутировать.

Твердотельное реле переменного тока в однофазных цепях:

• когда нужно включать нагрузки резистивного вида либо индуктивности;
• для трехфазных цепей, включенных «звездой» либо «треугольником», в том случае, когда каждая фаза подключается своим реле.

• в такой цепи можно подключать и отключать всего лишь резистивного характера нагрузки;
• одновременно коммутируют все виды включения трех фаз.

Твердотельные реле постоянного тока:

• этим устройством хорошо управлять такой нагрузкой, которая работает на постоянном токе.

2. В зависимости от того с каким диапазоном электрического напряжения, которое присутствует на силовой части, может работать устройство коммутации.

ТТР, перекрывающее стандартный разброс напряжения:

• когда нужно управлять переменными токами, доходящими до 380 В по величине напряжения.

Твердотельное реле, которое способно коммутировать в диапазоне токов постоянной полярности:

• для управления в пределах от 20 до 250 В.

В зависимости от того, каким сигналом управляется:

• постоянный вид тока при величине напряжения от 3 до 32 В;
• переменный вид тока при величине напряжения от 90 до 250 В;
• когда цепи нагрузки резистором сменного сопротивления управляются (ручной режим);
• управление твердотельным реле аналоговым сигналом с величиной до 10 В.

3. По принципу коммутации.

ТТР, где применяется контроль перехода через ноль:

• возможна коммутация нагрузок резисторного типа: лампы накаливания, элементы для нагревания;
• коммутация емкостей: системы фильтров, которые выполняют сглаживающую функцию и др.;
• подключение небольшой индуктивной нагрузки: соленоиды, электромагнитные клапаны.

Твердотельное реле этого типа позволяет сглаживать ток начального возрастания и снижать помехи электромагнитного характера, что уменьшает износ подключаемой нагрузки.

ТТР включения мгновенного (случайного):

• подходят для нагрузок ТЭНов, вольфрамовых ламп;
• коммутирует индуктивные нагрузки: электродвигатели малой мощности, трансформаторы.

ТТР для управления фазовым режимом

Служит не только для коммутации, но и для изменения напряжения в цепи нагрузки:

• позволяет регулировать мощность элементов нагревательного типа;
• можно изменять яркость свечения ламп накаливания;
• дает возможность управлять оборотами двигателя.

Что нужно знать при выборе реле

Так как в режиме работы на элементах полупроводниковых (силовых ключах) происходят электрические потери, это выражается в интенсивном их нагреве. При повышении температуры уменьшается возможность пропускать ток устройством. Конкретное реле может обеспечить заложенные в нем технические параметры при нагреве не более 40 градусов. При 65 градусах резко падает способность коммутации ТТР, и дальнейший нагрев приведет к выходу его из строя. Поэтому, подбирая твердотельное реле под нагрузку, необходимо брать его с запасом по току. А в мощных силовых цепях следует ставить ТТР на радиаторы и устраивать системы принудительного охлаждения.

Также при подключении любой нагрузки в первый момент времени возникают ударные токи, которые в несколько раз, а иногда и на порядок превышают номинальный.

Характеристики нагрузок реле по пусковым токам

Когда осуществляется подключение твердотельного реле к нагрузке, нужно знать характеристики последней:

• нагрузки активного характера (ТЭНовые нагреватели) создают незначительные токовые скачки, их можно нивелировать, применяя ТТР, где происходит включение в ноль;
• осветительные приборы накаливания и лампы галогенного типа, где от 7 до 12 раз сквозь них проходит больший ток, чем номинальный;
• лампы флуоресцентные на время до 10 секунд дают пульсации тока выше номинального в 5 раз, а то и на порядок;
• лампы ртутные на время до пяти минут могут перегружать цепь токами, завышенными в 3 раза;
• реле электромагнитные переменного электричества на время до двух периодов претерпевают скачки в 3-10 раз;
• ток в катушках соленоида на 1-2 порядка превышает номинал за десятую долю секунды;
• двигатели электрические за половину секунды дают прирост тока до 10 раз;
• приборы высокоиндуктивного характера с сердечниками насыщения (трансформаторы, когда они работают вхолостую), включены в фазе ноля по напряжению, ток достигает скачков, до 20, а то и до 40 раз превышающих номинал за время в 0.05-0.20 секунды;
• когда включены нагрузки емкостного характера в фазе около 90 градусов, ток превышает номинальный в 20-40 раз за время до 10 миллисекунд.

Твердотельное реле своими руками

Собирая схему реле в домашних условиях, главное, учитывать ударные токи подключаемой нагрузки и выбирать тиристоры и симисторы соответствующего запаса по мощности.

Для остальных частей схемы реле следует придерживаться рекомендаций:

• для коммутации маленьких переменных токов лучше использовать симисторы, больших – тиристоры;
• ставить для защиты силового ключа параллельно ему варистор или защитный диод (при коммутации индуктивной нагрузки);
• перед диодным мостом на входе управляющей цепи ставить токоограничивающие резисторы;
• последовательно оптрону нужно ставить токоограничивающее сопротивление, параллельно – сглаживающий конденсатор.

Преимущества твердотельных реле

ТТР не является громоздким устройством, занимающим большое пространство. Он также не имеет механически подвижных частей, что значительно повышает его надежность по сравнению с электромагнитными системами. Кроме этого, реле обеспечивает:

• быструю коммутацию;
• незначительный уровень помех в момент подключения нагрузки;
• малую мощность потребления;
• отсутствие разрядов дугового характера внутри корпуса;
• стойкость к вибрациям.