Твердотельное реле

31 мая 2017

Что нужно знать о твердотельном реле? Где применяется и как оно устроено? Ответы на эти вопросы Вы найдете в этом разделе нашего портала.

Твердотельное реле – это класс современных 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, контакторов и пускателей. Твердотельные реле обеспечивают наиболее надежный метод коммутации цепей.

Твердотельное реле представленным широким диапазоном модификаций для коммутации как малых, так и больших токов нагрузки, а также специальной серии для выполнения специфических задач коммутации. ТТР 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.


Модификации твердотельных реле:

Однофазные твердотельные реле
Коммутация при переходе тока через ноль:
Однофазные твердотельные реле
Непрерывное управления:
Однофазные твердотельные реле Коммутация при переходе тока через ноль

Однофазные твердотельные реле Непрерывное управление

Однофазные твердотельные реле
Для коммутации цепей постоянного тока:
Однофазные твердотельные реле
в корпусе промышленного исполнения:
Однофазные твердотельные реле Для коммутации цепей постоянного тока

Однофазное твердотельное реле в корпусе промышленного исполнения

Трехфазные твердотельные реле:Радиаторы охлаждения:
Трехфазное твердотельное реле

Радиатор охлаждения

Общие рекомендации по выбору твердотельных реле

Нагрев твердотельных реле при коммутации нагрузки обусловлен электрическими потерями на силовых полупроводниковых элементах. Увеличение температуры твердотельных реле накладывает ограничение на величину коммутируемого тока, поскольку чем выше температура ТТР, тем меньший ток оно способно коммутировать. Достижение температуры в 40° C не вызывает существенного ухудшения рабочих параметров, а нагрев твердотельного реле в 60° С существенно снижает допустимую величину коммутируемого тока: нагрузка может отключаться не полностью, а само твердотельное реле перейти в неуправляемый режим работы и даже выйти из строя.

Следовательно, при длительной работе твердотельного реле в номинальных, и особенно, «тяжелых» режимах (при длительной коммутации при токах нагрузки 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 твердотельное 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 ТТР сопровождается скачком тока (пусковой перегрузкой) различной длительности и амплитуды, и это необходимо учитывать при выборе твердотельного реле.

Для различных типов нагрузок можно указать следующие величины пусковых перегрузок:

  • чисто активные нагрузки (нагреватели типа ТЭН) дают минимально возможные скачки тока, которые практически устраняются при использовании твердотельного реле с переключением в нуле;
  • лампы накаливания, галогенные лампы при включении пропускают ток в 7…12 раз больше номинального;
  • флуоресцентные лампы в течение первых секунд (до 10 сек) 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 сек;
  • электродвигатели: ток в 5…10 раз больше номинального в течение 0,2 - 0,5 сек;
  • 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 сек;
  • 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 твердотельных реле выдерживать токовые перегрузки характеризуются величиной ударного тока, т.е. амплитудой 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 твердотельного реле для конкретной нагрузки заключается в подборе запаса по номинальному току реле и введением дополнительных мер по уменьшению пусковых токов (токоограничивающие резисторы, реакторы и т.д.).

Для повышения устойчивости твердотельного реле к импульсным помехам параллельно коммутирующим контактам в ТТР имеется цепь, состоящая из последовательно включенных резистора и емкости (RC-цепочка).

Для более полной защиты от источника перегрузки по напряжению со стороны нагрузки необходимо включить защитные варисторы параллельно каждой фазе твердотельного реле.


Общая классификация твердотельных реле (ТТР) KIPPRIBOR по типу коммутируемой сети

Твердотельное реле для коммутации однофазной сети:

  • могут использоваться для коммутации трехфазной сети при использщовании одного однофазного твердотельного реле на каждую фазу;
  • позволяют осуществлять коммутацию нагрузки с любой схемой включения («Звезда», «Звезда с нейтралью» и «Треугольник»). Применение отдельного твердотельного реле для коммутации каждой из 3-х фаз существенно повышает надежность коммутации, а, следовательно, и надежность всей системы управления в целом;
  • позволяют коммутировать нагрузку резистивного и индуктивного типа;

Твердотельное реле для коммутации трехфазной сети:

  • Позволяют осуществлять коммутацию нагрузки с любой схемой включения («Звезда», «Звезда с нейтралью» и «Треугольник»);
  • ТТР Кипприбора позволяют коммутировать нагрузку только резистивного типа.

Токи утечки в цепи применительно к твердотельным реле

В общем случае ток утечки – это ток, который протекает в землю или на сторонние проводящие части в неповрежденной электрической цепи.

Применительно к твердотельным реле ток утечки - это ток, присутствующий в цепи нагрузки, даже при отсутствии на твердотельном реле управляющего напряжения. Ток утечки в твердотельном реле обусловлен наличием встроенной параллельно цепи нагрузки RC-цепочки, через которую при подведенном к ТТР напряжении всегда протекает ток, даже когда коммутационный элемент твердотельного реле находится в «выключенном состоянии».


RC-цепочка (снабберная RC цепь)

RC-цепочка (снабберная RC цепь) – электрическая цепь из последовательно включенных емкости (конденсатора) и сопротивления (применительно к твердотельным реле). RC- цепочка повышает надежность работы ТТР в условиях действия импульсных помех (перенапряжений) и ограничивает скорость нарастания напряжения на коммутационном элементе, что особенно важно при коммутации индуктивной нагрузки.


Типы нагрузок твердотельных реле. Общая классификация

Индуктивная нагрузка – электрическая нагрузка с большой индуктивной составляющей. К такой нагрузке относятся электрические аппараты, в составе которых имеются электрические катушки либо обмотки: соленоиды клапанов, трансформаторы, электродвигатели, дроссели и пр.

Особенностью индуктивной нагрузки являются высокие потребляемые токи при её включении (пусковые токи), вызванные переходными электрическими процессами. Пусковые токи высокоиндуктивной нагрузки могут превышать номинальный ток в несколько десятков раз и быть достаточно длительными, поэтому при применении твердотельного реле для коммутации индуктивной нагрузки необходимо выбирать номинал твердотельного реле (ТТР) с учетом пусковых токов нагрузки.

Резистивная нагрузка – электрическая нагрузка в виде сопротивления (резистора), на котором происходит преобразование электрической энергии в тепловую.

К резистивной нагрузке относится большинство нагревателей (ТЭНов). Нагрузка регистивного типа характеризуется относительно низкими пусковыми токами, что позволяет использовать для коммутации регистивной нагрузки твердотельные реле с минимальным запасом по току (как правило с запасом в 25%). Но есть исключения, яркий пример - лампы накаливания, хоть и являются по сути резистивной нагрузкой, но имеют достаточно высокие пусковые токи (до 12 * Iном), что обусловлено очень большим разбросом сопротивления нихромовой спирали при разных температурах.

ТЭН – нагреватель в виде металлической трубки, заполненный теплопроводящим электрическим изолятором, в центре которого установлен нагревательный элемент определенного сопротивления. В качестве нагревательного элемента обычно используется нихромовая нить. ТЭН относится к нагрузке резистивного типа с малыми пусковыми токами.


Классификация твердотельных реле (ТТР) KIPPRIBOR по диапазону коммутируемого напряжения

Стандартный диапазон коммутации для ТТР Kippribor: 40…440 VAC - этот широкий диапазон коммутируемого напряжения (в сети переменного тока) позволяет использовать твердотельные реле KIPPRIBOR для управления нагрузками в различных областях промышленности;

Диапазон коммутации постоянной нагрузки: в твердотельных реле серии HD-xx.25DD3 используется диапазон коммутируемого напряжения 20…250 VDC для коммутации нагрузки постоянного тока;

Диапазоны регулирования напряжения при управлении нагрузкой: в твердотельных реле серии HD-xx.44VA используется диапазон регулирования нагрузки 10…440 VAC для регулирования напряжения с помощью внешнего переменного резистора;

в твердотельных реле серии HD-xx.2210U используется диапазон регулирования переменного напряжения 10…220 VAC.

Класс по напряжению – применительно к полупроводниковым приборам (тиристорам) обозначает максимально допустимое значение повторяющегося импульсного напряжения в закрытом состоянии и максимально допустимое значение обратного напряжения, приложенного к полупроводниковому элементу.

Класс по напряжению обычно маркируется цифрами в виде количества сотен вольт, например, 9-й класс по напряжению будет означать, что данный полупроводниковый элемент выдерживает максимальное пиковое напряжение 900 Вольт. Для сети питания с номинальным напряжением 220 Вольт рекомендуется использовать полупроводниковые элементы не ниже 9-го класса по напряжения, т.е. они должны обладать способностью выдерживать максимальное пиковое напряжение в 900 Вольт.


Классификация твердотельных реле KIPPRIBOR по типу управляющего сигнала

В зависимости от модификации твердотельные реле KIPPRIBOR могут иметь следующие типы управляющих сигналов:

· управляющее напряжение постоянного тока 3…32 В;

· управляющее напряжение переменного тока 90…250 В;

· ручное управление выходным напряжением с помощью переменного резистора (470-560 кОм, 0,25-0,5 Вт);

· аналоговое управление выходным напряженим с помощью унифицированного сигнала напряжения 0…10 В.

Различные варианты управляющих сигналов позволяют применять твердотельные реле KIPPRIBOR в качестве коммутационных элементов в разнотипных системах автоматического управления.

Подробнее о применениях твердотельных реле см. раздел Применения Твердотельных реле.


Классификация твердотельных реле KIPPRIBOR по способу коммутации

Твердотельные реле с контролем перехода через 0

Твердотельные реле с контролем перехода через ноль применяются для коммутации:

· резистивных нагрузок: электрических нагревательных элементов (ТЭНов), ламп накаливания и т.п.

· емкостных нагрузок: например, помехоподавляющих сглаживающих фильтров, имеющих в своем составе конденсаторы;

· слабоиндуктивных нагрузок: катушек соленоидов, клапанов и т.п.

При подаче управляющего сигнала на твердотельное реле с контролем перехода через ноль, напряжение на его выходе 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.

Однако ТТР с контроем перехода через ноль не могут коммутировать высокоиндуктивную нагрузку, когда cos φ<0,5 (например, трансформаторы на холостом ходу).

Диаграмма срабатывания ТТР KIPPRIBOR с контролем перехода через ноль.

Диаграмма срабатывания ТТР KIPPRIBOR с контролем перехода через ноль.

Твердотельные реле мгновенного (случайного) включения

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 твердотельного реле данного типа появляется одновременно с подачей управляющего сигнала (время задержки включения не более 1 миллисекунды), а значит включение ТТР возможно на любом участке синусоидального напряжения.

Однако у ТТР данного типа могут возникать импульсные помехи и начальные броски тока при коммутации. После включения такое твердотельное реле функционирует как обычное ТТР с контролем перехода через ноль.

Диаграмма срабатывания ТТР KIPPRIBOR мгновенного включения

Диаграмма срабатывания ТТР KIPPRIBOR мгновенного включения.

Твердотельные реле с фазовым управлением

Твердотельные реле с фазовым управлением позволяют изменять величину выходного напряжения на нагрузке и применяются для следующих задач:

  • регулирование мощности нагревательных элементов,
  • регулировать уровень освещенности у лампы накаливания
  • и так далее

Диаграмма срабатывания ТТР KIPPRIBOR с фазовым управлением

Диаграмма срабатывания ТТР KIPPRIBOR с фазовым управлением.


Типы выходных силовых элементов твердотельных реле KIPPRIBOR

В твердотельнох реле KIPPRIBOR в зависимости от модификации используются различные выходные силовые элементы: симисторы (TRIAC), транзисторы (Transistor), SCR-выход, тиристоры (Thyristor)

Симисторные выходы

Симисторные выходы используются в твердотельных реле для коммутации небольших токов. Коннструктивные особенности симистора таковы, что по нему протекает ток одновременно в обе стороны, а при двустороннем протекании больших токов эффективного отвода тепла от кристалла симистора добиться невозможно.

Для коммутации больших токов используются тиристоры, раздельно установленные на охлаждающей подложке. Это дает возможность обеспечить необходимый отвод тепла.

SCR выходы

SCR – общепринятое международное наименование полупроводникового ключа на базе триодного тиристора (или просто тиристора).

SCR выход – в твердотельных реле так обозначается тип полупроводникового ключа, выполненного методом нанесения на металлическое основание изолирующей керамической подложки, на которую затем наносятся кристалы полупроводниковой структуры тиристора. Физически SCR-выход представляет собой два разнесенных монокристалла, наращенных непосредственно на основание ТТР.

Такая технология обеспечивает наиболее эффективный теплоотвод и, следовательно, делает коммутацию надежной даже при высоких токах коммутации.

Однако, это не исключает требование применения радиаторов и вентиляторов охлаждения для работы с большими токами коммутации.

В модификациях твердотельные реле KIPPRIBOR, рассчитанных на длительную коммутацию больших токов или работу с индуктивной нагрузкой, применяются тиристорные SCR-выходы.

Правило подбора варистора для твердотельного реле

Варистор – полупроводниковый элемент, сопротивление которого зависит от приложенного напряжения. Благодаря резкому снижению своего сопротивления при превышения определенного уровня напряжения, такой элемент может использоваться в качестве ограничителя напряжения в электрических цепях. Один из основных параметров, по которому производится выбор варистора - классификационное напряжение, условная величина напряжения после которого происходит резкое изменение сопротивления варистора.

Для твердотельныхго реле варистор может использоваться для защиты самого твердотельного реле от превышения допустимого для него уровня напряжения, как в цепи нагрузки, так и в цепи управления.

Выбор варистора для защиты цепей ТТР можно производить по упрощенной схеме:

Uваристора= Uрабочее * (1,6...1,9)

Варистор обычно изготавливается в небольшом круглом корпусе с проволочными выводами, что его позволяет монтировать непосредственно на клеммы твередотельного реле.

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

Для твердотельных реле KIPPRIBOR рекомендуем использовать варистор KIPPRIBOR GVR-20D681K. 680 VAC. Ø 19 мм.


Защита цепей ТТР.

Правило подбора защитного диода для ТТР HD-xx25.DD3

При использовании ТТР HD-xx25.DD3 для коммутации индуктивной нагрузки, выход ТТР необходимо защищать от напряжения самоиндукции. Самым недорогим и распространенным способом такой защиты является установка шунтирующего диода параллельно индуктивной нагрузке. В установившемся режиме диод не оказывает никакого влияния на работу схемы. При отключении нагрузки, когда возникает напряжение самоиндукции, обратное по полярности рабочему напряжению, диод открывается и шунтирует индуктивную нагрузку.

Правило выбора диода:

· Рабочий ток и обратное напряжение диода должны быть сравнимы с номинальным напряжением и током нагрузки. Для ТТР HD-xx25.DD3 вполне подойдет кремниевый диод 1N5399 с максимальным обратным напря-жением 1000 VDC и максимальным импульсным током до 50 А;

· Выводы диода должны быть как можно короче;

· Выводы диода следует подключать непосредственно к нагрузке;

· При подключении диода к нагрузке не используйте длинные соединительные провода.


Конструктивные особенности твердотельных реле KIPPRIBOR

Основание твердотельного реле - это теплопроводящая металлическая основа твердотельного реле, необходимая для отвода тепла от коммутационного элемента ТТР к радиатору охлаждения. Может быть изготавлено из алюминиевого или из медного сплава.

Материал основания твердотельного реле можно отличить визуально: основание изготовленное из алюминиевого сплава, имеет матовый бледно-серый цвет, а основание из медного сплава напоминает вид матовой стали, а иногда может иметь практически зеркальную шлифованную поверхность. Медное основание имеет несвойственный ему зеркально-стальной вид, вследствие покрытия его дополнительным слоем никеля, что исключает окисление меди при длительном либо неверном хранении.

Основание ТТР из медного сплава - наиболее эффективное для твердотельного реле с точки зрения теплоотдачи. Поскольку теплопроводность меди значительно выше чем у алюминия, процесс отвода тепла от коммутационного элемента ТТР происходит значительно быстрее и эффективнее. Следовательно ТТР с медным основанием (в отличии от реле с алюминиевым основанием), более эффективно выдерживает «пиковые» нагрузки и эффективнее работает в сложных условиях эксплуатации, однако медь имеет чуть более высокую стоимость, относительно алюминия.

Основание из аллюминиевого сплава - более дешевое. Поскольку алюминиевое основание твердотельного реле менее эффективно по сравнению с медным, его применяют в бюджетных сериях продукции и исключительно для коммутации малых нагрузок.

Теплопроводящая паста – это паста на силиконовой основе, обладающая хорошей теплопроводностью. Используется в электронных устройствах для отвода тепла от компонентов, смонтированных на радиаторе. Применение теплопроводящей пасты при монтаже твердотельного реле на радиатор охлаждения, значительно улучшает теплопередачу от реле к радиатору. Повышение эффективности теплоотдачи происходит за счет заполнения мелких пустот между поверхностями реле и радиатора, поскольку идеально ровных поверхностей не бывает. Наиболее распространенной маркой теплопроводной пасты является паста КПТ-8 в тюбиках, с рабочей температурой от минус 60° до +180° С.


Радиаторы KIPPRIBOR для ТТР

Необходимость применения и выбор радиаторов серии РТР для твердотельных реле KIPPRIBOR

Почему необходимо применять радиатор для ТТР

Твердотельные реле (ТТР) обладают множеством достоинств, однако, как и все электронные приборы, имеют один ощутимый недостаток – выделение тепла при работе.

На первый взгляд это не создает проблем в эксплуатации, поскольку реле выделяет тепло в окружающее пространство, и, в большинстве случаев, это допустимо и даже наоборот полезно, например, для подогрева оборудования, используемого в прохладной зоне. Чем больше будет ток нагрузки, тем большее количество тепла будет выделять твердотельное реле.

Однако у любого устройства есть предельное значение рабочей температуры, превышение которого может сократить срок его службы либо вовсе стать причиной его неисправности. Конечно, чтобы предотвратить перегрев устройства можно оснастить его термовыключателем (он присутствует в большинстве электронных устройств и отключает их при чрезмерном перегреве).

Однако для твердотельного реле простого отключения при превышении температуры недостаточно. ТТР - это полупроводниковое устройство, поэтому допустимой ток его нагрузки зависит от температуры. Чем выше температура твердотельного реле, тем меньшей нагрузкой оно способно управлять - т.е. зависимость между температурой реле и допустимым током нагрузки обратная.

Допустимая величина тока нагрузки, указанная на корпусе твердотельного реле и присутствующая в его обозначении, справедлива при температуре нагрева самого реле не выше 40 град.С (это справедливо для ТТР любого производителя). Если же температура ТТР превысит 40 град.С, то допустимое значение тока нагрузки уменьшится. Например, при нагреве ТТР до 70град., допустимый ток нагрузки через него составит всего 50% от указанного на шильдике значения тока. На практике нагрузка с током потребления свыше 5А уже приводит к нагреву ТТР более 40град. Поэтому для соблюдения условий эксплуатации ТТР крайне важно предпринимать меры по ограничению их нагрева свыше допустимого номинального значения температуры.

Самым эффективным способом отвода тепла от твердотельных реле является применение радиаторов охлаждения РТР.

ВНИМАНИЕ! – Помните, что использование радиаторов охлаждения совместно с ТТР обязательно при управлении нагрузкой свыше 5А! Несоблюдение этого требования приведет к выходу твердотельного реле из строя.


Рекомендации по применению радиаторов охлаждения

  1. При подборе радиатора охлаждения учитывайте, что не существует однозначного соответствия между током нагрузки через реле и типом необходимого радиатора, а приведенные в таблице рекомендации удовлетворяют стандартным условиям эксплуатации (температура среды 20гр, наличие циркуляции воздуха и т.п.). Поэтому радиатор охлаждения следует выбирать с некоторым запасом по току либо увеличивать его эффективность, дополнительно устанавливая вентилятор обдува.
  2. Перед установкой твердотельного реле на радиатор необходимо очистить их поверхности от пыли и загрязнений. А при установке ТТР на радиатор убедиться в отсутствии посторонних частиц.
  3. Поверхности ТТР и радиатора охлаждения не могут быть идеально ровными, поэтому для обеспечения эффективного теплоотвода необходимо проводить установку ТТР на радиатор с использованием теплопроводящей пасты, например КПТ-8. Применение теплопроводной пасты позволяет заполнить воздушные пустоты между поверхностью радиатора и основанием ТТР, повышая эффективность теплоотдачи от ТТР к радиатору.
  4. При монтаже всегда используйте крепежные винты с целью максимально плотного прилегания поверхностей ТТР и радиатора.
  5. Всегда располагайте радиатор охлаждения таким образом, чтобы потоки естественной циркуляции воздуха проходили вдоль рёбер охлаждения радиатора, в противном случае эффективность применения радиатора заметно снизится.
  6. При установке радиатора охлаждения внутри оборудования либо монтажного шкафа позаботьтесь о том, чтобы ничего не препятствовало естественной циркуляции воздуха через радиатор охлаждения.

ВНИМАНИЕ! При несоблюдении указанных рекомендаций эффективность использования радиатора заметно снижается, что приводит к перегреву установленного на нем ТТР и, возможно, последующему выходу реле из строя.