Твердотельное реле - принцип работы и схемы подключения

Твердотельные реле. Принцип работы и схема включения

 

SSR (твердотельное реле) OMRON

Твердотельные реле применяют сейчас в промышленном оборудовании, там где нужна большая надежность и малые габариты. У твердотельных реле есть аббревиатура на русском – ТТР. По-английски название звучит Solid State Relay, SSR. То есть, ТТР и SSR – одно и то же.

Как не трудно догадаться, основной минус этих устройств – цена, но в этой статье поговорим о преимуществах и особенностях этих замечательных устройств.

Принцип работы и устройство твердотельных реле

Итак, что такое обычное реле? Это устройство, которое имеет контакты, и катушку управления. Контакты приводятся в действие (замыкаются, или размыкаются, не важно) подачей напряжения на катушку реле. То есть, нужно некоторое управляющее (активирующее) напряжение, которое приводит в действие контакты.

В твердотельном реле – то же самое. Есть управляющее напряжение (постоянное или переменное, разного уровня, зависит от типа реле), и есть «контакты», которые замыкаются. Почему «контакты» в кавычках – потому что их реально нет, их роль выполняют полупроводниковые (твердотельные, отсюда и название) приборы. Как правило, тиристоры или симисторы (для коммутации переменного тока) и транзисторы (для постоянного тока).

Твердотельное реле OMRON. Управляющие контакты — на переднем плане

В принципе, любой ключевой транзистор можно назвать твердотельным реле.  Например, в датчике движения или датчике освещенности на выходе стоит транзистор, который подает напряжение на обычное реле. Обычное реле применяется не только для увеличения коммутируемого тока. Транзистор может пропускать ток только в одном направлении, а вот симистор или тиристоры, используемые в твердотелках, прекрасно пропускают переменный ток (ток в обоих направлениях).

Так же, как и в обычных реле, в твердотельных существует гальваническая развязка между напряжением катушки и напряжением на силовых контактах. Только в «электромеханических» реле это достигается за счет разнесения в пространстве, а в твердотельных – за счет оптической развязки. Т.е, на входе стоит оптрон.

Твердотельные реле потребляют и теряют гораздо меньше энергии при работе, имеют меньшие габариты, высокое быстродействие, гораздо более длительный срок службы и всё это — абсолютно бесшумно!

Однако не стоит впадать в эйфорию, контакторы и реле прекрасно справляются со своими функциями не только в быту, но и в промышленной аппаратуре. И в обозримом будущем твердотельные реле их полностью не заменят, это точно.

Области применения твердотельных реле

Твердотельное реле применяются там, где нужен принцип «поставил и забыл». А обычные контакты даже производитель рекомендует чистить через несколько тысяч циклов замыканий.

У нас на предприятии на одном станке стоят соленоидные клапаны с питанием 24VDC 2А. Эти два клапана соединены параллельно, и включаются-выключаются с частотой примерно 1 раз в секунду. Питание идёт через реле. И, несмотря на то, что номинальный ток реле 10А индуктивной нагрузки, приходилось менять его каждый месяц-два. Поставили мы твердотелку – и забыли, работает без шума и проблем уже два года.

ТТР очень выгодно использовать там, где обычные контакты плохо справляются и горят как свечи, как в приведенном случае. То есть, нужна надежность. Например, когда надо часто коммутировать индуктивную нагрузку, где контакты залипают или выгорают. Либо, критическое значение имеет габариты устройства.

Что такое контактор и как его применить и выбрать — в моей статье.

А если Вам вообще интересно то, о чем я пишу, подписывайтесь на получение новых статей и вступайте в группу в ВК!

Часто ТТР применяют в системах регулирования температуры, где используются ТЭНы. Обычный пускатель (если ТЭН на 3 кВт и больше) развалится через год. Ведь, если нужна большая точность поддержания температуры и выставлен небольшой гистерезис, ТЭН будет включаться-выключаться очень часто. Самому ТЭНу от этого «не холодно, не жарко», а вот контактору придётся потрудиться в поте лица.

Применение в климатической камере 40А

На фото показано практическое применение. Климатическая камера, ТЭН 2,2 кВт, в защите — автомат С16. Управление с контроллера температуры. Щёлкает с периодом 2 секунды.

Виды ТТР

Где купить такие реле, не выходя из дома — см. ссылки в конце статьи.

Твердотельные реле по устройству и принципу работы можно разделить на следующие разновидности:

• По виду управляющего напряжения – переменное или постоянное (дискретные). Иногда на вход подключается переменный резистор, т.е. используется аналоговое управление, соответственно и выходное напряжение меняется плавно, как в диммере для освещения.
• По виду коммутируемого напряжения – переменное или постоянное.
• По количеству фаз для переменного напряжения – одна или три.
• Для трехфазных – с реверсом или без.
• По конструкции – монтаж на поверхность или на ДИН-рейку. Хотя, практически все производители предлагают переходные планки для универсального монтажа.

Кроме того, стандартной опцией для коммутации переменного напряжения является переключение в момент перехода через ноль.

(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

Выше уже было фото ТТЛ, у которого вход — постоянное напряжение, выход — переменное (АС-DC). Вот ещё какие реле у меня есть сейчас под рукой:

SSR OMRON DC-DC. Вход — постоянное напряжение до 24 В, выход — тоже постоянное, до 200 В

SSR FOTEK DC-DC — твёрдотельные реле постоянного тока

Этими двумя моделями реле удобно коммутировать нагрузку с постоянным напряжением 24 Вольта, когда управляющий сигнал (тоже 24 В) приходит с выхода контроллера или с датчика. Можно сказать, что это такие компактные усилители тока. Причем коэффициент усиления при этом — около 1000, поскольку ток управляющей цепи — менее 10 мА.

Дальше-больше. Ниже показано трехфазное твердотельное реле. На его входы R, S, T подается три фазы 380В, а с его выходов U, V, W напряжение подается на асинхронный двигатель или трехфазный ТЭН.

Fotek 3 phase. Трехфазное твердотельное реле

Это реле работает (по результатам работы) примерно, как магнитный пускатель с катушкой 24 VDC.

Как подключить электродвигатель через магнитный пускатель — подробно расписано на сайте здесь.

Управляющие контакты показаны поближе:

Fotek 3 phase. Входные управляющие контакты

Видите на фото, под управляющие контакты предусмотрено ещё одно место, которое в данном случае не используется? На этом месте у другой модели подается сигнал реверса. То есть, при подаче на один вход фазы через реле коммутируются для прямого вращения двигателя, при подаче на другой вход — для обратного.

Кто не в курсе — прямое вращение — это когда двигатель крутится по часовой стрелке, если смотреть ему «в зад». Как поменять направление вращения двигателя — поменять местами любые две фазы.

По теме рекомендую почитать мою статью по трем фазам и отличии трехфазного питания от однофазного.

Трехфазные реле с реверсом бывают с коммутацией двух фаз, третья подключена к двигателю постоянно.

А теперь представьте, столько места занимает и сколько шума при работе создает обычное реверсивное реле на такой ток? То-то и оно!

Вот такое же ТТЛ, но помощнее и с управлением от переменки 220В.

Fotek TSR-40AA-H 3 phase 40A

Если кому-то придёт в голову, можно кнопкой звонка или герконом запускать двигатель мощностью 10 кВт!

С мощностью не всё так оптимистично, но об этом в конце статьи.

В следующем разделе статьи показана схема, кнопка звонка может стоять как раз в цепи управления.

Схемы включения

Управление твердотельными реле схемотехнически такое же, как и у обычного реле. Ниже упрощенно показана схема включения:

Схема включения твердотельного реле

Схема показана для реле, у которого управляющее напряжение постоянное, от 5 до 24 Вольт. Данное реле может коммутировать переменное напряжение до 240 Вольт, ток до 20 А.

С током не всё так просто, но об этом ниже.

Как работает схема. На вход (контакты 3 и 4, соблюдать полярность!)  подается управляющее напряжение от источника 24В. Подается оно через цепь управления, которая представлена как НО контакт. Этим контактом может быть и обычное реле, и выход контроллера, и датчик с релейным выходом или транзисторным выходом типа PNP.

Про НО контакты и PNP выходы датчиков я подробно написал в этой статье. Очень рекомендую!

Пример включения трехфазного реле — на фото ниже:

Включение трехфазного твердотельного реле

Как видно, реле не совсем трехфазное, одна фаза подается на двигатель постоянно, что может стать причиной опасности.

Та же особенность бывает в устройствах плавного пуска.

На корпусе реле напечатана его схема включения, где всё понятно. Реле реверсивное, и у него два входа — Forward и Reverse (Вперёд/Назад). Для реверса фазы L1 и L2 меняются местами.

Важно — внутри реле нет блокировки от одновременного включения в обоих направлениях, и ее надо обеспечить аппаратно (блокировочные контакты кнопок/реле) и программно (если управление — от контроллера). Если это не предусмотреть, то вероятна ситуация, когда силовые выходы 1, 2, 3, 4 будут замкнуты накоротко .

Выбор твердотельных реле, защита и особенности работы

Обычное реле и контактор без особых проблем выдерживают кратковременные перегрузки до 150 и даже 200% от номинала. Особенно, если не коммутировать нагрузку с таким током, а повышать ток после замыкания, и понижать перед размыканием.

Обычные контакты могут выдержать и кратковременный ток КЗ, если сработает защита с правильной уставкой тока. Просто, возможно, придётся потом контакты почистить.

Твердотельные реле от перегрузок страдают сильнее, за пол периода портятся безвозвратно, и контакты потом не почистить, из-за отсутствия таковых.

Это как в звукотехнике. Ламповая техника при перегрузках чувствует себя нормально, только слегка «потеет», а транзисторы начинают жутко искажать сигнал и могут выйти из строя. За это до сих пор так ценятся ламповые усилители, за их мягкий, бархатный звук на предельных мощностях. Другое дело, что источников качественного сигнала сейчас практически нет, всё заполонил mp3 128kbps, и то в лучшем случае. Но это тема отдельной статьи…

Если при выборе контактора достаточно выбрать запас в 10-20% и защитить его обычным автоматом, то с твердотельными устройствами всё сложнее.

Поэтому для твердотельных реле рекомендуется для активной нагрузки (лампы, ТЭНы) запас по номинальному току в 2-4 раза. При пуске асинхронных двигателей из-за большого пускового тока запас по току нужно увеличить до 6-10 раз.

То есть, трехфазная твердотелка Fotek TSR-40AA-H на 40А, показанная на фото чуть выше, на своих 40 амперах работать вряд ли будет. Мощность двигателя, которую можно коммутировать в данном случае — от 2,2 кВт до 5 кВт. Причём двигатель 5 кВт (это около 10А) должен запускаться обязательно на холостом ходу, с минимальным пусковым моментом, а нагрузку к нему прикладывать можно после пуска и разгона.

Кстати, с индуктивной нагрузкой твердотельные реле могут вести себя неадекватно, у меня бывали проблемы. В случае высокоиндуктивных нагрузок (трансформаторы, катушки с магнитопроводами, электрические звонки, и т.п.) нужно параллельно нагрузке включать RC-цепь (снабберную цепь из последовательных резистора и конденсатора) для уменьшения влияния противо-ЭДС. Кроме того, эта цепь уменьшает общую индуктивность нагрузки, т.е. делает её более активной. И ТТР легче работать.

Напоследок — защита при КЗ

Производители рекомендуют использовать специальные предохранители для твердотельных приборов:

• gR — предохранители для всего диапазона рабочих токов, для защиты полупроводниковых элементов(более быстродействующие , чем gS)
• gS — предохранители для всего диапазона рабочих токов, для защиты полупроводниковых элементов, при повышенной загрузке линии.
• aR — предохранители для всего диапазона рабочих токов, для защиты полупроводниковых элементов от короткого замыкания.

Такие предохранители стоят дорого (сравнимы со стоимостью самого твердотельного реле), поэтому в большинстве случаев можно использовать защитные автоматы класса В. Чем же они хороши и как они спасут наши твердотельные реле от выгорания при КЗ?

Напомню, в 99% везде встречаются автоматы класса С. Класс D ставят в качестве вводных рубильников и при больших пусковых токах (мощные двигатели, трансформаторы). А класс В — самый чувствительный, срабатывает раньше всех.

Рекомендую почитать мою жарко-летнюю статью по выбору и замене защитных автоматов.

Кстати, гуру электрики и электропроводки, cs-cs.net, предлагает дома ставить автоматы только В класса. И некоторые производители — рекомендуют ставить В класс на электроплиты, водонагреватели — туда, где нет двигателей и пусковых токов.

Почему — поясню на графике.

Кривые отключения или токо-временные характеристики

Подробно про выбор защитного автомата рассказано в другой статье.

Но мы вернёмся к нашему трехфазному твердотельному реле Fotek TSR-40AA-H на 40А, про которое я писал выше. Чтобы его гарантированно защитить от КЗ, надо обязательно поставить вот такой автомат:

Автомат с характеристикой В6 (обведено красным)

Он мгновенно сработает при токе 20…30 Ампер и спасет твердотелку. А от перегруза надо будет поставить мотор-автомат на ток 4-6,3 А. И это всё будет питать двигатель на 2,2 кВт. Либо ТЭН, тогда мотор-автомат не нужен.

Вроде всё, пишите, у кого какой опыт по применению!

Вот нарыл в свободном доступе файлы, возможно, написано информативнее, чем у меня:

• Твердотельные реле Фотек / Твердотельные реле Фотек. Руководство пользователя. Рассмотрена вся линейка Fotek, даны рекомендации по применению и схемы включения., pdf, 757.78 kB, скачан:1289 раз./
• Твердотельные реле – устройство и принцип работы / Подробно изложено, как устроены и работают твердотельные реле, приведены схемы включения, и т.п. Автор, отзовись!, pdf, 414.19 kB, скачан:1504 раз./

Где купить твердотельные реле

Если вы живете в крупном городе, то лучше конечно поехать в ближайший магазин — и через час реле можно устанавливать. Но, например, у меня в Таганроге такие реле — только под заказ, и купить их можно только через фирмы в Ростове.

Поэтому, на сегодняшний день лучший вариант — покупать твердотельные реле в интернете, в интернет-магазинах. Например, вот магазин. Чем он хорош — приемлемые цены, а главное — есть бесплатный телефон, можно пообщаться с живым человеком и узнать о доставке, скидках, и т.п.

Другой вариант — заказать через АлиЭкспресс. Цены примерно те же, но минус в том, что доставка может быть более месяца.

Вот, наискал для примера несколько ссылок, какие реле и почём можно купить:

DC/AC, 1 фаза, 40А. [urlspan]Fotek SSR-40DA[/urlspan]

AC/AC, 1 фаза, 40А. SSR-40AA-H. Можно коммутировать 220В-220В переменки.

DC/AC, 3 фазы, 40А. 40DA TSR-40DA-H. (Платная доставка, в других пунктах доставка входит в цену сразу). Превосходный вариант для удаленной коммутации нагрузки 380В. По двужильному кабелю подаем питание 4…32 Вольта постоянного тока, а на удалении стоит этот девайс и включает наш двигатель или ТЭН.

AC/AC, 3 фазы, 25А. [urlspan]SSR3-A4825HK 25A AC-AC[/urlspan]. Можно без проблем включать трехфазный двигатель мощностью до 3 кВт или ТЭН мощностью до 5 кВт. Внимательно подходите к вопросу защиты! В случае с двигателем реле надо защищать трехполюсным автоматом 6 или 10А с характеристикой С или D, при этом двигатель защищать тепловым реле, с уставкой соответственно току двигателя. С ТЭНом — свободы немного больше, поскольку пусковых токов нет. Автомат — до 16А, хар-ка В или С.