Твердотельные реле: невидимые герои управления мощностью

Что же из себя представляет твердотельное реле (ТТР или в английском варианте SSR)? Это маленькое на вид устройство способно коммутировать высокомощные цепи с током нагрузки до 600 А с помощью маломощных сигналов управления. Как оно работает, где применяется и способно ли вытеснить электромеханические и электромагнитные реле?

Структура и компоненты твердотельного реле

• Входная цепь, которая принимает сигнал и передает команды устройству реле, коммутирующему нагрузку.
• Оптическая развязка используется для изоляции входной и выходной сети переменного тока.
• Схема перехода через ноль, управляющая ТТР и предполагающая срабатывание только при нулевом значении напряжения.
• Триггерная цепь – отдельный элемент, обрабатывающий входной сигнал и переключающий выход.
• Цепь переключателя подает силу напряжения, включает в себя транзистор, симистор и кремниевый диод.
• Цепь защиты может быть внешней или внутренней, защищает устройство от сбоев или возникновения ошибок.

Структурная схема твердотельного реле

Принцип действия ТТР

Управляющий сигнал взаимодействует с управляемым посредством создания гальванической развязки, то есть передача энергии и информации между электрическими цепями происходит при отсутствии непосредственного электрического контакта между ними. Сигнал передается с помощью оптического излучения. В ТТР гальваническую развязку осуществляет электронный прибор, состоящий из излучателя света и фотоприемника.

Схема оптрона (оптопары)

Управляющее напряжение питает светодиод, освещающий фотодиод, ток на котором включает тиристор, чтобы управлять нагрузкой. Принцип работы такого оптрона заключается в преобразовании электрического сигнала в свет, его передаче по оптическому каналу и последующему преобразованию обратно в электрический сигнал.

Преимущества твердотельных реле в сравнении с традиционными

Самым большим преимуществом твердотельных реле над электромагнитными и электромеханическими является отсутствие подвижных механических контактов, что позволяет выделить такие качества как:

• высокая надежность и длительный срок службы;
• быстродействие;
• отсутствие дребезга контактов, что снижает уровень помех и обеспечивает стабильность работы аппарата;
• отсутствие скачка напряжения при переключении;
• устойчивость к воздействию внешних электромагнитных полей;
• малое энергопотребление;
• меньшие габариты и вес;
• отсутствие искры, что позволяет использовать устройство на взрыво- и пожароопасных объектах;
• отсутствие акустического шума от работы механических контактов.

Недостатки твердотельных реле: стоит ли опасаться?

Даже при таком большом количестве преимуществ у ТТР есть недостатки, которые не позволяют им полностью вытеснить электромеханические и электромагнитные реле.

Для стабильной работы мощных ТТР важен эффективный отвод тепла, поскольку если температура будет превышать допустимую, это приведет к искажению напряжения нагрузки.

Также к минусам твердотельных реле можно отнести:

• более высокую стоимость по сравнению с электромеханическими реле;
• критическое снижение рабочих параметров при температурах ниже минус 30 °С и выше +70 °С;
• компактный корпус, который приводит к избыточному нагреву устройства при стабильно высоких нагрузках и требует применения специальных устройств охлаждения;
• возможность расплавления устройства от нагрева при коротком замыкании;
• чувствительность к высоким токам, особенно в пусковых цепях электродвигателей.

Таким образом, в цепях высоковольтного промышленного оборудования их использование резко ограничено из-за несовершенных физических свойств полупроводниковых материалов. Однако в бытовой технике и автомобильной промышленности твердотельные реле занимают уверенные позиции.

Классификация и сферы применения ТТР

Сферы применения реле разнообразны, поэтому и их конструктивные особенности могут сильно отличаться. ТТР классифицируют по следующим параметрам:

• количество подключенных фаз

Однофазные ТТР обеспечивают работу с токами 4…600 А. Их управление производится с помощью аналогового сигнала. Трехфазные ТТР способны пропускать ток в 4…100 А. Часто используются для обеспечения работы асинхронного двигателя.

• виды рабочего тока и напряжения

Большинство ТТР работает с переменным напряжением и током. Устройства с постоянным управляющим током выдерживают высокий диапазон температур без значительного изменения характеристик.

• конструктивные особенности

Многие модели ТТР имеют монтажную колодку для крепления на DIN-рейку. Кроме того, существуют специальные радиаторы, которые располагаются между ТТР и поверхностью рейки. Нагрев твердотельных реле при коммутации нагрузки обусловлен электрическими потерями на силовых полупроводниковых элементах. В связи с этим работа таких ТТР требует отвода тепла, поэтому важно выбирать правильный охладитель.

Применение радиатора для охлаждения ТТР

Корпуса ТТР выполнены из специального пластика, обладающего высокой термостойкостью. Данный материал аналогичен
по своим свойствам карболиту, но не обладает хрупкостью. Прочные свойства корпуса обеспечивают его целостность даже при возникновении короткого замыкания. А медное основание позволяет отводить избыточное тепло от силового элемента с максимальной эффективностью.

• типы схемы управления

Самая распространенная схема управления ТТР – контроль «через ноль». Такой вариант управления твердотельным реле предполагает срабатывание только при значении напряжения, равном 0.

Твердотельные реле нашли свое применение в телекоммуникационных устройствах, таких как факс, модем, многофункциональные телефоны, беспроводные телефоны, автоответчики, аппаратура систем безопасности.

ТТР часто используются в приборостроении и системах промышленной автоматики, например, в качестве выходных реле программируемых контроллеров, драйверов контакторов, электродвигателей, обмоток, индикаторов и дисплеев.

Также твердотельные реле могут быть использованы для поддержания температуры в технологических процессах. ТТР коммутируют цепи управления трубчатых электронагревателей, контролируют работу трансформаторов, осуществляют регулировку освещения, используются в схемах датчиков движения, освещения, фотодатчиков для уличного освещения.

Пример использования ТТР

Что ждет ТТР в условиях меняющегося рынка электроники?

В условиях меняющегося рынка электроники твердотельные реле продолжают играть важную роль благодаря своим уникальным характеристикам, таким как высокая надежность, быстрая реакция и отсутствие подвижных частей. С увеличением спроса на автоматизацию и энергосберегающие технологии, прогнозируется рост внедрения ТТР в различные области, включая автомобилестроение, промышленную автоматизацию и бытовую электронику.

Однако для того чтобы оставаться конкурентоспособными, производителям необходимо будет активно адаптироваться к изменениям в потребительских предпочтениях, внедрять инновационные решения и обеспечивать высокую степень интеграции с современными цифровыми системами. В результате возможен переход к более интеллектуальным и многофункциональным устройствам, которые будут отвечать требованиям устойчивого развития и повышенной энергоэффективности.