При создании различных электрических устройств и систем часто требуется управляемая коммутация. Обычно используемые для этого электромеханические реле обладают рядом недостатков (главные из них большие габариты, необходимость подачи сигналов большой мощности в управляющие цепи, небольшой срок службы).
Эффективно преодолеть эти недостатки можно переходом на новую элементную базу. Одной из таких разработок, которая успешно вытесняет традиционную технику, стали элементы, известные под названием твердотельного реле.
Конструкция
В основу конструкции твердотельного реле положены два блока: электронный ключ и цепи управления, которые под воздействием стандартизованных входных сигналов переводят ключ в одно из двух допустимых состояний: открытое и закрытое.
Электронные компоненты реле оформлены в виде сборки, корпус которой снабжен необходимыми выводами, в т.ч. заземляющим и готов для установки в схему. Корпус некоторых моделей имеет соответствующие вырезы для прямой установки на DIN-рейку. На рисунке 1 показан типичный пример оформления корпуса реле.
В качестве ключевого элемента реле используют:
- обычные или полевые транзисторы различной структуры для реле постоянного тока;
- тиристоры или семисторы для реле переменного тока.
Типовое решение по обеспечению надежной гальванической развязки силовых и управляющих цепей – различные оптронные схемы с пробивной стойкостью до нескольких тысяч вольт. Пример одной из них приведен на рисунке 2.
Из-за сравнительно малой мощности выходных цепей оптрона его дополняют усилителем. Альтернативным способом решение этой проблемы считается реализация выходного каскада реле по схеме Дарлингтона.
Устойчивость функционирования ключа в условиях характерного для фокусной области применения нестабильности напряжения достигнута введением внутреннего стабилизатора напряжения.
Полупроводниковые элементы монтируются на печатной плате, которая устанавливается в герметичном корпусе. На внешней поверхности корпуса предусмотрены соответствующие контакты для силовых и управляющих цепей.
Типичная схема включения реле показана на рисунке 2. Каких-либо серьезных отличий от электромеханических аналогов она не имеет.
Преимущества и недостатки
По сравнению с классическим реле его твердотельный аналог обладает рядом преимуществ.
В их числе:
- высокое быстродействие, обусловленное отсутствием массивных подвижных частей;
- возможность эксплуатации во взрывоопасных средах из-за отсутствия электрической дуги, возникающей в момент разрыва электрических контактов
- жесткая характеристика управления без гистерезиса и дребезга;
- хорошие массогабаритные показатели.
По токовой нагрузочной способности (до 150 А) старшие модели твердотельных реле не уступают своим электромеханическим аналогам. Одновременно эти элементы успешно конкурируют с традиционными реле и контакторами по функциональным возможностям. Например, они способны обеспечивать прямое управление даже мощными электродвигателями. Кроме того, часть элементов этой разновидности штатно допускает работу в цепях не только постоянного, но и переменного тока.
Главными недостатками считаются:
- плохая устойчивость к перегрузкам и высокая вероятность выхода из строя при коротком замыкании;
- сравнительно высокое сопротивление в открытом состоянии, в результате чего в некоторых случаях требуется дополнительное принудительное охлаждение;
- типовая для полупроводниковых ключей высокая нелинейность выходной вольт-амперной характеристики.
Заключение
Твердотельное реле представляет эффективную замену традиционных электромеханических устройств и может быть рекомендовано для применения при создании широкого класса электротехнических устройств.