В этой статье вы узнаете о том, что такое твердотельное реле (SSR), принципе их работы и методах управления.
Твердотельное реле (SSR — Solid State Relay) — это разновидность обычного электромеханического реле или контактора, нашедшая на сегодняшний день широкое применение в промышленности.
То есть также как и обычное реле, твердотельное служит для коммутации мощной нагрузки с помощью небольшого управляющего сигнала. В отличии от электромеханического реле твердотельное не имеет механических подвижных контактов, оно выполнено полностью на полупроводниковых элементах.
Переключение твердотельных реле осуществляется с помощью полупроводниковых элементов, таких как симистор, транзистор, благодаря чему значительно увеличивается быстродействие, по сравнению с обычными электромеханическими реле.
Использование SSR позволяет значительно повысить срок эксплуатации реле, избавиться от шума и дребезга контактов, сократить собственное энергопотребление, исключить электромагнитные помехи при включении.
Но с другой стороны у твердотельных реле есть и ряд минусов.
Во первых твердотельные реле при работе сильно нагреваются, что обусловлено электрическими потерями на силовых полупроводниковых элементах. И чем больше мощность нагрузки, тем больше нагрев.
Поэтому им необходимо обеспечить хороший теплоотвод. Для этого необходим охлаждающий радиатор, а при «тяжелых» режимах работы еще и вентилятор.
Нормальной температурой реле, не влияющей на снижение эффективности работы считается примерно 40°C. При повышении температуры до 60°C твердотельные реле могут работать нестабильно, даже выйти из строя.
Во вторых это конечно цена, которая на сегодняшний день превышает цену обычных контакторов.
В третьих необходимо помнить, что твердотельные реле всегда необходимо выбирать с запасом по номинальному току в 2-4 раза, а в случае с индуктивной нагрузкой в 6-10 раз, что неизбежно приводит опять же к увеличению стоимости реле.
Но даже несмотря на эти недостатки, при грамотном подходе к выбору использование твердотельных реле полностью себя оправдывает. Например там, где частота включений-выключений нагрузки очень высокая, обычные контакторы могут не справляться со своими обязанностями из-за ограниченного ресурса коммутаций, а твердотельные реле могут спокойно работать годами. Наиболее широко твердотельные реле применяются в системах нагрева и температурного контроля.
Принцип действия твердотельных реле
Как говорилось ранее, твердотельные реле (SSR) не имеют подвижных частей. Они состоят из электронных компонентов.
Одним из основных компонентов твердотельного реле (SSR) является оптрон, который содержит один (или более) инфракрасный светодиод и фоточувствительный элемент в одном корпусе. С помощью оптрона обеспечивается гальваническая развязка.
Входная схема SSR может состоять только из одного токоограничивающего резистора, подключенного последовательно со светодиодом оптоизолятора, или из более сложной схемы с выпрямлением, регулированием тока, защитой от обратной полярности, фильтрацией и т.д.
Чтобы активировать или включить реле, на его вход (эквивалентно катушке электромеханического реле) должно быть подано напряжение, превышающее его минимальное значение. Этот сигнал постоянного тока может быть получен от механического переключателя, логического элемента или микроконтроллера, как показано на рис. ниже.
При использовании механических контактов, переключателей, кнопок и т. д. в качестве активирующего сигнала, напряжение питания может быть равно минимальному значению входного напряжения SSR, тогда как при использовании твердотельных устройств, таких как транзисторы, вентили и микроконтроллеры, минимальное напряжение должно быть на один или два вольта выше напряжения включения SSR, с учетом внутреннего падения напряжения коммутационных устройств.
Помимо этого также встречаются реле, которые управляются переменным напряжением.
В этом случае на вход постоянного тока добавляется мостовой выпрямитель для двухполупериодного выпрямления и схема фильтра.
Выходной сигнал твердотельного реле также может быть переменным или постоянным, аналогично входам.
Для большинства SSR постоянного тока в качестве коммутирующего устройства обычно используются транзисторы, тогда как для SSR переменного тока такими являются либо симисторы, либо обратные тиристоры.
Способы коммутации твердотельных реле
По способу коммутации твердотельные реле делятся на два основных типа:
1. Управление с контролем перехода через 0
Данный метод заключается в том, что при подаче управляющего сигнала на вход, на выходе реле включится только когда значение переменного напряжения достигнет нулевого уровня.
Благодаря такому методу уменьшается начальный бросок тока, снижается уровень электромагнитных помех.
Минус такого типа реле в том, что они не способны коммутировать высокоиндуктивную нагрузку.
Реле данного типа используются для коммутации резистивных (ТЭНЫ, лампы накаливания), емкостных ( помехоподавляющие фильтры), слабоиндуктивных нагрузок (соленоиды, клапаны).
2. Фазовое управление
Данный метод интересен тем, что при изменении какого-либо параметра на входе, на выходе можно менять величину выходного напряжения, тем самым регулируя мощность нагрузки.
Реле такого типа можно управлять индуктивными и резистивными нагрузками, регулировать мощность нагревательных элементов.
Расшифровка номенклатуры твердотельных реле
На примере реле BDH 20044 ZD3 фирмы KIPPRIBOR рассмотрим как расшифровываются их технические характеристики:
B — Тип корпуса промышленного исполнения
D — Однофазное реле
H — Тип выходного силового элемента — тиристор SCR типа на керамической подложке. Представляет из себя полупроводниковый ключ, выполненный методом нанесения на металлическое основание изолирующей керамической подложки, на которую затем наносятся кристаллы полупроводниковой структуры тиристора.
200 — максимальный допустимый ток нагрузки
44 — Номинальное коммутируемое напряжение 440 V AC
ZD3 — Тип управляющего сигнала коммутируемого напряжения 3-32 DC коммутация переменного тока
Подключение твердотельных реле
В качестве нагрузки возьмем обычную лампу накаливания. Один провод подключаем напрямую на лампу.
В разрыв другого провода подключаем выходные контакты реле.
На входные клеммы соблюдая полярность подключаем источник питания постоянного тока, в моем случае 12В. На белый провод подключаем плюсовой вывод, на красный — минус.
И выходные контакты сработали, лампа загорелась. О срабатывании реле также сигнализирует светодиод на его корпусе.
Вот и все, ничего сложного.
