Принцип работы и схема подключения твердотельного реле

Принцип работы и схема подключения твердотельного реле

ТТР (Твердотельное реле) (англ. SolidStateRelay (SSR) – полупроводниковое устройство, рассчитанное на управление изменений электрического тока. Главное назначение устройства – изоляция между цепями напряжения.

ТТР – регулятор мощности напряжения, обеспечивает правильную функциональность электрических систем различного оборудования, контролирует и управляет включением и выключением приборов.

Подключение твердотельного реле

Твердотельные реле –это полупроводниковые устройства, которые позволяют управлять мощными нагрузками при помощи слабого сигнала, и могут применяться вместо привычных электромеханических реле, магнитных пускателей и электрических контакторов.

Что такое твердотельное реле

Твердотельные реле используют для коммутации силовых цепей исполнительных механизмов в цепях постоянного и переменного тока (однофазных и трехфазных) или в цепях, где требуется непрерывная регулировка напряжения нагрузки:

• в системах управления нагревательными элементами (ТЭНах);
• для непрерывной регулировки систем освещения;
• для управления маломощными двигателями, электромагнитами, соленоидными клапанами;
• для коммутации оборудования с частыми переключениями.

Конструктивно твердотельное реле (ТТР, SSR) представляет собой заключенную в цельнолитой корпус электронную плату с узлом для приема и обработки управляющего сигнала, оптическим модулем, обеспечивающим гальваническую развязку входной и выходной цепей, узлом для управления выходным ключом. При подаче напряжения на клеммы реле управляющий сигнал через оптопару достигает электронного силового ключа, который включает/отключает питание нагрузки.

На внешней части корпуса реле попарно расположены промаркированные винтовые клеммы:

1. Для подключения управляющего сигнала – 3 и 4.
2. Маркировка и количество клемм подключения нагрузки зависит от типа реле:
• однофазное → 1 и 2;
• трехфазное → А1, В1, С1 – для фаз питания, А2, В2, С2 – для нагрузки;
• реверсивное → R, S, T – для трех фаз питающего напряжения, U, V, W – для обмоток двигателя.

По сравнению с электромеханическими реле у твердотельных реле есть ряд преимуществ, обусловленных заменой подвижной электромеханической части (якоря и механически связанных с ним контактов) на полупроводниковые элементы:

1. Компактные размеры, позволяющие монтировать ТТР при недостатке места для монтажа.
2. Высокая скорость срабатывания и отключения.
3. Отсутствие электромагнитных помех при срабатывании.
4. Надежная изоляция между цепями управления и коммутации.
5. Возможность регулирования нагрузки.
6. Длительный срок службы без технического обслуживания за счет отсутствия подвижных частей.
7. Стойкость к вибрации и ударным нагрузкам.
8. Малое потребления электроэнергии.
9. Широкая область применения благодаря устойчивой работе при перепадах напряжения и тока.

Варианты подключения

Твердотельное реле, схема подключения которого зависит от типа подключаемой нагрузки, подбирается по нескольким параметрам:

1. Характеристикам управляющего сигнала (переменный или постоянный).
2. Току нагрузки (индуктивный, резистивный, емкостный).
3. По количеству фаз нагрузки (одна или три).
4. По способу управления выходным сигналом:

• с коммутацией через ноль используется для уменьшения влияния помех и импульсных бросков тока в схемах с резистивной (ТЭНы, лампы накаливания), индуктивной (клапаны, катушки соленоидов), емкостной (синхронные двигатели) нагрузками – реле включает питание нагрузки в том случае, когда величина напряжения на выходе равна нулю;
• фазовое, предусматривающее ручную регулировку параметров управляющего тока, используется для плавного изменения мощности нагрева ТЭНов или яркости осветительных приборов;
• мгновенное, при котором реле без задержек срабатывает при подаче управляющего сигнала.

Подключение твердотельного реле имеет разнообразные схемные решения с включением дополнительных элементов, таких, как управляющие транзисторы, предохранители, варисторы, контроллеры, переменные резисторы:

1. Для подключения однофазной нагрузки, например, оборудования с аккумуляторным питанием, предназначена схема нормально-разомкнутого "контакта", включающая питание нагрузки при подаче постоянного напряжения на вход ТТР.
2. Для подключения систем освещения, нагревательных приборов и другого оборудования с питающим напряжением 220 В используется два варианта включения ТТР (с управляющим транзистором на входе):
• схема с нормально-разомкнутым "контактом", в которой питание на нагрузку поступает при подаче напряжения на входные клеммы управляющей цепи;
• схема с нормально-замкнутым "контактом", в которой подача напряжения на входные клеммы управляющей цепи отключает питание нагрузки.
3. Для управления однофазной нагрузкой двумя кнопками "Пуск" и "Стоп" существует схема с самоблокировкой. Особенность данной схемы в том, что управляющее напряжение подбирают равным нагрузочному.
4. Для коммутации трехфазной нагрузки применяют трехфазную схему с вариантами подключения "звезда", "треугольник", "звезда с нейтралью" в зависимости от особенностей работы оборудования, подключенному в качестве нагрузки. Возможно использование одного трехфазного твердотельного реле для подключения трех однофазных нагрузок одновременно.
5. Для изменения направления вращения электродвигателя используют реверсивную схему включения трехфазного ТТР с двумя контурами управления.

Подключение твердотельного реле к ТЭНу

Для примера рассмотрим, как подключить твердотельное реле к ТЭНуэлектрокотла или бойлера.Для этого нам понадобится ТЭН с номинальным напряжением 220В, однофазное твердотельное реле постоянного тока с фазовым управлением, переменный резистор 470 ОМ, предохранитель, провода для подключения устройств:

1. На управляющий вход ТТР подключаем питание от любого источника постоянного тока 12–24 В (блок питания, аккумуляторная батарея) через переменный резистор (потенциометр) → плюс на клемму 3, минус на клемму 4.
2. Подключаем ТЭН к домашней сети 220 В через силовые клеммы твердотельного реле:
• "ноль" → к клемме 1;
• "фазу" → через предохранитель и ТЭН к клемме 2.
3. В цепь управления реле подает постоянное напряжение, достаточное для срабатывания электронного ключа (от 3 до 32 В), после чего через выходные силовые клеммы 1 и 2 замкнется цепь питания ТЭНа, который начнет нагреваться. Вращая ручку потенциометра, регулируем напряжение входного сигнала на клеммах 3 и 4 и отслеживаем степень нагрева ТЭН в зависимости от величины напряжения на входе твердотельного реле.

Проверка корректности подключения твердотельного реле

Проверить правильность сборки схемы с твердотельным реле, как и работоспособность одиночного реле, обычными методами тестирования, применяемыми для электромеханических реле, например, мультиметром,не получится: между входом и выходом ТТР отсутствует электрическая связь. Многие модели твердотельных реле оснащены светодиодным индикатором, который сигнализирует о наличии управляющего напряжения, однако корректную работу проверяемой схемы подача напряжения на вход твердотельного реле не гарантирует.

Для проверки собранной схемы на силовые клеммы твердотельного реле 1 и 2 подключают обычную лампу накаливания, подают на управляющие клеммы 3 и 4 напряжение и визуально по загоранию лампочки убеждаются в правильности подключения элементов схемы.

Для проверки исправности одиночного твердотельного реле собирают простую электрическую схему, состоящую из двух источников питания (подающего управляющее напряжение на вход реле и нагрузки), выключателя, лампочки.

Преимущества и области применения

Сравнивая твердотельные реле с электромеханическими, следует отметить такие достоинства первых, как:

• малые габариты;
• экономия электроэнергии;
• отсутствие необходимости дополнительного техобслуживания;
• высокая скорость переключения;
• длительный срок эксплуатации;
• бесшумность;
• возможность применения в различных приборах;
• производительность;
• отсутствие искры и скачка напряжения;
• низкая чувствительность к неблагоприятным условиям.

Твердотельные реле нашли широкое применение. Они используются в тех случаях, когда требуется коммутировать индуктивную нагрузку. Как правило, это устройство служит для:

• сохранения постоянной температуры в технологическом процессе;
• коммутации цепи управления;
• контроля нагрева трансформаторов и других приборов;
• регулировки степени освещения;
• управления электродвигателями.

Также ТТР применяется в системах, производящих регулирование температуры с помощью ТЭНа, а также при замене пускателей реверсного бесконтактного типа.

Твердотельное реле, плюсы и минусы устройства

Преимущество твердотельных реле в первую очередь заключается в его небольших размерах, что способствует экономию места в электрощитах, а также корпус устройства имеет высокую герметичность и устойчивость к вибрациям. Производители заявляют способность прибора срабатывать в количестве более миллиарда раз, при этом устройство обладает отличным показателем быстродействия.

Качественное твердотельное реле

Положительными качествами приспособления являются:

• сохранение работоспособности в различных условиях будут это бытовые электрические цепи или взрывоопасные объекты, так как данные приспособления обладают отличной защищенностью;
• твердотельное реле имеет минимизированное потребление энергии;
• в конструкцию реле не входят электромагнит и механические контакты, вследствие чего данное приспособление работает практически бесшумно;
• устройство не создает помех для другой аппаратуры;
• в результате использования прибора не нужно постоянного технического обслуживания, его срок службы рассчитан на несколько десятков лет.

Данный вид реле имеет увеличенный ресурс, который исключает износ механической и электрической части. Кроме этого контактные соединения прибора не подвержены окислению.

Однако помимо плюсов устройство имеет ряд негативных черт. Открытое устройство, пропуская повышенные токи при коммутационных процессах, перегревается. Одновременно с этим обязательно должна быть охладительная система во избежание тяжелых последствий.

Зависимость тока от показателя напряжения имеет нелинейную тенденцию. Если возникнет повреждение реле, происходит перекрывание соединений на входе. Устройство содержит в своем механизме полупроводниковые компоненты, что служит причиной задержки пропускной способности электротока по возвратному направлению. При использовании прибора в закрытом состоянии сопротивление повышается, что способствует утечке тока.

Экземпляры, предназначенные для использования в электролиниях, имеющих постоянный ток, должны быть установлены согласно полярности. Так как твердотельное реле должно обеспечивать повышенный темп срабатывания, в некоторых случаях рекомендуется их защита от ложных сработок.

Также к минусам изделия стоит отнести высокую чувствительность к повышенным нагрузкам. При превышении этого показателя в три раза и более, прибор выходит из строя.

Питание на силовой паре

Главное и побочные реле при работе издают щелчки – это говорит о полной его работоспособности. За это отвечает силовая пара, которую также необходимо проверить.

Один из контактов всегда находится под напряжением, на второй же электричество поступает только во включенном состоянии.

Проверить их можно с помощью вольтметра. Он также есть в составе тестера и обозначается символом «V». Переведите переключатель в режим постоянного напряжения.

Теперь можно переходить к проверке:

1. Все компоненты, которые получают ток от реле, необходимо отключить.
2. Теперь отыщите необходимый контакт, на который ток поступает всегда. Найти его можно через даташит.
3. Правый щуп приложите к нему, а второй закоротите на кузов автомобиля.

Если напряжение есть – все в порядке и проблем нет. Если же контакта нет – придется менять реле целиком, так как деталь не ремонтопригодная.

Схема для подключения реле

Все полупроводниковые устройства такого рода поделены на участки, среди которых: входная часть, оптическая развязка, триггер, а также цепи переключения и защиты. На входе присутствует отдельная первичная цепь, куда последовательным способом включено сопротивление. Главная задача входного участка – принимать импульсы, передавая их в дальнейшем на участок коммутации.

На схемах и фото твердотельного реле видно, что две цепи имеют между собой изоляционный слой. Его роль выполняет оптическая развязка. От типа и особенностей развязки зависят общие конечные характеристики прибора и особенности его работы.

Чтобы понимать, как правильно подключить твердотельные реле, необходимо подробнее разобраться в его конструкции. Так, сигнал на входе обрабатывается при помощи триггерной цепи. Цепь представляет собой индивидуальную деталь конструкции и активно задействуется в переключении выхода. Она, в зависимости от структуры прибора, может также входить в состав вышеупомянутой развязки.

Регулирование напряжения нагрузки происходит на участке, где расположены транзистор, симистор и диод из кремния.

Дополнительно должна быть установлена защитная система, предохраняющая узел от возможных проблем в работе. Цепь защиты может быть внутренней, либо внешней.

Характеристика регулятора напряжения

Что такое регулятор постоянного тока, какую роль он играет в автомобильном генераторе, какое напряжение должен выдавать генератор? Можно ли поднять и увеличить количество выдаваемого параметра с помощью простейшего трехуровневого устройства? Для начала давайте разберем, какова конструкция элемента и в чем заключается его предназначение.

Назначение

Итак, для чего применяется электронный регулятор напряжения генератора автомобиля? При запуске силового агрегата, как известно, в первую очередь начинает вращаться коленчатый вал, это происходит в результате воздействия на него постоянного тока. Ток в амперах осуществляет начало движения роторного механизма, после чего начинает функционировать генераторный узел. Регулятор постоянного напряжения используется для контроля всех процессов.

Если напряжение будет не высоким, а из-за выхода из строя регулятора напряжения генератора мощность механизма будет отсутствовать, узел запустить не получится. При отсутствии мощности генератора ток в амперах просто не будет подаваться на оборудование. Простой регулятор напряжения дает возможность удерживать ток в амперах в указанном диапазоне, это его основное предназначение.

Конструкция

Теперь разберем вопрос устройства: любой повышающий РН, даже простой и самодельный, будет состоять из:

1. Выпрямительного блока. Этот элемент включает в себя несколько диодных компонентов, обычно их количество равно шести. Все компоненты этого блока подключаются между собой по специальному мосту.
2. Роторный механизм с обмоткой. Это устройство осуществляет вращение вокруг оси, его предназначение заключается в образовании магнитного поля внутри узла.
3. Статорный механизм. На корпусе данного устройства расположены три обмотки, подключенные друг к другу. Благодаря этим обмоткам обеспечивается не только обеспечение более повышенного заряда, а также увеличения мощности для автомобильного аккумулятора. Они также позволяют обеспечить током всю электросеть транспортного средства.
4. Крыльчатки. Данный элемент устанавливается на внешней части механизма. Крыльчатка используется для обдува и охлаждения обмотки, без нее возможен перегрев последней.
5. Корпусная крышка. Ее назначение заключается в скрытии все составляющих конструктивных частей узла, благодаря чем у обеспечивается надежная защита устройства от воздействия грязи и пыли. В зависимости от модели, крышка может иметь специальный кожух — если конструкция подразумевает его наличие, то регуляторный элемент будет расположен сразу за ним.
6. И само реле. Если генератор выдает большое напряжение, не свойственное для бортовой сети, или слишком низкое, то реле позволит стабилизировать этот параметр до нужного уровня. Стабилизатор должен обеспечить именно оптимальное напряжение, не повышенное и не пониженное (автор видео — Виталий Галанкин).

Принцип работы

В том случае, если вы решите подключить обмотку без регуляторного устройства к источнику питания, то значение постоянного тока после подсоединения, разумеется, будет повышенным. С помощью данного устройства осуществляется выравнивание значения, что позволяет предотвратить поломку оборудования. Регуляторное устройство асинхронного генераторного узла — это, фактически, выключатель. Если напряжение на зажимах генератора не соответствует норме, механизм осуществляет регулировку параметра до нужного значения.

Перед тем, как повысить напряжение генератора, необходимо точно узнать, сколько должен быть параметр на конкретном устройстве. В идеале значение должно варьироваться в районе 14-14.2 вольт, но допускается от 13.6 вольт. Здесь многое зависит от модели автомобиля и самого генераторного узла, установленного на нем. Поэтому точно узнать, сколько вольт должно быть, нужно в технической документации.

Следует отметить, что выработка параметра производится по принципу — когда вращается роторный узел, на обмотку поступает невысокое напряжение, а в ходе вращения на выводах механизма образуется переменный ток. Впоследствии он передается на обмотку. Если вы не знаете, как повысить напряжение генератора, то в первую очередь следует проверить качество натяжки самого ремня. Как правило, о необходимости увеличивать и повышать значение напряжения автовладельца задумываются в том случае, если ремешок устройства ослаб, хотя его нужно просто подтянуть (автор видео — канал T-Strannik).

Разновидности

Схема подключения РН практически идентична на всех видах генераторных узлов, однако существуют определенные разновидности девайсов.

Какие виды РН можно найти в продаже:

1. Двухуровневые РН. Такие регуляторы на сегодняшний день считаются устаревшими, в большинстве своем они используются на отечественных авто. Конструктивно такой РН состоит из электромагнитного элемента, подключаемого к контроллеру обмотки. Также устройство оснащается пружинами, которые используются как задающие элементы, и подвижным рычагом, использующимся для стабилизации.
   Двухуровневые РН обычно небольшие по размерам. Существенным минусом девайсов такого типа считается невысокий срок службы, в результате чего они довольно быстро выходят из строя.
2. Полупроводниковые РН на 40 ампер. В отличие от вышеописанных, такие РН обладают более высоким сроком службы, а это, в свою очередь, обеспечивает их более стабильную работу на протяжении всего ресурса эксплуатации.
3. Трехуровневные РН. Такие девайсы по конструктивным особенностям схожи с вышеописанными. Единственно и важно отличие заключается в наличии в конструкции добавочного сопротивления.
4. Многоуровневые РН. Как можно понять из названия, такие РН имеют много уровней защиты благодаря тому, что в их конструкции может быть 3-5 добавочных сопротивлений. В результате этого многие специалисты считают, что такое РН более эффективны и надежные, чем другие виды.

Фотогалерея «Самые распространенные виды РН»

4. Электрическая схема реле.

На принципиальных схемах катушка электромагнитного реле изображается прямоугольником и буквой «К» с цифрой порядкового номера реле в схеме. Контакты реле обозначаются этой же буквой, но с двумя цифрами, разделенными точкой: первая цифра указывает на порядковый номер реле, а вторая на порядковый номер контактной группы этого реле. Если же на схеме контакты реле расположены рядом с катушкой, то их соединяют штриховой линией.

Запомните. На схемах контакты реле изображают в состоянии, когда на него напряжение еще не подано.

Электрическую схему и нумерацию выводов реле производитель указывает на крышке, закрывающей рабочую часть реле.

На рисунке видно, что выводы катушки обозначены цифрами 10 и 11, и что реле имеет три группы контактов:
7 — 1 — 4
8 — 2 — 5
9 — 3 — 6

Здесь же под электрической схемой указаны электрические параметры контактов, показывающие, какой максимальный ток они могут пропустить (коммутировать) через себя.

Контакты данного реле коммутируют переменный ток не более 5 А при напряжении 230 В, и постоянный ток не более 5 А при напряжении 24 В. Если же через контакты пропускать ток больше указанного, то они очень скоро выйдут из строя.

На некоторых типах реле производитель дополнительно нумерует выводы со стороны присоединений, что очень удобно.

Для удобства эксплуатации, замены и монтажа реле применяют специальные колодки, которые устанавливаются на стандартную DIN-рейку. В колодках предусмотрены отверстия для контактов реле и винтовые контакты для подключения внешних проводников. Винтовые контакты имеют нумерацию контактов, которая соответствует нумерации контактов реле.

Также на катушках реле указывают род тока и рабочее напряжение обмотки реле.

На этом пока закончим, а во второй части рассмотрим основные параметры и подключение электромагнитных реле, где на примерах простых схем разберем работу реле.

До встречи на страницах сайта.
Удачи!

1. И. Г. Игловский, Г. В. Владимиров – «Справочник по электромагнитным реле», Л., Энергия, 1975 г.
2. М. Т. Левченко, П. Д. Черняев – «Промежуточные и указательные реле в устройствах релейной защиты и автоматики», Энергия, Москва, 1968, (Б-ка электромонтера, вып. 255).
3. В. Г. Борисов, – «Юный радиолюбитель», Москва, «Радио и связь» 1992 г.