Твердотельное реле-полный обзор всех параметров

Варианты использования

ТТР имеет смысл ставить там, где нет возможности контролировать работоспособность обычных электромеханических реле. Да, ТТР дороже, но основное их преимущество – «поставил и забыл». Часто их ставят для коммутации индуктивной нагрузки (электромагниты), для которой обычные реле подходят слабо – контакты подгорают быстро, нужно их чистить или менять. Либо ставить реле на заведомо больший ток работы.

Другой вариант использования ТТР – включение мощной нагрузки типа ТЭНов, когда мощные контакторы прослужат недолгое время из-за частых включений-выключений. Такое бывает в случае, когда нужно точное поддержание температуры, а для этого устанавливают небольшую ширину петли гистерезиса.

Как и в случае с контакторами и реле, ТТР легче работать, когда нагрузка чисто активная (АС1), то есть не содержит индуктивности (cosφ стремится к 1). Тогда он легко может коммутировать ток, указанный на его корпусе. В большинстве же случаев нагрузка является частично реактивной (cosφ = 0,7-0,8), поэтому ток ТТР нужно всегда выбирать с запасом.

Запас по току нужен также и для надежной работы системы защиты, но об этом расскажем чуть позже.

Коммутация индуктивной нагрузки

С индуктивной нагрузкой (как правило, это электромагнит), не так всё просто.

В этом случае нужно учитывать переходные процессы в моменты включения и выключения ТТР.
В эти моменты возможны всплески напряжения, которые могут привести к неприятным последствиям,
например – «зависание» ТТР в открытом или закрытом состоянии, которое снимается перезапуском питания.
Самый неприятный вариант – ТТР может полностью выйти из строя, при этом оно может остаться в опасном включенном состоянии.

Существуют особенности при подключении индуктивной нагрузки типа электромагнитов.
Производители рекомендуют выбирать пару ТТР-электромагнит таким образом,
чтобы ток нагрузки был не более чем 10% от максимально допустимого тока ТТР.
Это обусловлено возможной нестабильностью работы.
Кроме того, при коммутации постоянного тока рекомендуется параллельно нагрузке подключать обратно включенный диод.

Недостатки

Кроме положительных качеств твердотельных реле, стоит выделить и ряд недостатков:

В открытом виде происходит нагрев изделия из-за высокого сопротивления в цепи p-n перехода. Чтобы избежать негативных последствий в приборах, пропускающих через себя повышенные токи, требуется предусмотреть охлаждение.
В закрытом виде сопротивление увеличивается, и появляется обратный ток утечки (измеряется в мА).
При съеме вольтамперной характеристики заметен ее нелинейный характер.
Некоторые виды твердотельных реле требуют строго соблюдения полярности при подключении выходных цепей. Это касается тех приборов, которые рассчитаны на работу в условиях постоянного тока.
В случае поломки высок риск перекрытия контактов на входе. Причиной может стать пробой силового ключа. Для сравнения контакты классических реле (при выходе из строя) остаются в разомкнутом виде.
Требуется защита от ошибочных срабатываний, вызванных бросками напряжения. Это обусловлено высокой скоростью срабатывания.
Твердотельные реле пропускают ток по обратному пути с небольшой задержкой, что обусловлено применением полупроводниковых элементов в схеме.

Назначение и виды

Реле контроля тока – это устройство, которое реагирует на резкие перепады величины поступающего электрического тока и при необходимости отключает питание определенного потребителя или всей системы электрообеспечения. Его принцип действия основан на сравнивании внешних электрических сигналов и мгновенном реагировании при их несовпадении с параметрами работы прибора. Используется для работы генератора, насоса, двигателя автомобиля, станочного оборудования, бытовых приборов и прочего.

Существуют такие виды приборов постоянного и переменного тока:

Промежуточные;
Защитные;
Измерительные;
Давления;
Времени.

Промежуточное устройство или реле максимального тока (РТМ, РСТ 11М, РС-80М, РЭО-401) применяется для размыкания или замыкания цепей определенной электрической сети при достижении определенного значения тока. Чаще всего используется в квартирах или домах с целью повышения защиты бытового оборудования от скачков напряжения и силы тока.

Принцип действия теплового или защитного прибора основан на контроле температуры контактов определенного прибора. Оно используется для защиты приборов от перенагревания. К примеру, если утюг перегреется, то такой датчик автоматически отключит питание и включит его после остывания прибора.

Статическое или измерительное реле (РЭВ) помогает замыкать контакты цепи при появлении определенного значения электрического тока. Его главное назначение – это сравнение имеющихся параметров сети и необходимых, а также быстрое реагирование на их изменение.

Реле давления (РПИ-15, 20, РПЖ-1М, FQS-U, FLU и прочие) необходимо для контроля жидкости (воды, масла, нефти), воздуха и т. д. Используется для отключения насоса или прочего оборудования при достижении установленных показателей давления. Часто используются в водопроводных системах и на станциях техобслуживания авто.

Реле выдержки времени (производитель EPL, Danfoss, а также модели РТВ) необходимы для управления и замедления реагирования определенных приборов при обнаружении утечки тока или других неполадках в сети. Такие приборы релейной защиты применяются как в быту, так и в промышленности. Они препятствуют преждевременному включению аварийного режима, срабатыванию УЗО (оно же дифференциальное реле) и автоматических выключателей. Схема их установки часто сочетается с принципом включения в сеть защитного оборудования и дифов.

Помимо этого также бывают электромагнитные реле напряжения и тока, механические, твердотельные и т. д.

Твердотельное реле – это однофазное устройство для коммутации больших токов (от 250 А), обеспечивающее гальваническую защиту и изоляцию электрических цепей. Это, в большинстве случаев, электронное оборудование, предназначенное для быстрого и точного реагирования на возникновение проблем в сети. Еще одним преимуществом является то, что такое токовое реле можно сделать своими руками.

По конструкции реле классифицируются на механические и электромагнитные, а сейчас уже, как сказано выше, на электронные. Механическое может использоваться в различных условиях работы, для его подключения не требуется сложная схема, оно долговечное и надежное. Но вместе с этим, недостаточно точное. Поэтому сейчас в основном используются его более современные электронные аналоги.

Твердотельное реле и его назначение

Устройство служит для смыкания и разъединения электрических цепей, имеющих высокий и низкий вольтаж. Они работают на основании магнитной катушки. Область использования таких реле безгранична. Твердотельное реле применяются в производстве, где нужно удерживать определенную температуру. Также их эксплуатируют в устройствах правления электродвигателями.

Приборы участвуют в системах освещения в разнообразных областях. Данные приспособления применяются в механизмах нагревания, с использованием электрических тэнов. Помимо этого устройства предназначены для коммутации электрических цепей в разнообразном электрооборудовании, а также выступают в качестве бесконтактных пускателей. Прибор может контролировать и тестировать электрооборудование, которое имеет нормированную величину некоторых параметров.

Как сделать ТТР своими руками?

Учитывая конструкционную особенность прибора (монолит), схема собирается не на текстолитовой плате, как это принято, а навесным монтажом.

Схемотехнических решений в этом направлении можно отыскать множество. Конкретный вариант зависит от требуемой коммутируемой мощности и прочих параметров.

Электронные компоненты для сборки схемы

Перечень элементов простой схемы для практического освоения и построения твердотельного реле своими руками следующий:

Оптопара типа МОС3083.
Симистор типа ВТ139-800.
Транзистор серии КТ209.
Резисторы, стабилитрон, светодиод.

Все указанные электронные компоненты спаиваются навесным монтажом согласно следующей схеме:

Благодаря использованию оптопары МОС3083 в схеме формирования сигнала управления величина входного напряжения может изменяться от 5 до 24 вольт.

А за счёт цепочки, состоящей из стабилитрона и ограничительного резистора, снижен до минимально возможного ток, проходящий через контрольный светодиод. Такое решение обеспечивает долгий срок службы контрольного светодиода.

Проверка собранной схемы на работоспособность

Собранную схему нужно проверить на работоспособность. Подключать при этом напряжение нагрузки 220 вольт в цепь коммутации через симистор необязательно. Достаточно подключить параллельно линии коммутации симистора измерительный прибор – тестер.

Режим измерений тестера нужно выставить на «мОм» и подать питание (5-24В) на схему генерации напряжения управления. Если всё работает правильно, тестер должен показать разницу сопротивлений от «мОм» до «кОм».

Устройство монолитного корпуса

Под основание корпуса будущего твердотельного реле потребуется пластина из алюминия толщиной 3-5 мм. Размеры пластины некритичны, но должны соответствовать условиям эффективного отвода тепла от симистора при нагреве этого электронного элемента.

Поверхность алюминиевой пластины должна быть ровной. Дополнительно необходимо обработать обе стороны – зачистить мелкой шкуркой, отполировать.

На следующем этапе подготовленная пластина оснащается «опалубкой» – по периметру приклеивается бордюр из плотного картона или пластика. Должен получиться своеобразный короб, который в дальнейшем будет залит эпоксидной смолой.

Внутрь созданного короба помещается собранная «навесом» электронная схема твердотельного реле. На поверхность алюминиевой пластины укладывается только симистор.

Никакие другие детали и проводники схемы не должны касаться алюминиевой подложки. Симистор прикладывается к алюминию той частью корпуса, которая рассчитана под установку на радиатор.

Следует использовать теплопроводящую пасту на площади соприкосновения корпуса симистора и алюминиевой подложки. Некоторые марки симисторов с неизолированным анодом обязательно требуется ставить через слюдяную прокладку.

Симистор нужно плотно прижать к основанию каким-то грузом и залить по периметру эпоксидным клеем либо закрепить каким-то образом без нарушения глади обратной стороны подложки (например, заклёпкой).

Приготовление компаунда и заливка корпуса

Под изготовление твёрдого тела электронного устройства потребуется изготовить компаундную смесь. Состав смеси компаунда делается на основе двух компонентов:

Эпоксидная смола без отвердителя.
Порошок алебастра.

Благодаря добавлению алебастра мастер решает сразу две задачи – получает исчерпывающий объём заливного компаунда при номинальном расходе эпоксидной смолы и создаёт заливку оптимальной консистенции.

Смесь нужно тщательно перемешать, после чего можно добавить отвердитель и вновь тщательно перемешать. Далее аккуратно заливают «навесной» монтаж внутри картонного короба созданным компаундом.

Заливку делают до верхнего уровня, оставив на поверхности лишь часть головки контрольного светодиода. Первоначально поверхность компаунда может выглядеть не совсем гладкой, но спустя некоторое время картинка изменится. Останется только дождаться полного застывания литья.

По сути, применить можно любые подходящие для литья растворы. Главный критерий – состав заливки не должен быть электропроводящим, плюс должна формироваться хорошая степень жёсткости литья после застывания. Литой корпус твердотельного реле является своего рода защитой электронной схемы от случайных физических повреждений.

Твердотельные реле относятся к модульным полупроводниковым устройствам, в конструкции которых предусмотрены силовые ключи на структурах, содержащих симисторы, тиристоры или транзисторы.

Используются в качестве успешной альтернативы традиционным электромагнитным реле или контакторам. Устройства распространены в сфере коммутации однофазных и 3-фазных линий. Они применяются для бесконтактной коммутации отопительных устройств, освещения и прочего оборудования с резистивной нагрузкой с напряжением от 24 до 380 В для переменного тока для управления трансформаторами. Используются для индуктивной нагрузки, например, слаботочные двигатели или электромагниты.

Рис. №1. Внешний вид твердотельного реле и габаритные размеры.

Твердотельные реле подразделяются по типу управления, это реле переменного или постоянного тока с использованием переменного резистора и с помощью аналогового сигнала тока 4 – 20 мА. Реле для управления уровня напряжения включают или отключают нагрузку с помощью подачи или снятия с нагрузки полного сигнала.

Достоинства

Продолжительный период эксплуатации.
Отсутствие постороннего шума, неустойчивых контактных соединений, искрений и электродуги при переключении.
Надежное сопротивление изоляции в цепях нагрузки и цепях управления коммутационными аппаратами.
Отсутствие акустических помех.
Высокая степень энергосбережения.
Быстродействие (высокая скорость коммутации).
Небольшие габаритные размеры.
Отсутствие профилактики и технического обслуживания.

Высокие качественные электротехнические показатели делают возможным переход с электромагнитных реле и контакторов на твердотельные реле.

Рис. №2. Пример твердотельного реле с использованием SCR управления.

Недостатки и меры по защите релейного устройства

Существует несколько локальных факторов, при которых возможен выход устройства из строя – это:

Перенапряжение.
Токовая перегрузка и короткое замыкание.
Перегрев из-за плохого теплоотвода (максимальная температура нагрева основания устройства не должна превышать 80С).

Для нагрузки более 5 А на основание реле наносится специальная теплопроводящая паста. При I = 25А применяют вентилятор. Некоторые модели оборудованы защитой от перегрева, она отключает реле при превышении температуры тиристора – 120С. Для защиты реле от перегруза по нагрузке используются предохранители на полупроводниках (срабатывают чрезвычайно быстро (2 мс) не позволяют развиться току к.з.).

Классификация твердотельных реле

Сферы применения реле разнообразны, поэтому и их конструктивные особенности могут сильно отличаться, в зависимости от потребностей конкретной автоматической схемы. Классифицируют ТТР по количеству подключенных фаз, виду рабочего тока, конструктивным особенностям и типу схемы управления.

По количеству подключенных фаз

Твердотельные реле используются как в составе домашних приборов, так и в промышленной автоматике с рабочим напряжением 380 В.

Поэтому эти полупроводниковые устройства, в зависимости от количества фаз, разделяются на:

однофазные;
трехфазные.

Однофазные ТТР позволяют работать с токами 10-100 или 100-500 А. Их управление производится с помощью аналогового сигнала.

К трехфазному реле рекомендуется подключать провода различных цветов, чтобы при монтаже оборудования можно было правильно их присоединить

Трехфазные твердотельные реле способны пропускать ток в диапазоне 10-120 А. Их устройство предполагает реверсивный принцип функционирования, который обеспечивает надежность регуляции одновременно нескольких электрических цепей.

Часто трехфазные ТТР используются для обеспечения работы асинхронного двигателя. В его электросхему управления обязательно включаются быстрые предохранители из-за высоких пусковых токов.

По виду рабочего тока

Твердотельные реле нельзя настроить или перепрограммировать, поэтому они могут нормально работать только при определенном диапазоне электропараметров сети.

В зависимости от потребностей ТТР могут управляться электроцепями с двумя видами тока:

постоянным;
переменным.

Аналогично можно классифицировать ТТР и по виду напряжения активной нагрузки. Большинство реле в бытовых приборах работают с переменными параметрами.

Постоянный ток не используется в качестве основного источника электроэнергии ни в одной стране мира, поэтому реле такого типа имеют узкую сферу применения

Устройства с постоянным управляющим током характеризуются высокой надежностью и используют для регуляции напряжение 3-32 В. Они выдерживают широкий диапазон температур (-30..+70°С) без значительного изменения характеристик.

Реле, регулирующиеся переменным током, имеют управляющее напряжение 3-32 В или 70-280 В. Они отличаются низкими электромагнитными помехами и высокой скоростью срабатывания.

По конструктивным особенностям

Твердотельные реле часто устанавливают в общий электрощит квартиры, поэтому многие модели имеют монтажную колодку для крепления на DIN-рейку.

Кроме того, существуют специальные радиаторы, располагающиеся между ТТР и опорной поверхностью. Они позволяют охлаждать прибор при высоких нагрузках, сохраняя его рабочие характеристики.

Реле крепиться на DIN-рейку преимущественно через специальный кронштейн, который имеет и дополнительную функцию – отводит излишки тепла при работе прибора

Между реле и радиатором рекомендуется наносить слой термопасты, который увеличивает площадь соприкосновения и увеличивает теплоотдачу. Существуют и ТТР, предназначенные для крепления к стене обычными шурупами.

По типу схемы управления

Не всегда принцип работы регулируемой реле техники требует его мгновенного срабатывания.

Поэтому производители разработали несколько схем управления ТТР, которые используются в различных сферах:

Контроль «через ноль». Такой вариант управления твердотельным реле предполагает срабатывание только при значении напряжения, равном 0. Используется в устройствах с емкостной, резистивной (нагреватели) и слабой индуктивной (трансформаторы) нагрузкой.
Мгновенное. Используется при необходимости резкого срабатывания реле при подаче управляющего сигнала.
Фазовое. Предполагает регулирование выходного напряжения методом изменения параметров управляющего тока. Применяется для плавного изменения степени нагрева или освещения.

Твердотельные реле различаются и по многим другим, менее значимым, параметрам

Поэтому при покупке ТТР важно разобраться в схеме работы подключаемой техники, чтобы приобрести максимально соответствующее ей регулировочное устройство

Обязательно должен быть предусмотрен запас мощности, потому что реле имеет эксплуатационный ресурс, который быстро расходуется при частых перегрузках.

Твердотельное реле своими руками: рекомендации по подбору деталей и монтаж корпуса

F1 — предохранитель на 100 мА.
S1 — любой маломощный переключатель.
C1 — конденсатор 0.063 мкФ 630 Вольт.
C2 — 10–100 мкФ 25 Вольт.
C3 — 2.7 нФ 50 Вольт.
C4 — 0.047 мкФ 630 Вольт.
R1 — 470 кОм 0.25 Ватт.
R2 — 100 Ом 0.25 Ватт.
R3 — 330 Ом 0.5 Ватт.
R4 — 470 Ом 2 Ватта.
R5 — 47 Ом 5 Ватт.
R6 — 470 кОм 0.25 Ватт.
R7 — варистор TVR12471, или подобный.
R8 — нагрузка.
D1 — любой диодный мост на напряжение не менее 600 Вольт, или собрать из четырёх отдельных диодов, например, 1N4007.
D2 — стабилитрон на 6.2 Вольта.
D3 — диод 1N4007.
T1 — симистор ВТ138-800.
LED1 — любой сигнальный светодиод.

Вот такой выглядит самодельная конструкция твердотельного реле. Сделать нечто подобное несложно. Нужны лишь базовые навыки электронщика и электрика. Материальные затраты небольшие

Оптопара типа МОС3083.
Симистор типа ВТ139-800.
Транзистор серии КТ209.
Резисторы, стабилитрон, светодиод.

Проверка работоспособности твердотельного реле с помощью измерительного прибора. Если на вход устройства подано управляющее напряжение, переход симистора должен быть открыт

Читать далее: Монтаж септика Топас своими руками

Каркас под заливку корпуса будущего прибора. Делается из картонной полосы или других подходящих материалов. На алюминиевой подложке закрепляется универсальным клеем

На следующем этапе подготовленная пластина оснащается «опалубкой» — по периметру приклеивается бордюр из плотного картона или пластика. Должен получиться своеобразный короб, который в дальнейшем будет залит эпоксидной смолой.

Закрепление симистора на алюминиевой подложке. Главное условие – этот электронный компонент необходимо плотно прижать к металлическому основанию. Только так обеспечивается качественный теплоотвод и надёжность работы

Вариант крепления симистора к подложке при помощи клёпки. С обратной стороны клёпка расплющивается заподлицо с поверхностью подложки