Твердотельное реле – устройство и особенности конструкции

Твердотельное реле – устройство и особенности конструкции

Электромеханическое реле (ЭМР) — недорогой, простой в использовании электронный прибор. Этот вид коммутаторов позволяет переключать цепь нагрузки посредством управления электрическим изолированным входным сигналом. Но электромеханическое реле обладает существенным недостатком – действует на механической основе. Фактор механики ограничивает, к примеру, скорость переключения (время отклика) контактной группы. В этом смысле конструкция твердотельных реле выглядит более привлекательной. К тому же эксплуатационную долговечность твердотельное реле гарантирует более длительным сроком по сравнению с прибором механического действия.

Твердотельное реле: причины появления

Именно с целью преодоления отмеченных недостатков ЭМР, был разработан другой тип устройств коммутации, называемый твердотельным реле (ТТР).

Относительно новый прибор короткого замыкания представляет собой твердотельный бесконтактный, чисто электронный конструкторский вариант.

Современные электронные твердотельные реле
Существующий ассортимент приборов открывает широкие возможности для решения задач электро-электронного характера. Самые разные модели ТТР предлагает рынок электроники

Полупроводниковое реле, выступая исключительно электронным устройством, логически отрицает наличие движущихся частей в составе конструкции.

Функции механических контактов твердотельного устройства заменены силовыми полупроводниковыми ключами:

  • транзисторами,
  • тиристорами,
  • симисторами.

Электрическое разделение (развязка) между входным управляющим сигналом и входным напряжением нагрузки осуществляется при помощи высокочувствительной оптопары.

Особенности исполнения электронных коммутаторов

Исполнение твердотельного реле обеспечивает высокую степень надежности, долговечность эксплуатации. Практика применения отмечает существенное снижение электромагнитных помех.

С точки зрения скорости действия – ТТР показывает мгновенное время отклика по сравнению с обычным электромеханическим коммутатором.

Требования по отношению к мощности управления входным сигналом твердотельного реле, как правило, достаточно низки. Поэтому твердотельным приборам присуща обширная совместимость.

Конфигурация твердотельных реле
Возможная конфигурация приборов: 1, 2, 3, 4 — схема управления ключом; А — транзисторная на постоянный ток нагрузки; В — тиристорный мост под переменный ток; С — последовательное включение тиристоров под переменный ток; Е — симисторная под переменный ток

Электронные коммутаторы совместимы с большим числом компонентов семейства логических интегральных схем. При этом нет необходимости внедрения дополнительных буферов, драйверов, усилителей сигнала.

Однако, будучи полупроводниковым устройством, твердотельные реле часто требуют установки на мощные радиаторы охлаждения для предотвращения перегрева ключевого переключающего полупроводника.

Твердотельное реле: логика действия

Функционально приборами переменного тока предусматривается переключение в состояние «включено» в точке пересечения нуля синусоидальной формой переменного тока.

Так предотвращается момент высоких пусковых токов при переключении индуктивных или емкостных нагрузок.

Синусоидальная форма переменного тока
Фактор переключения: 1 — состояние ключа «включено»; 2 — состояние ключа «отключено»; 3 — актуальная точка включения; 4 — напряжение включения; 5 — актуальная точка отключения; 6 — отпирающее напряжение; 7 — состояние выхода

Обратная функция переключения тиристоров, транзисторов, симисторов в состояние «выключено» обеспечивает улучшенные характеристики с точки зрения возможного образования электрической дуги, чем традиционно «болеют» контакты электромеханических реле.

Аналогично конструктивному исполнению электромеханических реле, на выходных клеммах ТТР также требуется наличие цепи демпферов из серии резистивно-конденсаторной группы.

Таким способом осуществляется защита выходных полупроводников коммутационных устройств от импульсных помех и напряжений.

Как правило, этот вид помехи образуется при переключении высоко-индуктивных или ёмкостных нагрузок. Конструктивное исполнение большинства современных ТТР предусматривает внедрение защитных RC-шлюзовых цепей непосредственно в тело приборов. Этот момент исключает необходимость дополнять схему внешними электронными компонентами.

Ненулевые переключатели-детекторы перекрестных помех (мгновенное включение), типичные ТТР, используются в конструкциях с фазовым управлением.

Варианты управления ТТР
Варианты управления ТТР: А — прямое переключение управления; В — транзисторное переключение; С — управление логическим элементом: Е — управление микроконтроллером

Простой пример: управление освещением на концертах, шоу, дискотеках и т. п. Также часто устройства используются для управления скоростью вращения вала электродвигателей.

Поскольку выходным коммутационным устройством твердотельного реле является полупроводниковое устройство (транзистор для цепей коммутации постоянного тока или комбинация симистор-транзистор для переключения переменного тока), падение напряжения на выходных клеммах ТТР обычно достигает 1,5-2,0 вольт.

При многократном переключении больших токов потребуется дополнительный тепловой отвод с помощью металлических радиаторов.

Системы ввода-вывода модульного типа

Модульный интерфейс ввода-вывода также следует рассматривать типичным твердотельным реле, специально предназначенным под интерфейсы компьютеров, микроконтроллеров, для «реальных» нагрузок и переключателей.

Модульное твердотельное реле
8-канальный модуль твердотельного реле (переменного тока), оснащённый интерфейсом USB. Подобные решения находят частое применение в составе компьютерной техники

Доступны четыре основных типа модулей ввода-вывода:

  1. Входное напряжение переменного тока с выходом логического уровня TTL или CMOS.
  2. Входное напряжение постоянного тока с выходом логического уровня TTL или CMOS.
  3. Выходной сигнал TTL или CMOS для переменного выходного напряжения.
  4. Выходной сигнал TTL или CMOS для постоянного выходного напряжения.

Каждый из модулей содержит в одном маленьком устройстве все необходимые схемы для обеспечения полного интерфейса и обеспечения изоляции.

Устройства доступны в виде отдельных твердотельных модулей или интегрированы в составе 4, 8 или 16-канальных систем.

Недостатки твердотельных реле

Основными недостатками твердотельных реле (ТТР), по сравнению с электромеханическим реле одинаковой мощности, являются более высокие затраты на изготовление этого вида электронных приборов.

В состоянии «выключено» отмечаются утечки тока через коммутационное устройство. Кроме того, в состоянии «включено» отмечается фазное падение напряжения и рассеивание мощности, что требует применения дополнительных отводящих тепло приспособлений.

Твердотельные реле не в состоянии обеспечить переключение при малых токах нагрузки, а также прохождение высокочастотных сигналов, подобных аудио или видео.

Правда, для этого варианта коммутации существуют и доступны специальные полупроводниковые переключатели.

Изготовление твердотельного реле своими руками

Непосредственно своими руками, каждому электронщику среднего уровня под силу собрать простое твердотельное реле. Прибор, сделанный своими руками, может использоваться для управления нагрузкой, питаемой от бытовой сети переменного тока.

К примеру, можно сделать более эффективным управление лампами освещения или электродвигателями, если собрать электронный регулируемый коммутатор по следующей схеме.

Схема твердотельного реле для сборки
Схема для сборки своими руками под нагрузку 300-600 Вт при напряжении 120 — 220В: 1 — оптопара МОС 320, МОС 341; 2 — симистор BTA06-600B; 3 — управляющий сигнал от микроконтроллера

Схема основана на электронном устройстве развязки — оптопаре MOC 3020. Между тем опто-симисторный регулятор MOC 3041 имеет те же характеристики, но дополнительно наделён встроенной системой детектирования пересечения точки нуля.

Этот вариант позволяет получить полную мощность без тяжелых пусковых токов при переключении индуктивных нагрузок. Благодаря диоду D1 предотвращается повреждение схемы по причине обратного подключения входного напряжения.

Резистор R3, номиналом 56 Ом, шунтирует прохождение токов, когда симистор находится в состоянии закрытого перехода, исключая ложное срабатывание.

Этим же резистором организуется связь терминала затвора с нижним по схеме электродом, чем обеспечивается полное закрытие перехода симистора.

Если используется входной сигнал широтно-импульсной модуляции, частота переключения режимов «включено-отключено» должна быть установлена максимум на 10 Гц не более для нагрузки переменного тока. В противном случае, переключение состояния выходной цепи реле может быть нарушено.

Подробный видео-рассказ о принципах работы ТТР 


По материалам: Electronics-tutorials

Добавить комментарий

Внимание: Спам не пройдёт. Работает фильтрация комментариев. *