Твърдотелно реле: видове, практическо приложение, схеми за свързване

Класическите пускатели и контактори постепенно изчезват от употреба. Тяхното място в автомобилната електроника, битовата техника и промишлената автоматика се заема от твърдотелното реле – полупроводниково устройство, в което липсват каквито и да е подвижни части.

Приборите имат различни конструкции и схеми за свързване, от които зависят техните сфери на приложение. Преди да използвате устройството, е необходимо да разберете неговия принцип на действие, да научите особеностите на функционирането и свързването на различните видове релета. Отговорите на посочените въпроси са подробно изложени в представената статия.

Устройство на твърдотелното реле

Съвременните твърдотелни релета (ТТР) представляват модулни полупроводникови прибори, които са силови електропревключватели.

Ключовите работни възли на тези устройства са представени от симистори, тиристори или транзистори. ТТР нямат подвижни части, с което се различават от електромеханичните релета.

Размерът на твърдотелното реле до голяма степен зависи от максимално допустимия товар и възможността за отвеждане на топлина чрез топлопредаване и конвекция (+)

Вътрешното устройство на тези прибори може значително да се различава в зависимост от типа на регулируемия товар и електрическата схема.

Най-простите твърдотелни релета включват такива възли:

• входен възел с предпазители;
• тригерна верига;
• оптична (галванична) развръзка;
• превключващ възел;
• защитни вериги;
• възел за изход към товара.

Входният възел на ТТР представлява първична верига с последователно свързан резистор. Предпазителят в тази верига се вгражда опционално. Задачата на входния възел е приемане на управляващия сигнал и предаване на команда на превключвателите, комутиращи товара.

При променлив ток за разделяне на управляващата и основната верига се използва галванична развръзка. От нейното устройство до голяма степен зависи принципът на работа на релето. Тригерната верига, отговорна за обработката на входния сигнал, може да бъде включена във възела на оптичната развръзка или да бъде разположена отделно.

Защитният възел предотвратява възникването на претоварвания и грешки, тъй като в случай на повреда на прибора може да излезе от строя и свързаната техника.

Основното предназначение на твърдотелните релета е затваряне/отваряне на електрическата мрежа с помощта на слаб управляващ сигнал. За разлика от електромеханичните аналози, те са с по-компактна форма и не издават характерни щракания при работа.

Принцип на работа на ТТР

Работата на твърдотелното реле е доста проста. Повечето ТТР са предназначени за управление на автоматика в мрежи 20-480 V.

Оптичната развръзка позволява създаването на управляващи сигнали с минимална мощност, което е критично важно за сензори, работещи от автономни източници на захранване (+)

При класическото изпълнение в корпуса на устройството влизат два контакта на комутираната верига и два управляващи проводника. Броят им може да се променя при увеличаване на броя на свързаните фази. В зависимост от наличието на напрежение в управляващата верига се осъществява включване или изключване на основния товар с полупроводникови елементи.

Особеност на твърдотелните релета е наличието на небезкрайно съпротивление. Ако контактите в електромеханичните устройства напълно се разединяват, то при твърдотелните липсата на ток във веригата се осигурява от свойствата на полупроводниковите материали.

Затова при повишени напрежения е възможно появата на малки токове на изтичане, които могат да се отразят негативно на работата на свързаната техника.

Класификация на твърдотелните релета

Сферите на приложение на релетата са разнообразни, поради което и техните конструктивни особености могат да се различават значително, в зависимост от нуждите на конкретната автоматична схема. Класифицират ТТР по броя на свързаните фази, вида на работния ток, конструктивните особености и типа на схемата на управление.

Според броя на свързаните фази

Твърдотелните релета се използват както в състава на домакински уреди, така и в промишлената автоматика с работно напрежение 380 V.

Затова тези полупроводникови устройства, в зависимост от броя на фазите, се разделят на:

• еднофазни;
• трифазни.

Еднофазните ТТР позволяват работа с токове 10-100 или 100-500 A. Управлението им се осъществява с помощта на аналогов сигнал.

Към трифазното реле се препоръчва да се свързват проводници с различни цветове, за да може при монтажа на оборудването да бъдат правилно присъединени.

Трифазните твърдотелни релета са способни да пропускат ток в диапазон 10-120 A. Тяхното устройство предполага реверсивен принцип на функциониране, който осигурява надеждност на регулирането едновременно на няколко електрически вериги.

Често трифазните ТТР се използват за осигуряване работата на асинхронен двигател. В неговата електросхема за управление задължително се включат бързи предпазители поради високите пускови токове.

Според вида на работния ток

Твърдотелните релета не могат да бъдат настройвани или препрограмирани, поради което могат да работят нормално само в определен диапазон на електрическите параметри на мрежата.

В зависимост от потребностите, ТТР могат да се управляват от електрически вериги с два вида ток:

• постоянен;
• променлив.

Аналогично, ТТР могат да бъдат класифицирани и по вида на напрежението на активния товар. Повечето релета в битовите уреди работят с променливи параметри.

Постоянният ток не се използва като основен източник на електрическа енергия в никоя страна по света, поради което релетата от този тип имат ограничена област на приложение.

Устройствата с постоянен управляващ ток се характеризират с висока надеждност и използват напрежение 3-32 V за регулиране. Те издържат на широк температурен диапазон (-30..+70°C) без значителна промяна на характеристиките.

Релетата, които се регулират от променлив ток, имат управляващо напрежение 3-32 V или 70-280 V. Те се отличават с ниски електромагнитни смущения и висока скорост на задействане.

Според конструктивните особености

Твърдотелните релета често се инсталират в общото електрическо табло на апартамента, поради което много модели имат монтажна скоба за закрепване на DIN-шина.

Освен това съществуват специални радиатори, които се разполагат между ТТР и опорната повърхност. Те позволяват охлаждане на устройството при високи натоварвания, като запазват неговите работни характеристики.

Релето се закрепва на DIN-шина предимно чрез специален кронштейн, който има и допълнителна функция – отвежда излишната топлина при работа на уреда.

Между релето и радиатора се препоръчва да се нанесе слой термопаста, който увеличава контактната площ и подобрява топлоотдаването. Съществуват и ТТР, предназначени за закрепване към стената с обикновени винтове.

Според типа на схемата за управление

Не винаги принципът на работа на регулируемата релейна техника изисква мигновеното му задействане.

Поради това производителите са разработили няколко схеми за управление на ТТР, които се използват в различни сфери:

1. Контрол „през нула“. Такъв вариант на управление на твърдотелното реле предполага задействане само при стойност на напрежението, равна на 0. Използва се в устройства с капацитивен, резистивен (нагреватели) и слаб индуктивен (трансформатори) товар.
2. Мигновено. Използва се при необходимост от рязко задействане на релето при подаване на управляващ сигнал.
3. Фазово. Предполага регулиране на изходното напрежение чрез промяна на параметрите на управляващия ток. Прилага се за плавна промяна на степента на нагряване или осветление.

Твърдотелните релета се различават и по много други, по-малко значими, параметри. Поради това при покупка на ТТР е важно да се разбере схемата на работа на свързваната техника, за да се придобие максимално подходящото за нея регулиращо устройство.

Непременно трябва да бъде предвиден резерв на мощност, защото релето има експлоатационен ресурс, който бързо се изразходва при чести претоварвания.

Предимства и недостатъци на ТТР

Твърдотелните релета не без основание изместват от пазара обикновените пускатели и контактори. Тези полупроводникови уреди притежават множество предимства пред електромеханичните аналози, които карат потребителите да избират именно тях.

Релето за микросхеми има компактни размери и е силно ограничено по максимално пропускания ток. Закрепват се предимно чрез запояване на специални крачета.

Към тези предимства спадат:

1. Ниска консумация на електроенергия (с 90% по-малко).
2. Компактни размери, позволяващи монтиране на устройства в ограничено пространство.
3. Висока скорост на пускане и изключване
4. Понижена шумност на работа, липсват характерните за електромеханичното реле щракания.
5. Не се предполага техническо обслужване.
6. Дълъг срок на служба благодарение на ресурс от стотици милиони превключвания.
7. Благодарение на широките възможности за модификация на електронните възли, ТТР имат разширени области на приложение.
8. Отсъствие на електромагнитни смущения при превключване.
9. Изключва се повреда на контактите вследствие на механичен удар.
10. Липса на пряк физически контакт между веригите за управление и комутация.
11. Възможност за регулиране на товара.
12. Наличие в импулсните ТТР на автоматични вериги, предпазващи от претоварвания.
13. Възможност за използване във взривоопасни среди.

Посочените предимства на твърдотелните релета не винаги са достатъчни за нормална работа на оборудването. Именно поради това те все още не са напълно изместили електромеханичните контактори.

За стабилна работа на мощни твърдотелни релета е важен ефективният отвеждане на топлина, защото при повишени температури рязко се изкривява напрежението на товара (+)

ТТР имат и недостатъци, които не им позволяват да се използват в много случаи.

Към минусите спадат:

1. Невъзможност за работа на повечето устройства с напрежения над 0,5 kV.
2. Висока цена.
3. Чувствителност към високи токове, особено в пусковите вериги на електродвигатели.
4. Ограничения за използване в условия на повишена влажност.
5. Критично намаляване на работните характеристики при температури под -30°C и над 70°C.
6. Компактният корпус води до прегряване на устройството при стабилно високи натоварвания, което изисква прилагане на специални устройства за пасивно или активно охлаждане.
7. Възможност за разтопяване на устройството от нагряване при късо съединение.
8. Микротокове в затворено състояние на релето могат да бъдат критични за работата на оборудването. Например, включените в мрежата луминесцентни лампи могат периодично да светват.

По този начин твърдотелните релета имат определени области на приложение. В веригите на високоволтово промишлено оборудване тяхното използване е силно ограничено поради несъвършените физични свойства на полупроводниковите материали.

Въпреки това в битовата техника и автомобилната промишленост ТТР заемат стабилни позиции благодарение на своите положителни свойства.

Възможни схеми за свързване

Схемите на свързване на твърдотелните релета могат да бъдат най-разнообразни. Всяка електрическа верига се изгражда, като се изхожда от особеностите на свързвания товар. Към схемата могат да се добавят допълнителни предпазители, контролери и регулиращи устройства.

Благодарение на това, че веригите за управление и товарът в устройството не се припокриват, техните електрически характеристики могат да се различават по всякакви параметри (+)

По-нататък ще бъдат представени най-простите и разпространени схеми за свързване на ТТР:

• нормално отворена;
• със свързан контур;
• нормално затворена;
• трифазна;
• реверсивна.

Нормално отворена (разкъсана) схема – реле, при което товарът е под напрежение при наличие на управляващ сигнал. Тоест свързаната техника се оказва в изключено състояние при обезточени входове 3 и 4.

Преди покупката на реле е необходимо да се определи изискваният тип на неговото първоначално състояние (затворено или отворено), за да се осигури правилна работа на свързаната техника (+)

Нормално затворена схема – подразбира се реле, при което товарът е под напрежение при отсъствие на управляващ сигнал. Тоест свързаната техника се оказва в работно състояние при обезточени входове 3 и 4.

Съществува схема за свързване на твърдотелно реле, при която управляващото и товарното напрежение са еднакви. Такъв начин може да се използва едновременно за работа в мрежи с постоянен и променлив ток.

Трифазни релета се свързват по малко по-различни принципи. Контактите могат да се съединяват в варианти «Звезда», «Триъгълник» или «Звезда с неутрала».

Изборът на трифазна схема за свързване на реле до голяма степен зависи от особеностите на работа на техниката, свързана към него като товар.

Реверсивни твърдотелни релета се прилагат в електродвигатели в съответния режим. Те се изработват в трифазен вариант и включват два контура за управление.

Ако за релето е важно спазването на полярността при свързване на контактите, то на маркировката винаги ще бъде посочено къде да се свързват фазата и нулата.

Сглобяването на електрически вериги с ТТР трябва да се извършва само след предварителното им изчертаване на хартия, тъй като неправилно свързаните устройства могат да се повредят поради късо съединение.

Практическо приложение на устройствата

Сферата на използване на твърдотелните релета е доста обширна. Поради високата надеждност и липсата на необходимост от редовна поддръжка, те често се инсталират в труднодостъпни места на оборудването.

В много релета свързването на проводниците на управляващия контур изисква спазване на полярността, което трябва да се вземе предвид в процеса на монтаж на оборудването.

Основните сфери на приложение на ТТР са:

• система за терморегулация с използване на ТЕНове;
• поддържане на стабилна температура в технологичните процеси;
• контрол на работата на трансформаторите;
• регулиране на осветлението;
• схеми на сензори за движение, осветление, фотосензори за улично осветление и т.н.;
• управление на електродвигатели;
• източници на непрекъсваемо захранване.

С увеличаване на автоматизацията на домакинските уреди, твърдотелните релета придобиват все по-широко разпространение, а развиващите се полупроводникови технологии постоянно откриват нови сфери на тяхното приложение.

При желание можете да сглобите твърдотелно реле сами. Подробна инструкция е представена в тази статия.

Изводи и полезно видео по темата

Представените видеоклипове ще ви помогнат да разберете по-добре работата на твърдотелните релета и да се запознаете с начините на тяхното свързване.

Практическа демонстрация на работата на най-простото твърдотелно реле:

Разбор на разновидностите и особеностите на работа на твърдотелните релета:

Тестване на работата и степента на нагряване на ТТР:

Почти всеки човек може да сглоби електрическа верига от твърдотелно реле и сензор.

Планирането на работната схема обаче изисква основни познания в електротехниката, тъй като неправилното свързване може да доведе до токов удар или късо съединение. За сметка на това, в резултат на правилните действия могат да се получат множество полезни в бита уреди.

Имате ли какво да добавите или имате въпроси по темата за свързване и приложение на твърдотелните релета? Можете да оставяте коментари към публикацията, да участвате в дискусиите и да споделяте собствен опит от използването на такива устройства. Формата за контакт се намира в долния блок.