Твердотельные реле: инновационный подход к управлению электрическими цепями

Современная промышленность и бытовая электроника требуют все более эффективных и надежных способов управления электрическими нагрузками. Твердотельные реле являются одним из таких решений, которые предлагают ряд преимуществ по сравнению с традиционными механическими реле и контакторами.

В этой статье мы подробно разберем, что такое твердотельные реле, как они работают, какие типы существуют, а также их особенности и области применения. Мы также обсудим преимущества использования твердотельных реле в промышленности, энергетике, железнодорожной и автомобильной электронике и других областях.

Твердотельное реле (ТТР) — это электронное устройство, которое используется для включения и выключения высокомощностной цепи с помощью низких напряжений, подаваемых на клеммы управления. Оно не содержит движущихся частей и работает на основе полупроводниковых технологий, таких как тиристоры и транзисторы. ТТР являются современной альтернативой традиционным пускателям и контакторам, бывают одно-, двух-, трех- и многоканальные.

 

 

 

 

 

 

 

 

Типовая схема твердотельного реле переменного тока

 

Твердотельное реле состоит из нескольких основных компонентов:

Входная цепь: принимает сигнал управления от управляющего устройства и преобразует его в форму, необходимую для управления полупроводниковым элементом через гальваническую развязку. Это может быть стабилизатор тока или напряжения, импульсный преобразователь.

Гальваническая развязка: обеспечивают изоляцию между управляющей и силовой цепями. Обычно используются оптические изоляторы или трансформаторы для передачи сигнала управления от управляющей цепи к силовой. Это обеспечивает надежную изоляцию между двумя цепями и защищает управляющую электронику от возможных проблем, связанных с безопасностью, помехами, высоким напряжением или током в силовой цепи.

Полупроводниковый элемент: основной компонент реле, который осуществляет коммутацию нагрузки. Это может быть одиночный/сдвоенный транзистор, симистор или пара встречно-параллельных тиристоров. В зависимости от типа используемого полупроводникового элемента ТТР могут выполнять функцию коммутации АС, DC, и АС/DC нагрузки.

Цепь защиты: обеспечивает защиту полупроводникового элемента от перегрева, перегрузки по току, перенапряжения и других факторов, которые могут привести к его выходу из строя.

Основные функциональные блоки ТТР

Принцип работы ТТР заключается в следующем:

– при подаче управляющего сигнала на входную цепь, она через гальваническую развязку преобразует этот сигнал в сигналы управления силовым элементом, которые затем подаются на полупроводниковый элемент;
– полупроводниковый элемент открывается, пропуская ток через себя и замыкая (или размыкая) цепь нагрузки;

– в результате этого процесса нагрузка включается (или выключается), в зависимости от типа реле;

- когда управляющий сигнал исчезает, цепь питания нагрузки разрывается, и нагрузка отключается;

- таким образом, ТТР позволяет управлять мощными нагрузками без использования механических контактов, что обеспечивает высокую надежность, длительный срок службы и бесшумную работу устройства.

Важно отметить, что гальваническая развязка не гарантирует полную изоляцию между цепями, и всегда существует риск пробоя или других проблем, которые могут вызвать электрический контакт. Поэтому важно проводить тестирование и проверку систем на соответствие стандартам безопасности.

Преимущества ТТР

(перед электромеханическими реле и контакторами):

– долговечность: ТТР не имеют движущихся частей, отсутствует электрический износ, что делает их более надежными и долговечными по сравнению с механическими реле, это особенно важно в условиях интенсивной эксплуатации, когда требуется высокая надежность оборудования;

- бесшумность: ТТР работают бесшумно, что важно в условиях, где шум может быть проблемой, например, в медицинских учреждениях, на транспорте или в офисных помещениях.

- быстродействие: ТТР обладают высокой скоростью переключения, что позволяет им быстро реагировать на изменения в системе, что особенно важно для процессов, требующих быстрого управления;

- энергоэффективность: ТТР потребляют меньше энергии, чем механические реле и контакторы, что снижает энергозатраты и повышает общую энергоэффективность системы;

- компактность: ТТР имеют небольшие размеры, что позволяет интегрировать их в компактные устройства и системы;

- простота монтажа и обслуживания: ТТР легко монтируются и не требуют сложной настройки и проведении периодического техобслуживания, что упрощает процесс установки и обслуживания;

- широкий диапазон рабочих температур: ТТР могут работать при высоких и низких температурах, что расширяет область их применения и делает их идеальным выбором для использования в экстремальных условиях;

- экологичность: ТТР не содержат вредных веществ, таких как ртуть, что делает их более экологически чистыми по сравнению с некоторыми другими типами реле;

- выходное сопротивление не меняется во время всего срока службы (контакты не окисляются);

- возможность переключения при переходе коммутируемого напряжения через «0»);

- отсутствие искры, что позволяет использовать устройство на взрыво- и пожароопасных объектах

– отсутствие дуги и электрических помех (дребезга) при коммутации;

- меньшая чувствительность к внешним условиям, например, вибрациям, магнитным полям, влажности и запылённости воздуха;

- совместимость с большинством компонентов логических интегральных схем без использования усилителей сигнала, буферов, драйверов и промежуточных реле.

Недостатки ТТР:

– более высокая стоимость;

– ограничения по мощности и напряжению;

– сложность диагностики и ремонта;

– чувствительность к электромагнитным помехам;

- в замкнутом состоянии нагревается за счёт сопротивления p-n-перехода, и достаточно мощные реле требуют дополнительного охлаждения;

- в разомкнутом состоянии имеет большое, но не бесконечное сопротивление, а также обратный ток утечки (микроамперы);

- ТТР для коммутации постоянного тока требуют соблюдения полярности выходных цепей;

- при выходе из строя имеют тенденцию закорачивать выходные контакты вследствие пробоя силового ключа, тогда как обычные реле чаще всего остаются разомкнутыми;

- низкая перегрузочная способность и высокую чувствительность электронных ключей к завышенному току (зависит от типа коммутирующего элемента и его запаса);

- требуют принятия мер против ложных срабатываний из-за скачков напряжения (из-за очень высокой скорости срабатывания);

- не сразу способны пропустить ток в обратном направлении из-за наличия полупроводников в схеме;

- необходимость использования быстродействующих предохранителей для защиты от КЗ.

 

Типы полупроводниковых коммутирующих элементов, используемых в

1. 1. Два встречно направленных тиристора

- возможна коммутация только АС;

- отключение всегда в «0» коммутируемого напряжения;

- отличная перегрузочная способность;

- просто реализовать включение в «нуле».

1. 2. Симистор

- возможна коммутация только АС;

- отключение всегда в «0» коммутируемого напряжения;

- хорошая перегрузочная способность;

- просто реализовать включение в «0» коммутируемого напряжения.

1. 3. Два встречно направленных транзистора

- возможность коммутации АС или DC;

- переключение в произвольный момент времени;

 - перегрузочная способности зависит от типа элемента;
- для реализации включение/выключения в «нуле» требуется сложная синхронизация с сетью.

1. 4. Один транзистор (любого типа, обычно MOSFET или IGBT)

    

- возможность коммутации только DC;

- перегрузочная способность зависит от типа элемента;

- требуется защита от перенапряжения и обратного выброса при коммутации индуктивной нагрузки.

Для всех тиков коммутирующих элементов:

- отсутствие дуги и дребезга контактов при переключении;

- неограниченно количество циклов коммутации.

Особенности коммутации различных типов нагрузки:

• Активная (или слабо индуктивная) нагрузка – в основном ТЭН, оптимальная нагрузка для всех типов ТТР, отсутствие пусковых токов и выбросов при выключении.
• Индуктивная – двигатели, трансформаторы, катушки управления контакторов, для коммутации такой нагрузки обычно используется коэффициент запаса 0,4-0,6 от максимального коммутируемого ТТР тока, дополнительно необходимо наличие на выходе или в составе ТТР схемы подавления импульса при отключении нагрузки (защитные диоды, варисторы, RC цепь). Для снижения пусковых токов оптимально использовать изделия с включением в пике коммутируемого напряжения.
• Лампы накаливания – для коммутации такой нагрузки обычно используется коэффициент запаса 0,1-0,2 от максимального коммутируемого ТТР тока, что обусловлено низким сопротивлением нити накаливания в холодном состоянии (при включении).
• Ёмкостная нагрузка – редко бывает в цепях переменного тока, чаще всего это мощные источники питания в цепях постоянного тока. При коммутации такого типа нагрузки появляются значительные пусковые токи, коэффициент запаса выбирается исходя из пусковых токов, но обычно не менее 0,7. Для снижения среднего пускового тока в цепях постоянного тока предпочтительно использовать токоограничивающие элементы (NTC-терморезисторы) ил устройства плавного пуска.

Примеры использования твердотельных реле:

 

 

Твердотельные реле представляют собой инновационное решение для управления электрическими нагрузками, которое становится все более популярным в различных отраслях промышленности, на транспорте, бытовой электронике и являются ключевым элементом в современной электронике, обеспечивая высокую надежность, долговечность и эффективность работы. Они используются в различных устройствах и системах, где требуется быстрое и точное управление электрическими нагрузками. Замена электромагнитных контакторов на твердотельные реле является одним из наиболее эффективных способов модернизации и повышения эффективности работы электрооборудования подвижного состава и транспорта.

ТТР могут быть использованы в различных системах транспорта, включая:

Автомобильная электроника: ТТР могут использоваться для управления различными системами автомобиля, такими как освещение, вентиляция, кондиционирование воздуха, обогрев стекол и зеркал, а также для управления двигателем и трансмиссией.

Железнодорожный транспорт: ТТР могут использоваться для управления системами сигнализации, освещения, вентиляции и кондиционирования воздуха в поездах, а также для управления двигателями и тормозами. ТТР широко применяются в системах железнодорожной автоматики и телемеханики для коммутации различных цепей и нагрузок.

Авиационная электроника: ТТР могут использоваться для управления различными системами самолета, такими как освещение, вентиляция, кондиционирование воздуха, обогрев стекол и зеркал, а также для управления двигателями и системами навигации.

Морской транспорт: ТТР могут использоваться для управления системами освещения, вентиляции и кондиционирования воздуха на кораблях, а также для управления двигателями и системами навигации.

Общественный транспорт: ТТР могут использоваться для управления системами освещения, вентиляции и кондиционирования воздуха в автобусах, трамваях и метро, а также для управления двигателями и системами безопасности.

Электромобили и гибридные автомобили: ТТР могут использоваться для управления системами зарядки аккумуляторов, а также для управления системами рекуперативного торможения.

Системы автоматизации и контроля: ТТР могут быть использованы в системах автоматизации и контроля, таких как автоматические ворота, шлагбаумы, системы безопасности и контроля доступа.

В промышленности ТТР могут быть использованы в различных системах и процессах, включая:

Управление производственными линиями: ТТР могут использоваться для управления различными машинами и оборудованием на производственных линиях, такими как конвейеры, роботы, прессы и станки.

Управление освещением: ТТР могут использоваться для включения и выключения освещения в производственных помещениях, складах и других промышленных объектах.

Управление вентиляцией и кондиционированием воздуха: ТТР могут использоваться для регулирования температуры и влажности в производственных помещениях.

Управление насосами и компрессорами: ТТР могут использоваться для контроля работы насосов и компрессоров, используемых в системах водоснабжения, отопления и охлаждения.

Управление электроприводами: ТТР могут использоваться для контроля скорости и направления вращения электродвигателей, используемых в различных промышленных процессах.

Управление электротермическим оборудованием: ТТР могут использоваться для регулирования мощности и температуры в печах, сушилках и другом электротермическом оборудовании.

Управление технологическими процессами: ТТР могут использоваться для контроля и регулирования различных параметров в технологических процессах, таких как давление, температура, уровень жидкости и т.д.

Таким образом, ТТР широко применяются в различных системах транспорта и в промышленности, обеспечивая быстрое и точное управление электрическими нагрузками.

Будущее развития ТТР обещает дальнейшее расширение их применения и улучшение технических характеристик, что сделает их незаменимым инструментом в современном мире