С самого начала развития электротехники для коммутации мощных сигналов посредством маломощных управляющих источников использовались реле электромеханической конструкции. До наших дней они дошли почти в том же виде со всеми присущими этой системе недостатками. В наши дни из многих областей классические устройства вытесняются твердотельными реле.
Значение и применение твердотельных реле
Твердотельные реле применяются для коммутации сигналов постоянного и переменного тока там же, где и обычные электромеханические устройства. Преимущественная сфера использования – промышленная и бытовая автоматика, там, где требуется управление нагрузкой путем подачи маломощных сигналов.
Конструкция и принцип работы
Полупроводниковые коммутаторы имеют различную схемотехнику, но общий принцип построения примерно одинаков для всех, независимо от того, как устроена конкретная модель:
- На входе стоит датчик входного сигнала.
- Схема развязки между входом и выходом (гальваническая или, что чаще, оптическая).
- Силовой управляющий элемент (тиристор, симистор, полевой или биполярный транзистор).
Сигнал необходимого уровня подается на входной датчик, далее через схему развязки на силовой управляющий элемент. При этом коммутирующий элемент изменяет свое состояние на противоположное.
Благодаря развязке достигается минимизация или полное исключение влияния входного и коммутируемого сигнала друг на друга.
Типы и конфигурации
Классифицировать твердотельные коммутаторы можно по различным признакам. По типу коммутации силовой цепи устройства делятся на три класса:
- Мгновенные – переключение производится сразу после подачи управляющего сигнала.
- Фазовое – фактически представляет собой регулятор мощности нагрузки, обладающей значительной тепловой инерцией, изменяет средний ток нагрузки путем задержки момента включения после перехода сетевого напряжения через ноль.
Принцип фазового управления нагрузкой - Со срабатыванием при переходе сетевого напряжения через нулевое значение – такие коммутаторы генерируют в сеть намного меньше помех.
По виду тока управления реле можно разделить:
- с управлением постоянным током;
- с управлением переменным током.
Такое же деление на классы по роду тока силовой цепи – устройства для коммутации переменного тока и реле постоянного тока. У электромагнитного реле такое деление отсутствует, потому что контакты могут пропускать ток в любую сторону. А у полупроводникового устройства род коммутируемого тока зависит от ключевого элемента – тиристоры и биполярные транзисторы пропускают ток только в одном направлении.
Это также означает, что при подключении такого реле надо соблюдать полярность.
По количеству каналов управления реле могут быть одноканальные (аналог одной контактной группы) или многоканальные (для коммутации в трехфазных цепях удобно использовать трехканальные устройства). А в некоторых случаях при выборе важна возможность коммутации нагрузки с большой реактивностью (индуктивного или ёмкостного характера).
Какие преимущества по сравнению с механическими реле
По сравнению с классическими электромагнитными реле, твердотельные коммутаторы обладают несомненными преимуществами. В первую очередь, отсутствие механической системы и движущихся частей. Это означает повышенную надежность за счет исключения износа, поломок, коррозии, растягивания пружин и т.п. Отсутствие контактной группы означает, помимо повышенной надежности, еще и отсутствие искрения даже при коммутации индуктивных нагрузок, отсутствие необходимости в профилактическом обслуживании (чистке контактов) и отсутствие необходимости борьбы с дребезгом.
Что касается цепей управления, то в обычном реле для создания усилия, необходимого для движения якоря требуется достаточный ток. Для его создания требуется мощный управляющий сигнал, в то время, как твердотельным реле можно управлять с помощью небольших токов. Еще одним преимуществом полупроводниковых коммутаторов служит отсутствие катушки индуктивности – ее коммутация при управлении создает некоторые проблемы (искрение контактов источника управляющего сигнала, отрицательный выброс во время коммутации и т.п.). К плюсам относят и более низкие массогабаритные характеристики, а также меньшую стоимость. В некоторых случаях важно, что переключение полупроводникового устройства происходит с большей скоростью. В других ситуациях преимуществом является бесшумность работы твердотельных ключей.
Не обходится и без минусов, основной из которых – ненулевое переходное сопротивление силовой цепи (чистый металлический контакт электромагнитного реле дает практически нулевое сопротивление). В разомкнутом же состоянии сопротивление заметно меньше, чем у воздушного промежутка механических контактов. Оба этих неприятных момента ведут к выделению электрической мощности на силовом элементе в закрытом и открытом состоянии.
Другая проблема – не всегда линейная зависимость тока через силовой канал от приложенного напряжения, что может давать искажения коммутируемого сигнала (это ограничивает применение подобных устройств, например, в аудиотехнике или в цепях радиоприемной или передающей аппаратуры).
К недостаткам относят и необходимость применения габаритных и тяжелых радиаторов при коммутации мощных потребителе, что нивелирует преимущество в массе и размерах самого реле.
Схемы подключения и управления твердотельного реле
Принципиально подключение твердотельного реле не отличается от обычного электромеханического:
- есть вход для управляющего сигнала (аналогично обмотке обычного реле);
- к контактам силовой цепи подключается коммутируемый сигнал (аналогично контактной группе электромеханического коммутатора).
На рисунке показана типовая схема подключения полупроводникового реле. Выводы 3 и 4 соответствуют выводам катушки обычного реле. На них подается управляющее напряжение. Выводы 1 и 2 аналогичны механической контактной группе. Их включают последовательно с коммутируемой нагрузкой (в разрыв цепи).
Принципиальное отличие полупроводникового реле от электромагнитного – отсутствие значительной индуктивности во входной цепи. Это означает, что в цепи управляющего сигнала нет необходимости принимать меры по защите от искрения или от импульсов обратной полярности.
Другой пример – подключение фазового реле, управляющего уровнем нагрева ТЭНа (или яркостью свечения лампочки). Нагрузка подключается в силовую цепь коммутационного устройства через предохранитель (помня о плохой переносимости перегрузок силовыми ключами). В цепь управления подается изменяемый сигнал постоянного напряжения. Чем выше напряжение, тем раньше открывается выходной ключ реле, тем больше нагревается ТЭН (или тем ярче светит лампочка).
Видео: Изготовление твердотельного реле и объяснение его работы.
Критерии и характеристики при выборе
В первую очередь при выборе полупроводникового коммутационного устройства надо обратиться к классификации, приведенной выше. Она позволит подобрать реле, максимально подходящее по конструкции.
Затем надо определить, соответствует ли нагрузочная способность ключа нагрузке, которую предстоит коммутировать. Максимально допустимые ток и напряжение должны с запасом превосходить требуемые параметры потребителя.
Недостатком твердотельных реле является очень низкая толерантность к перегрузкам, поэтому запас должен учитывать возможность случайных всплесков тока и напряжения по силовой цепи.
В некоторых случаях важен такой параметр, как время включения и выключения. В подобных ситуациях малопригодны устройства, в качестве коммутирующего элемента которых используются тиристоры или симисторы. Они отключаются в момент нулевого перехода, а это практически всегда требует ожидания. В некоторых случаях будут важны габариты и установочные размеры устройства.
По мере развития полупроводниковой силовой электроники и улучшения характеристик твердотельные коммутаторы постепенно вытесняют устройства традиционной конструкции из многих областей электротехники. До полного исчезновения электромагнитных реле еще далеко, однако прогресс уверенно движется в выбранном направлении.
