Радиатор для твердотельного реле своими руками

Обновлено: 05.07.2024

Твердотельное реле – это современный модульный полупроводниковый прибор, содержащий в своем составе мощные силовые ключи на симисторах, тиристорах либо транзисторах. Такие реле используются для замены традиционных электромагнитных реле, контакторов и пускателей, так как обеспечивают наиболее надежный метод коммутации.

Твердотельные реле, как правило, состоит из оптопары, которая изолирует входную цепь пуска, оптопару – гальваническую развязку и мощный симистор, который выступает в качестве выключателя. Его название происходит от схожести с электромеханическими реле, но по сравнению с обычными, не происходит механического износа, кроме того, ТТР имеют возможность переключать даже очень большие токи. В этом случае у электромеханических реле быстро износятся контакты. Также эти реле позволяют переключать нагрузку со скоростью гораздо выше, чем у электромеханических реле.

Преимущества твердотельных реле

– Нет механических деталей, подверженных износу.
– Включение и выключение нагрузки происходит только при переходе напряжения через ноль.
– Отсутствие электрических помех при работе.
– Широкий диапазон рабочих напряжения.
– Высокий уровень изоляции между управлением и цепью нагрузки.
– Высокая механическая прочность.
– Отсутствие шума при коммутации.

Если у вас возникли проблемы с покупкой готового твердотельного реле, ассортимент которых уже достаточно широк, можно спаять его самому, по нижеприведённой схеме.

Принципиальная схема твердотельного реле

Особенности данной схемы:

Твердотельное реле (ТТР) или в буржуйском варианте Solid State Relay (SSR) — это особый вид реле, которые выполняют те же самые функции, что и электромагнитное реле, н о имеет другую начинку, состоящую из полупроводниковых радиоэлементов, которые имеют своем составе силовые ключи на тиристорах, симисторах или мощных транзисторах.

Виды твердотельных реле

Выглядеть ТТР могут по-разному. Ниже на фото слаботочные реле

Такие релe используются в печатных платах и предназначены для коммутации (переключения) малого тока и напряжения.

На ТТР строят также сразу готовые модули входов-выходов, которые используются в промышленной автоматике

А вот так выглядят реле, используемые в силовой электронике, то есть в электронике, которая коммутирует большую силу тока. Такие реле используется в промышленности в блоках управления станков ЧПУ и других промышленных установках

Слева однофазное реле, справа трехфазное.

Если через коммутируемые контакты силовых реле будет проходить приличный ток, то корпус реле будет очень сильно греться. Поэтому, чтобы реле не перегревались и не выходили из строя, их ставят на радиаторы, которые рассеивают тепло в окружающее пространство.

Твердотельные реле по типу управления

ТТР могут управляться с помощью:

1) Постоянного тока. Его диапазон составляет от 3 и до 32 Вольт.

2) Переменного тока. Диапазон переменного тока составляет от 90 и до 250 Вольт. То есть такими реле можно спокойно управлять с помощью сетевого напряжения 220 В.

3) С помощью переменного резистора. Значение переменного резистора может быть в диапазоне от 400 и до 600 Килоом.

Твердотельные реле по типу переключения

С коммутацией перехода через ноль

Посмотрите внимательно на диаграмму

Такие ТТР на выходе коммутируют переменный ток. Как вы здесь можете заметить, когда мы подаем на вход такого реле постоянное напряжение, у нас коммутация на выходе происходит не сразу, а только тогда, когда переменный ток достигнет нуля. Выключение происходит подобным образом.

Для чего это делается? Для того, чтобы уменьшить влияние помех на нагрузках и уменьшить импульсный бросок тока, который может привести к выходу нагрузки из строя, если тем более нагрузкой будет являться схема на полупроводниковых радиоэлементах.

Схема подключения и внутреннее строение такого ТТР выглядит примерно вот так:

Мгновенного включения

Здесь все намного проще. Такое реле сразу начинает коммутировать нагрузку при появлении на нем управляющего напряжения. На диаграмме видно, что выходное напряжение появилось сразу, как только мы подали управляющее напряжение на вход. Когда мы уже снимаем управляющее напряжение, реле выключается также, как и ТТР с контролем перехода через ноль.

В чем минус данного ТТР? При подаче на вход управляющего напряжения, у нас на выходе могут возникнуть броски тока, а в следствии и электромагнитные помехи. Поэтому, данный тип реле не рекомендуется использовать в радиоэлектронных устройствах, где есть шины передачи данных, так как в этом случае помехи могут существенно помешать передаче информационных сигналов.

Внутреннее строение ТТР и схема подключения нагрузки выглядят примерно вот так:

С фазовым управлением

Здесь все намного проще. Меняя значение сопротивления, мы тем самым меняем мощность на нагрузке.

Примерная схема подключения выглядит вот так:

Работа твердотельного реле

В гостях у нас ТТР фирмы FOTEK:

Давайте разберемся с его обозначениями. Вот небольшая табличка-подсказка для этих типов реле

Давайте еще раз взглянем на наше ТТР

SSR — это значит однофазное твердотельное реле.

40 — это на какую максимальную силу тока она рассчитана. Измеряется в Амперах и в данном случае составляет 40 Ампер.

А — тип коммутируемого напряжения. Alternative current — переменный ток. Цепляемся в этом случае к выводам №1 и №2. Можем коммутировать диапазон от 24 и до 380 Вольт переменного напряжения.

Для опыта нам понадобится лампа накаливания на 220 Вольт и простая вилка со шнуром. Соединяем лампу со шнуром только в одном месте:

В разрыв вставляем наше твердотельное реле

Втыкаем вилку в розетку и…

Нет… не хочет… Чего-то не хватает…

Не хватает управляющего напряжения! Выводим напряжение от Блока питания от 3 и до 32 Вольт постоянного напряжения. В данном случае я взял 5 Вольт. Подаю на управляющие контакты и…

О чудо! Лампочка загорелась! Это значит, что контакт №1 замкнулся с контактом №2. О срабатывании реле нам также говорит и светодиод на корпусе самого реле.

Интересно, какую силу тока потребляют управляющие контакты реле? Итак, имеем на блоке 5 Вольт.

А сила тока получилась 11,7 миллиампер! Можно управлять хоть микроконтроллером!

Достоинства твердотельных реле широко известны - они не имеют движущихся механических частей, и, следовательно, нет причин для их механического повреждения и износа. Однако, традиционные твердотельные реле могут быть выведены из строя от воздействия трех локальных факторов: перенапряжения, перегрузки по току (в том числе к.з.), и перегреву из-за недостаточного отвода тепла. Так, например, для большинства твердотельных реле действует условие, что температура основания реле не должна превышать 80°С.

Радиаторы РТР имеют четыре модификации, соответствующие типу используемого реле и току нагрузки - до 20А, до 40А, до 60А и до 100А.

Кроме того, при применении радиаторов охлаждения для твердотельных реле необходимо соблюдать следующие условия:

радиаторы устанавливаются с вертикальным расположением ребер, чтобы ничто не мешало естественной циркуляции воздуха вдоль радиатора;
использование теплопроводящей пасты улучшает теплопередачу от реле к радиатору.

Кроме того, твердотельное реле не должно устанавливаться в замкнутом пространстве, лишенном движения воздуха, а также на пластиковой, либо окрашенной поверхности.

В качестве коммутационных устройств, соединяющих или разъединяющих электрические цепи при изменении входных величин тока, используются различные виды реле.

На смену стандартным электромеханическим устройствам пришли твердотельные реле, обеспечивающие бесконтактную коммутацию силовых цепей.

Полупроводниковые приборы предназначены для установки в системах переменных или постоянных токов.

Что представляют собой твердотельные реле

Полупроводниковый блок состоит из следующих элементов:

входного узла, принимающего управляющий сигнал и передающего команды на переключатели;
триггерной схемы, отвечающей за передачу входящего сигнала, включенной в комплекс оптической развязки, или располагаемой автономно;
оптических или гальванических развязок, применяемых для разделения контролирующих и основных цепей переменных токов;
узла переключения, контролирующего нагрузки приборов и устройств;
защиты, предохраняющей от перегрузок и коротких замыканий (КЗ);
предохранителей, предназначенных для отключения защитной цепи;
выходного узла, представленного парой клемм или контактов, используемого для подключения нагрузок.

Вся конструкция выполнена в виде единого блока, в котором состав элементов может меняться, в зависимости от типа установки.

Силовыми элементами для постоянных токов являются транзисторы различных типов.

Для переменных - применяются сборки на безе тиристоров и симисторов.

Основные элементы ТТР

Твердотельные модели являются более компактными и бесшумными, не имеют движущихся деталей.

Габариты зависят от максимально допустимых нагрузок и способности отводить тепло.

Применение

Твердотельные реле используются для контроля за электронными приборами, оборудованием и автоматическими системами, подключенными к электрической сети мощностью от 20 до 480 Ватт.

Применяются в различных сферах:

автоматике промышленных процессов;
различных бытовых установках;
системах регуляции тепла в ТЭНах;
в системах регулировки освещения и датчиках движения;
электронике автомобилей.

Реле имеется в холодильниках, чайниках, стиральных машинах, нагревательных ТЭНах, бесперебойных источниках питания.

Области использования твердотельных приборов зависят от их конструкции, схем подключения и прочих условий функционирования.

ТТР не нуждаются в постоянном обслуживании, и могут устанавливаться в любые труднодоступные места.

Популярность твердотельных устройств возрастает с каждым днем, благодаря повсеместной автоматизации.

Виды и классификация

1. По способу монтажа

Выпускаются различные модели ТТР с креплением на опорные поверхности, печатные платы или на DIN-рейки.

Рисунок 3. Прибор для установки на печатную плату.

Для охлаждения реле используются специальные радиаторы, устанавливаемые между опорой и блоком.

Для дополнительной защиты от перегрева на поверхность прибора наносится термопаста, для повышения теплоотдачи, за счет увеличения площади соприкосновения.

Существуют модели, предназначенные для крепления шурупами непосредственно к стене.

Для установки в электрощит выпускаются ТТР с креплениями на ДИН-рейку.

Для отвода лишнего тепла реле крепится к рейке через кронштейны.

2. По типу переключения коммутируемой сети

3. По виду рабочего тока

Твердотельные реле могут управляться электрическими цепями с двумя видами тока:

Коммутации постоянного тока применяют при постоянном напряжении до 32 вольт.

Большинство работают на переменных токах. Такие приборы отличаются мгновенным срабатыванием, экономичностью и низкой степенью электромагнитных помех. Рабочие напряжения — 90-250 вольт.

4. По количеству подключенных фаз

Однофазные, работающие в диапазоне 10-100 и 100-500А, устанавливаются в бытовых приборах.
Трехфазные, 10-120 А, коммутирующее напряжение сразу на трех фазах.

Управление однофазными приборами выполняются посредством аналогового сигнала и переменного резистора.

Устройство трехфазных реле предполагает реверсивную работу, обеспечивающую регулирование нескольких электрических цепей одновременно.

Трехфазное реле

Чтобы выполнить правильное присоединение при монтаже оборудования к трехфазному реле подключают провода различных цветов.

Конструкция

Основной элемент твердотельных реле — электронная плата, состоящая из трех главных элементов:

Блока управления, обеспечивающего стабильные уровни напряжения, которое на входе составляет от 70 до 220 Вольт.
Узла развязки, состоящего из элементов, подающих и принимающих световой сигнал. Между передающими и принимающими элементами расположен прозрачный диэлектрик.
Силовых ключей:

для постоянного тока — на базе транзисторов.
для переменного — на базе

симисторов или тиристоров.

Внутренние элементы реле.

Устройство должно монтироваться после нагрузки, с последующим заземлением, для предотвращения КЗ.

Схемы подключения

Электрические схемы строятся в зависимости от особенностей подключения нагрузки.

К наиболее распространенным схемам относятся:

Электрические цепи с твердотельными реле собирают точно по схеме, с соблюдением полярности.

Неправильное подключение приборов может привести к удару электричеством, выходу из строя из-за КЗ.

Принцип действия

Чтобы понять принцип работы твердотельного реле, нужно знать их конструктивные особенности.

Взаимодействие управляемого и управляющего сигнала обеспечивает гальваническая или оптическая развязка.

Одним из основных элементов ТТР является оптоизолятор, или оптопара в виде светодиода и фоточувствительного устройства, изолирующего вход от выхода.

При прохождении электричества через светодиод, подключенный к входной секции твердотельного реле, он загорается. Фокусируясь через зазор, свет передается на фоточувствительный транзистор или семистор.

Принцип действия устройства заключается в замыкании и размыкании контактов, передающих напряжение.

Схема всех твердотельных устройств примерно одинаковая. Незначительные отличия в различных моделях совершенно не влияют на его функции.

Работа механизма заключается в замыкании и размыкании контактных клемм, передающих напряжение.

Технические характеристики

При выборе ТТР руководствоваются характеристиками:

габаритные размеры;
величина напряжения на входе и выходе;
перегрузочная способность;
потребляемая мощность;
материал изготовления;
тип монтажа;
прочность изоляции и пр.

Характеристики твердотельных реле могут отличаться, в зависимости от вида устройства.

Таблица 1. Усредненные характеристики ТТР.

Наименование

Показатель

не больше 7.5 мА

Метод управления в реле для постоянного тока

мгновенно через оптрон

Метод коммутации в реле для переменного тока

до 10 номинальных токов в течение 10 мс

2,5 кВ АС в течение 1 минуты

Отличие твердотельных реле от электромагнитных

Электромагнитные модели имеет катушку управления и подвижную контактную группу.

На катушку подается напряжение от кнопочного поста или системы управления.

Электричество, протекая через катушку, создает электромагнитное поле, притягивающее якорь с контактной группой. Контакты замыкаются.

Основное отличие твердотельных реле — отсутствие катушки управления и подвижной силовой контактной группы.

В зависимости от сферы применения, функции силовых контактов выполняют транзисторы, тиристоры, симисторы и другие полупроводниковые ключи.

В связи с отсутствием движущихся деталей, твердотельные реле не подвержены механическому износу.

Рисунок 7. Прибор в разобранном виде.

Достоинства и недостатки

К преимуществам твердотельных моделей относятся:

отсутствие шума и вибрации;
компактные размеры;
широкая сфера применения;
мгновенная скорость коммутации (тысячные доли миллисекунд);
отсутствие электромагнитных помех при включении;
продолжительный ресурс, благодаря отсутствию движущихся деталей;
постоянность выходного сопротивления в течение всего срока эксплуатации;
минимальное потребление электрической энергии;
возможность регулирования нагрузки;
низкая чувствительность к вибрациям, повышенной влажности, запыленности, воздействию магнитных полей.

Ресурс переключений твердотельных реле в тысячу и более раз выше, чем у электромагнитных аналогов.

При работе таких приборов исключена возможность появления искр при переключении, что позволяет использовать устройства на взрыво- и пожароопасных объектах.

Основные недостатки твердотельных реле:

нагревание прибора, связанное с высоким сопротивлением в цепи p-n перехода;
частое ложное срабатывание при скачках напряжения;
возможность выхода из строя силового ключа, при перегрузках и коротких замыканиях;
высокая стоимость.

У ТТР имеется ток утечки, из-за которого фазный провод может находиться под напряжением даже при отключенном реле.

Приборы, рассчитаны на работу в условиях постоянного тока, требуют строгого соблюдения полярности при подключении выходных цепей.

Твердотельные реле периодически проверяют на предмет целостности корпуса и изоляции.

Выбор твердотельного реле

Перегрузочные свойства ТТР, коммутирующих ток переменный, значительно выше, чем у приборов, коммутирующих ток постоянный.

Читайте также: