Релейная и коммутационная техника. Твердотельное реле постоянного тока
Как сделать твердотельное реле постоянного тока с гальванической развязкой
Простейшее твердотельное бесконтактное реле с гальванической развязкой можно изготовить самостоятельно имея необходимые детали, инструменты (паяльник) и расходные материалы (припой, флюс, провода и т.д.). Для создания гальванической развязки наиболее подходящими деталями являются оптроны и трансформаторы. При использовании оптронов для управления силовым ключом приходиться использовать энергию источника питания силовой части т.к. сам оптрон энергии не передаёт - это ограничивает диапазон напряжений источника питания силовой части либо сильно усложняет схему. Для того чтобы этого избежать можно использовать трансформаторную гальваническую развязку но трансформатор может передавать только переменный ток поэтому придётся создавать преобразователь постоянного тока в переменный на стороне управляющей части и выпрямитель на стороне силовой, к счастью существует простая схема преобразователя постоянного тока в переменный на блокинг генераторе содержащая всего 3 элемента: трансформатор, резистор и транзистор. На стороне управляющей части можно поставить диодный мост для выпрямления, конденсатор для сглаживания пульсаций и стабилитрон на котором будет необходимое для управления полевым транзистором напряжение. Для стабилитрона не нужен резистор т.к. схема с блокинг генератором (в соответствующем диапазоне нагрузок) работает как источник тока, она выдаёт небольшой ток на выходе. Теперь зная то как организовать гальваническую развязку, нетрудно нарисовать схему твердотельного бесконтактного реле постоянного тока:
Рисунок 1 - Твердотельное бесконтактное реле постоянного тока с трансформаторной гальванической развязкой
При изготовлении данного реле могут возникнуть трудности при намотке трансформатора но по точкам возле условных изображений обмоток (на схеме выше) можно понять как надо их наматывать. Вторичную обмотку можно наматывать как угодно т.к. для выпрямления используется диодный мост который, в любом случае, выпрямит как надо. Для того чтобы было ещё проще понять как наматывать обмотку (и в остальном понять как собрать схему) специально сделана анимированная gif картинка ниже и видео.
Рисунок 2 - Сборка твердотельного бесконтактного реле постоянного тока с трансформаторной гальванической развязкой
Рисунок 3 - Твердотельное бесконтактное реле постоянного тока с трансформаторной гальванической развязкой (непринципиальная электрическая схема с нарисованными деталями)
Видео про данное реле:Данное реле можно применять только для коммутации постоянного тока с соблюдением полярности и если нагрузка индуктивная то параллельно с ней надо поставить обратный диод для того чтобы полевой транзистор не перегорел. Подходящие транзисторы IRF740 http://ali.pub/1en1a8 (остальные детали можно из старых теликов и микроволновок вытащить).
КАРТА БЛОГА (содержание)
electe.blogspot.com
мир электроники - Твердотельные оптоэлектронные реле и их применение
Твердотельные оптоэлектронные реле и их применение
категория
Электронные компоненты
материалы в категории
С. АРХИПОВ, г. ОрелРадио, 2003 год, № 1
Статья знакомит с некоторыми особенностями оптоэлектронных реле средней мощности, производимых ЗАО Протон-Импульс. Приведенные в ней сведения будут полезны всем читателям, использующим или разрабатывающим различные тиристорные и транзисторные коммутаторы силовых цепей.
Твердотельное оптоэлектронное реле- оптоэлектронный прибор (по принципу оптопары: светодиод-фотодиод), но оно имеет возможность управления достаточно мощной нагрузкой. Структурная схема оптоэлектронного реле выглядит вот таким образом:
По схеме видно что в отличие от обыкновенного реле оно не имеет механических контактов- исполнительным устройством здесь случит мощный полупроводниковый прибор- симистор, что значительно увеличивает срок службы такого изделия.
Представление о системе обозначений и номенклатуре выпускаемых реле дает таблица. Более подробные сведения о них можно найти на Интернет-сайте производителя (ссылка выше).
Все оптоэлектронные реле можно разделить на две основные группы: переменного тока с силовыми элементами на симисторах и тринисторах, однополярные и двуполярные постоянного тока с IGBT или МОП-транзисторами в силовых цепях. Их принципиальное различие в том, что для реле переменного тока характерна частичная управляемость — разрыв силовой цепи всегда происходит только при нулевом значении тока. Это создает определенные преимущества при индуктивной нагрузке, устраняя импульсы перенапряжения, возникающие при выключении. Использовать такие реле в цепях постоянного тока весьма затруднительно. А вот двуполярные реле постоянного тока способны коммутировать и переменный ток.
Одним из критериев выбора реле для конкретного применения может служить мощность, рассеиваемая на его силовом элементе. При работе в цепях переменного тока напряжением 220...380 В и токах более нескольких ампер тиристоры по этому показателю в 3...5 раз лучше IGBT. Отношение мощности, рассеиваемой на IGBT и на МОП-транзисторах, приблизительно равно численному значению тока в амперах.
ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ РЕЛЕ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Среди тиристорных реле имеются однофазные нормально-замкнутые и нормально-разомкнутые на ток 1...100А; трехфазные нормально-разомкнутые на ток 10... 100 А; одно-, дву-и трехфазные реверсивные на ток 10...40 А со встроенной защитой от межфазного замыкания и мгновенного реверса; сдвоенные на ток 1 А и более с независимым управлением, с общей точкой на выходе и без нее.
Класс реле по пробивному напряжению выхода может быть от четвертого (не менее 400 В) до двенадцатого (не менее 1200 В), а допустимое пиковое значение напряжения изоляции между входными и выходными токоведущими цепями и теплоотводом — 1500 или 4000 В.
В реле с индексом ТМ предусмотрен контроль нулевой фазы коммутируемого напряжения (они включаются только при близком к нулю мгновенном значении этого напряжения, что уменьшает создаваемые помехи). Реле с индексом ТС этим свойством не обладают.
Цепи управления реле бывают токовыми (рис. 1а. номинальный ток — 10...25 мА) или потенциальными (рис. 1,б — постоянное напряжение 4...7 или 3...30 В, рис. 1 ,в — переменное 6..30 или 110...280 В). С токовым управлением выпускают только однофазные и двуканальные реле, с потенциальным — всех видов. В различных модификациях место резистора R1 (см. рис. 1,6 и в) может занимать стабилизатор тока, а "гасящий" конденсатор С1 (см. рис. 1,в) — отсутствовать. Если в реле (например, многофазных) имеется несколько излучающих диодов, они могут быть соединены последовательно или параллельно.
Тиристорные структуры весьма чувствительны к превышению допустимого напряжения, что ведет к необратимым пробоям. Основной прием защиты выхода реле — шунтирование его варистором. Рекомендуются варисторы СН2-1, СН2-2 с коэффициентом нелинейности более 30 и энергией рассеивания 10...114Дж. При выборе следует исходить из того, что классификационное напряжение варистора (при котором ток через него достигает 1 мА) должно превосходить амплитудное значение коммутируемого и быть ниже пробивного напряжения тиристоров. Необходимо обязательно учитывать возможную нестабильность и технологический разброс этих параметров. При прочих равных условиях для коммутации большего тока требуются реле более высокого класса по напряжению. Это связано с зависимостью напряжения на варисторе оттока.
Еще одна особенность тиристорных структур — чувствительность к скорости нарастания напряжения (dU/dt), приложенного к закрытому прибору. Превышение критической скорости приводит к его несанкционированному открыванию. Большие значения dU/dt возможны при подаче напряжения в цепь нагрузки в момент, близкий к максимуму синусоиды. Они могут быть вызваны импульсными помехами в коммутируемой цепи или скачками напряжения при разрыве цепи нагрузки индуктивного характера.
Чтобы уменьшить dU/dt и предотвратить нежелательные последствия, выходы тиристорных реле шунтируют демпфирующими RC-цепями, номиналы элементов которых подбирают экспериментально. Обычно они лежат в пределах 20...50 Ом и 0,01 ...0,1 мкФ.
Дополнительное средство повышения устойчивости реле к скачкам напряжения — включенный последовательно с нагрузкой реактор задержки. Он представляет собой катушку индуктивности, намотанную на магнитопроводе с высокой магнитной проницаемостью и прямоугольной петлей гистерезиса. При рабочих токах магнитопровод насыщен, индуктивность реактора мала и он не влияет на происходящие процессы. Растущая с уменьшением тока индуктивность замедляет его изменение и задерживает переполюсовку напряжения, помогая закрыванию тиристора.
Снижая скорость нарастания тока на начальной стадии включения тиристора, реактор способствует более равномерному распределению тока по сечению полупроводникового кристалла, что предотвращает локальные перегревы. Это особенно важно при работе реле с индексом ТС на емкостную или активную нагрузку или в режиме фазоимпульсной регулировки мощности. К тому же реактор, увеличивая импеданс цепи нагрузки, повышает эффективность варисторной защиты.
Для тиристоров, работающих на индуктивную нагрузку, существует опасность перегрузки по току из-за асимметрии моментов включения в положительном и отрицательном полупериодах, приводящей появлению постоянной составляющей протекающего тока, насыщению магнитопроводов нагрузки, а следовательно, — к сверхтокам.
Токовая перегрузка бывает связана и с насыщением магнитопроводов индуктивных нагрузок (трансформаторов на холостом ходу, управляющих обмоток контакторов) при совпадении направления их остаточной и создаваемой током в момент включения намагниченности.
Вызванный этим пусковой ток может в десятки раз превышать номинальный, причем случай включения в момент перехода фазы напряжения через ноль — наихудший. Оптимально включать тиристор в максимуме напряжения или "мягко" запускать его, начиная с малых углов проводимости. Для работы на индуктивную нагрузку рекомендуется применять реле с индексом ТСИ, рассчитанные на повышенный ударный ток.
Асимметрия моментов включения может быть следствием различия напряжения включения тиристоров в разной полярности. Оно играет существенную роль, если амплитуда коммутируемого напряжения незначительно превышает напряжение включения тиристора (5... 15 В). Асимметрия возникает и при некорректном фазоимпульсном управлении реле, а также при открывании тиристора не в каждом полупериоде из-за того, что обратное напряжение пересекает "окно" включения слишком быстро. Последний фактор — один из главных, ограничивающих частоту коммутируемого напряжения (обычно — не более 500 Гц).
Работа на емкостную нагрузку характеризуется возможностью больших скачков тока в силовой цепи и воздействием на тиристор напряжения, достигающего удвоенной амплитуды коммутируемого.
Пусковой бросок тока возникает, если реле включают при ненулевой фазе коммутируемого напряжения. Подключение к сети переменного тока 220 В 50 Гц разряженного конденсатора емкостью 100 мкФ способно вызвать бросок тока амплитудой до 31000 А. Скорость нарастания тока в нагрузке индуктивностью 1 мкГн достигает 310 А/мкс при предельно-допустимом для тиристоров значении 20... 160 А/мкс.
Так как напряжение включения тиристора отлично от нуля (как отмечалось выше — 5... 15 В), броски тока возникают в каждом полупериоде коммутируемого напряжения. При емкости нагрузки 100 мкф амплитуда таких бросков — 500...1500 А. Они порождают значительные электромагнитные помехи и мощные высокочастотные составляющие в спектре тока нагрузки. Последние очень опасны для некоторых конденсаторов, вызывая их перегрев и пробои. Поэтому для работы на емкостные нагрузки следует применять реле с контролем перехода фазы напряжения через ноль и с малым напряжением включения, например, с индексом ТМК, у которых нормированы напряжения включения (4 В) и выключения (10 В).
Известно, что после спада тока до нуля и выключения тиристора емкость нагрузки остается заряженной до напряжения, близкого к амплитуде коммутируемого. В следующем полупериоде к закрытому тиристору будет приложена сумма этого напряжения и сетевого противоположной полярности, которая может достичь удвоенной амплитуды, например, при напряжении в сети 380 В±10 % — 1170 В. В этих условиях реле даже наивысшего, двенадцатого класса по напряжению будет работать на пределе своих возможностей и его не удастся защитить от пробоя варистором.
В подобных случаях целесообразно использовать реле не только включаемые, но и выключаемые при нулевом напряжении, например, двуполярные постоянного тока. Это устраняет перегрузки по напряжению, значительно расширяет рабочий диапазон частот, однако несколько ухудшает энергетические показатели. Для работы на частотах до 1 кГц разработаны образцы реле серии 5П 66, ведутся работы по расширению их частотного диапазона до десятков килогерц.
Применение твердотельного реле переменного тока
На рис. 2 показана схема использования однофазного реверсивного реле U1 для изменения направления вращения однофазного электродвигателя М1 с фазосдвигающим конденсатором С1, а на рис. 3 — двуфазного реле для управления трехфазным двигателем. Коммутирующие элементы реле условно изображены в виде симисторов, хотя в некоторых случаях это — соединенные встречно-параллельно тринисторы.
Цепи управления реле на схемах не показаны. Они должны быть устроены таким образом, чтобы исключить одновременную подачу сигналов на открывание симисторов VS1 и VS2 (см. рис. 2 ) или VS1 и VS4, VS2 и VS3 (см. рис. 3). В любой момент должен быть открыт только один из каждой пары. Тем не менее из-за выключения симисторов только при нулевом токе, после подачи сигнала реверса, некоторые из них все же могут оказаться открытыми одновременно. В однофазном устройстве это приведет к разрядке фазосдвигающего конденсатора С1 через симисторы, в трехфазном — к межфазному замыканию.
Для исключения подобных ситуаций в реверсивных реле предусмотрена аппаратная задержка включения на 20...30 мс, благодаря чему при частоте сети более 40 Гц и "мгновенном" реверсе открытые симисторы успевают закрыться.
Есть и другие причины, по которым тиристоры иногда включаются одновременно. Например, скорость нарастания напряжения, подаваемого с помощью электромагнитного пускателя, может оказаться выше критической для двух последовательно соединенных приборов. Демпфирующие RC-цепи в данном случае почти не помогают, так как зашунтированы чрезвычайно низким импедансом питающей сети. Большие значения dU/dt могут быть вызваны импульсными помехами или коммутационными бросками напряжения.
Предусмотренные в устройстве по схеме, показанной на рис. 3, катушки индуктивности L1, L2 во взаимодействии с конденсаторами С1—С4 уменьшают скорость нарастания напряжения, снижая вероятность межфазного замыкания. Кроме того, их индуктивность ограничивает скорость нарастания тока, большие значения которой разрушительны для тиристоров.
Однако ни демпфирующие цепи, ни катушки индуктивности не гарантируют невозможности межфазных замыканий. Общепринятый метод защиты тиристоров от их последствий (его рекомендуют для своих изделий, например, фирмы Motorola, Siemens, Opto-22) — установка токоограничительных резисторов R1 (см. рис. 2) и R1, R2 (см. рис. 3). Их номиналы выбирают такими, чтобы ток межфазного замыкания не превысил допустимого для используемого реле ударного тока. Длительность его протекания не превышает половины периода сетевого напряжения. С последствиями установки ограничительных резисторов — уменьшением напряжения на обмотках электродвигателя и необходимостью отвода выделяющегося тепла — приходится мириться.
ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ РЕЛЕ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Реле постоянного тока с выходными цепями на IGBT и МОП-транзисторах бывают одно- и двуполярными. В последних два выходных транзистора соединены встречно-последовательно. Для МОП-транзисторов это необходимо, чтобы закрытый канал одного из них препятствовал протеканию тока через смещенный в прямом направлении шунтирующий диод второго (такие диоды обязательно присутствуют в МОП-структуре). В структуры IGBT диоды приходится вводить специально, но уже для пропускания тока, протекающего в обратном для транзистора направлении.
Отметим, что выпускаются и так называемые многоканальные реле постоянного тока с различными сочетаниями нормально-замкнутых и нормально-разомкнутых выходных цепей. Применяя их, следует учитывать, что нормально-замкнутыми выходные цепи становятся только после подачи на реле напряжения питания от источника, гальванически связанного со входами управления.
Остаточное напряжение на выходе однополярных реле на МОП-транзисторах в открытом состоянии зависит от сопротивления канала последних при температуре 25 °С, находящегося в пределах от единиц миллиом у низковольтных до единиц ом у высоковольтных транзисторов. С повышением температуры кристалла до предельной (150 °С) это сопротивление возрастает приблизительно в два раза.
У двуполярных реле на МОП-транзисторах остаточное напряжение больше. Оно складывается из падений напряжения на сопротивлении канала одного транзистора и на прямосмещенном диоде, зашунтированном сопротивлением канала второго транзистора. Вольт-амперная характеристика выходной цепи таких реле во включенном состоянии при малом токе практически линейна, затем постепенно переходит в характеристику диода. Точка перегиба лежит в области 100...200 А у низковольтных реле и единиц ампер — у высоковольтных.
Элементами управления выходными транзисторами в реле серий 5П 20 (однополярных) и 5П 19 (двуполярных) служат фотовольтаические оптроны с выходным током порядка единиц микроампер. По этой причине зарядка емкости затвор-исток МОП-транзисторов происходит довольно медленно, что приводит к задержке включения реле на десятки миллисекунд. Задержка выключения значительно меньше (не более 1 мс), так как предусмотрены специальные тиристорные узлы разрядки упомянутой емкости.
Для быстродействующих реле характерны задержки включения/выключения в единицы микросекунд, но им необходим дополнительный источник питания цепей управления. У реле различных типов этот источник должен быть гальванически связан в выходом или входом реле.
Реле с питанием по входу серий 5П 57 (двуполярные) и 5П 59 (однополярные) при задержках включения/выключения в единицы микросекунд способны переключаться с частотой не выше 10...20 Гц, так как используемые в них фотовольтаические оптроны не могут достаточно быстро восполнить рассеянную при выключении энергию.
Однополярные реле с питанием по выходу серии 5П 40 могут работать на частоте коммутации в десятки кГц. Для их питания требуется изолированный от входных цепей источник напряжения 10...15 В. Аналогичные параметры имеют и реле с питанием по входу серии 5П 62, однако к ним требуется подключить несколько внешних элементов, номиналы которых выбирают исходя из конкретных условий.В принципе, как IGBT, так и МОП-транзисторы способны выдерживать, не выходя из строя, лавинный пробой. Однако допустимая энергия пробоя невелика (десятки-сотни миллиджоулей) и вероятность отказа вполне реальна. Отсюда следует необходимость защиты от бросков напряжения в силовой цепи. Для двухполярных реле, коммутирующих цепи переменного тока, справедливо все сказанное выше о защите тиристорных реле. Защитой однополярных реле может служить стабилитрон или варистор, шунтирующий выход.
Распространенный способ защиты от высоких напряжений, возникающих при отключении индуктивной нагрузки, — шунтирование ее диодом в обратной полярности. Ток I, протекавший через нагрузку до разрыва цепи, в этом случае спадает по экспоненте с постоянной времени L/r, где L и г — соответственно индуктивность и сопротивление нагрузки. Часть энергии
запасенной в индуктивности нагрузки, рассеивается на ее активном сопротивлении, другая — на шунтирующем диоде.
Можно показать, что при малых значениях r основная доля рассеиваемой энергии приходится на диод. Это вызывает перегрузку последнего по импульсной, а при высоких частотах коммутации — и по средней рассеиваемой мощности.
Если предельно-допустимое напряжение транзистора Uдоп значительно выше коммутируемого Uком, режим работы защитного диода существенно облегчит включение последовательно с ним резистора номиналом
В этом случае в момент выключения напряжение на выходе реле равно ином + RI на диоде выделяется энергия
(где Uд ≈ 0,7 В — прямое падение напряжения на диоде), а на резисторе —
Следовательно, при частоте коммутации fком мощность резистора должна быть не менее
| PR= | RLI2 | fком |
| 2(R+r) |
Введение резистора дает еще один положительный эффект — уменьшает время выключения нагрузки, так как постоянная времени спада тока в этом случае равна L/(R+r).
Для реле серий 5П 19, 5П 20, как уже отмечалось, характерна задержка включения в десятки миллисекунд, что ограничивает максимальную частоту
| Wком ≈ | Uком Iком tнар |
| 6 |
где lK0M — коммутируемый ток. Так как длительность спада тока при выключении на порядок меньше tнар, рассеиваемой при этом энергией можно пренебречь.
Потенциально опасны для силовых транзисторов реле два режима работы: коммутация стационарной нагрузки с частотой, близкой к предельной, и включение нагрузки с большим пусковым током (например, пусковой ток лампы накаливания более чем в 10 раз превышает номинальный).В первом случае средняя рассеиваемая реле мощность равна
| Wком fком + | Rоткр I2ком |
| Q |
где ROTKр — сопротивление выходной цепи в открытом состоянии; Q — скважность (отношение периода коммутации к длительности включенного состояния). Например, на однополярном реле 5П 20.10 П-5-0,6 (предельное напряжение — 60 В, ток — 5 A, R — 0,055 Ом, тепловое сопротивление кристалл—окружающая среда — 40 °С/Вт) при токе нагрузки 5 А в постоянно включенном состоянии выделится мощность не более 1,375 Вт, что вызовет приемлемый в большинстве случаев перегрев кристалла относительно среды на 55 °С. Однако коммутация той же нагрузки с частотой 10 Гц при скважности 2, напряжении 50 В и tнар=5 мс приведет к возрастанию выделяемой мощности до 2,77 Вт и перегреву кристалла уже на 110 °С. Это не позволит реле надежно работать при температуре окружающей среды выше 40 °С.
Во втором случае начальное значение тока нагрузки значительно больше номинального, поэтому энергия включения WBKJ1 может превысить допустимую для транзисторов реле. Так как с уменьшением tнар энергия включения уменьшается пропорционально, инерционные нагрузки целесообразно коммутировать с помощью быстродействующих реле, например, серий 5П 57, 5П 59.
Как отмечалось выше, реле серии 5П 62 для работы на частоте коммутации более 10...30 Гц требуют подключения дополнительных внешних элементов. Как и у реле серий 5П 57 и 5П 59, их внутренний источник напряжения питания цепи управления выходным транзистором — низкой средней мощности и не может быстро восполнить энергию, израсходованную при разрядке емкости затвора транзистора. Для устранения этого недостатка и предназначен внешний конденсатор, через который при выключении выходного транзистора в цепь управления от источника коммутируемого напряжения "накачивается" дополнительная энергия. Оптимальная емкость конденсатора зависит от условий работы реле, в частности, от коммутируемого напряжения. Поэтому внутрь реле он введен быть не может.
При каждом включении входного транзистора конденсатор разряжается через цепь управления затвором с рассеиванием энергии C•U2/2. Если частота коммутации достаточно велика, дополнительная мощность, выделяющаяся в реле, достигает неприемлемой величины. Для ее уменьшения служат резистор, на котором рассеивается значительная часть запасенной конденсатором энергии, и стабилитрон. Напряжение стабилизации последнего выбирают таким, чтобы при минимальном значении коммутируемого напряжения конденсатор зарядился лишь до 15 В.
ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ РЕЛЕ
Для реле, эксплуатируемых без теплоотвода, максимальный коммутируемый ток нормируют исходя из предельной температуры кристаллов силовых элементов Ткр. макс (125 °С — для тиристоров, 150 °С — для транзисторов) при температуре окружающей среды Токр = 25 °С. Тот же параметр реле с теплоотводом устанавливают по предельной температуре кристалла при температуре теплоотвода Ттo = 75 °С для тиристорных реле и Ттo = 90 °С — для транзисторных. Последние два значения выбраны из достаточно произвольного условия равенства теплового сопротивления внешнего теплоотвода RT0 "эквивалентному" тепловому сопротивлению кристалл— теплоотвод R3kb- Следует иметь в виду, что в справочных данных многофазных реле тепловое сопротивление обычно указано из расчета "на фазу", поэтому "эквивалентное" сопротивление, например, трехфазного реле в три раза меньше.
Основное соотношение для тепловых расчетов: Токр + P(RTO + Иэкв) < Ткрлоп, где Р — мощность, рассеиваемая реле. Пример вычисления этой мощности для реле постоянного тока с МОП-транзистором на выходе был приведен в предыдущем разделе. Для IGBT ее рассчитывают по формуле Р = UOCT-lKOM, где UOCT — остаточное напряжение на открытом транзисторе. Мощность, рассеиваемую в одной фазе тиристорного реле, вычисляют по эмпирической формуле Р = (0,145 + 0,7UOCT пик) IэфФ, где U0CT пик — пиковое значение остаточного напряжения на включенном тиристоре; Iэфф — эффективное значение протекающего через него тока.
radio-uchebnik.ru
Твердотельные реле RELPOL
Relpol предлагает широкую гамму полупроводниковых реле, которая постоянно пополняется новыми типами и исполнениями. К предложению Relpol добавилась новая серия полупроводниковых реле типа RSR20, RSR30, RSR40, RSR50 и RSR60. Первые три типа предназначены для монтажа на печатных платах (PCB), а типы RSR50 и RSR60 являются промышленными исполнениями, которые для работы при полной номинальной мощности требуют использования радиатора.
Полупроводниковые реле (с анг. Solid State Relay) на сегодняшний день находят широкое применение в: устройствах для офиса и телекоммуникации, системах автоматики и регулирования температуры. Благодаря большим возможностям и совместимости с технологиями TTL и CMOS возможно использование полупроводниковых реле в промышленных системах с ПЛК контроллерами.
Введение
Полупроводниковые реле являются аналогом традиционных электромагнитных реле. Их задачей является управление токовой нагрузкой с помощью встроенного полупроводникового элемента (например тиристор, тринистор). Гальваническая развязка в рассматриваемых реле реализуется с помощью оптоэлементов (оптопары, оптосимисторы), отделяющих входную цепь реле от исполнительной цепи регулирования мощности. Полупроводниковое реле дает намного больше возможностей различного управления нагрузкой, чем традиционные электромагнитные реле. При использовании полупроводниковых реле появляется возможность значительного увеличения частоты коммутации, возможность выбора момента включения нагрузки и ее выключения. Возможны такие функции: ZS- переключение при нулевом значении тока, IO- мгновенное или в любой момент времени, PS- включение при пиковом значении напряжения сети, DCS- переключение для постоянного тока. Полупроводниковые реле являются идеальным интерфейсом между цепью управления с низким напряжением и электрическими цепями высокого напряжения, а также дают возможность коммутации с функцией импульсного управления. Упрощенная внутренняя схема большинства твердотельных реле представлена на рис. 1.
Рис. 1. Структурная схема однофазного твердотельного реле
Характеристики реле RSR
Предлагаемые полупроводниковые реле серии RSR предназначены для широкой группы пользователей и производителей. Быстрое развитие таких отраслей как электроника, телекоммуникация и промышленная автоматика требует от многих производителей минимализации своих устройств, а конкуренция на рынке, ставит все более высокие требования к прочности и качеству производимых устройств.
RSR20 - полупроводниковое реле с одной контактной группой, для монтажа в контактных колодках или на печатных платах (PCB). Реле предназначено для коммутации 240В переменного или 60В постоянного тока, в схемах где требуется быстрое переключение малых нагрузок до 3A. Реле RSR20 (Рис.2.) имеет индикатор срабатывания LED-светодиод, сигнализирующий момент включения. Совместимость с технологией TTL и CMOS, управляющее входное напряжения от 4-32В и низкая потребляемая мощность позволяют непосредственно управлять реле с ПЛК контроллера. (В таблице указаны основные параметры наиболее распространённых типов реле).
| RSR20 (нагрузка АС) | 3…32 V DC | 3 А АС | 240 V АС | 600 V АС | 43,2х10,2х25,4 | -20…+85 |
| RSR20 (нагрузка DС) | 3…32 V DC | 3 А DС | 60 V DС | 60 V DС | 43,2х10,2х25,4 | -20…+85 |
Рис. 2. Полупроводниковое реле типа RSR20
В зависимости от исполнения, реле позволяют производить переключения при нулевом значении напряжения (Z - zero cross) или в любой момент времени (R - random). Высокое допустимое номинальное значение ударного тока дает возможность использовать реле этого типа в системах освещения и управления электродвигателями.
Следующим типом реле этой серии является узкопрофильное полупроводниковое реле с одной контактной группой типа RSR30 для монтажа в контактных колодках или на печатных платах (PCB). Реле предназначено для коммутации 240В переменного тока и 24В или 48В постоянного, где требуется быстрое переключение при малых нагрузоках до 2A.
Тип RSR30 (Рис. 3.) совместим с технологией TTL и CMOS, работает в широком диапазоне управляющего напряжения от 3В до 60В. Реле работает с функцией включения в любой момент времени (R).
| RSR30 (нагрузка АС) | 3…32 V DC | 2 А АС | 240 V АС | 600 V АС | 28х5х15 | -20…+80 |
| RSR30 (нагрузка DС) | 3…32 V DC | 2,5 А DС | 48 V DС | 100 V DС | 28х5х15 | -20…+80 |
| RSR30 (нагрузка DС) | 3…32 V DC | 4 А DС | 24 V DС | 60 V DС | 28х5х15 | -20…+80 |
Рис. 3. Узкопрофильное полупроводниковое реле типа RSR30
Высокое допустимое номинальное значение ударного переменного тока (до 80А) дает возможность использования реле этого типа в бытовых устройствах, в офисной технике и системах освещения. Реле вместе с узкопрофильными контактными колодками типа PI6W (Рис. 4.) находит широкое применение в АСУ (автоматических системах управления) как элемент развязки между ПЛК контроллером и исполнительными устройствами.
Рис. 4. Контактные колодки PI6W для монтажа на DIN-рейку
Ещё одним представителем серии полупроводниковых реле RSR, предназначенным для монтажа на печатных платах (PCB) является миниатюрное реле с одной контактной группой типа RSR40 (Рис.5.). Реле предназначено для коммутации 240В переменного тока и 24В постоянного, где требуется быстрое переключение малых нагрузок до 1A. Также как и описанные выше полупроводниковые реле, RSR40 совместимо с технологией TTL и CMOS, напряжение управления от 3В до 32В, малое сопротивление и низкую потребляемую входную мощность.
Рис. 5. Полупроводниковое миниатюрное реле типа RSR40
В зависимости от исполнения, реле коммутируют нагрузку при переходе напряжения через ноль (Z - zero cross) или в любой момент времени (R - random). Тип RSR40 имеет небольшие размеры 5x20x17 мм и вес около 3 г. Реле находит применение в системах освещения, в системах регулирования температуры, в системах промышленной автоматики и производственных машинах.
Следующей группой являются полупроводниковые реле в промышленного исполнения с винтовыми зажимами типа RSR50 и RSR60.
Полупроводниковые реле с одной контактной группой типа RSR50 (Рис.6.) предназначены для монтажа с радиатором. Реле коммутирует 240В или 440В переменного тока, где требуется переключение больших нагрузок от 10A до 40A в категории AC1. RSR50 совместимо с технологией TTL и CMOS, работает в широком диапазоне управляющего напряжения 4-32В или 50-280В и имеет низкую потребляемую входную мощность. В зависимости от исполнения, реле позволяют включать нагрузку при нулевом значении напряжения (Z - zero cross) или в любой момент времени (R - random). Высокое допустимое номинальное значение ударного тока дает возможность использования этого типа реле в системах освещения, включения двигателей, в системах регулирования температуры, в системах промышленной автоматики, производственных машинах и офисной технике. Реле имеет индикатор срабатывания LED и встроенный выходной фильтр.
Рис. 6. Полупроводниковое реле типа RSR50
| RSR50 (нагрузка АС) | 3...32 V DC | 10 A AC | 240 V AC | 600 V AC | 58x43x27,1 | -20...80 |
| 50...280 V AC | ||||||
| RSR50 (нагрузка АС) | 3...32 V DC | 25 A AC | 240 V AC | 600 V AC | 58x43x27,1 | -20...80 |
| 3...32 V DC | 480 V AC | 800 V AC | ||||
| 50...280 V DC | 240 V AC | 600 V AC | ||||
| RSR50 (нагрузка АС) | 3...32 V DC | 40 A DC | 240 V DC | 600 V DC | 58x43x27,1 | -20...80 |
| 3...32 V DC | 480 V AC | 800 V AC | ||||
| 50...280 V DC | 240 V AC | 600 V DC |
RSR60 (Рис. 7.) - полупроводниковое реле с тремя контактными группами в промышленном корпусе, предназначено для работы в 3-фазной сети, для монтажа с радиатором. Реле этого типа коммутируют нагрузки переменного тока в диапазоне от 48В до 440В, при значении тока от 10A до 40A в категории AC1. RSR60 совместимы с TTL и CMOS, диапазон управляющего напряжения 4-32В постоянного тока, малая потребляемая мощность. RSR60 имеет встроенный выходной фильтр (Рис. 8.). Реле позволяет включать нагрузку при нулевом значении напряжения (Z). Высокое допустимое номинальное значение ударного тока дает возможность использовать реле этого типа в системах освещения, включения двигателей, в системах регулирования температуры, а также в системах промышленной автоматики и производственных машинах, офисной технике.
RSR60 (нагрузка АС)
| RSR60 (нагрузка АС) | 3…32 VDC | 10 А АС | 480 V АС | 800 V АС | 74х104,5х29,5 | -20…+80 |
| 25 А АС | ||||||
| 40 А АС |
Рис. 7. Полупроводниковое реле типа RSR60
Рис. 8. Структурная схема однофазного твердотельного реле
Рассматривая описанные выше типы полупроводниковых реле, следует обратить внимание, что самым важным свойством, отличающим полупроводниковые реле от традиционных электромагнитных, является полное отсутствие подвижных механических элементов, что делает их очень прочными и надежными, а износостойкость таких реле зачастую превышает миллиард срабатываний в случае правильно подобранного типа реле для конкретной системы. Дополнительные преимущества таких реле - это стабильный контакт в момент срабатывания и отсутствие механических и электрических повреждений контактов в процессе коммутации больших нагрузок. Большая прочность коммутации связана с переключением нагрузок с помощью полупроводникового элемента, который полностью исключает искрение и возможность появления электрической дуги. Полупроводниковые реле характеризуются хорошей виброустойчивостью, небольшими габаритными размерами и большой скоростью коммутации, позволяющей использовать их в системах, где применение классических электромагнитных реле невозможно (мультиплексоры аналоговых сигналов, телекоммуникация). Отсутствие механических контактов значительно ограничивает уровень генерируемых электромагнитных помех, а также шум в процессе работы. Также они обладают высокой стойкостью к агрессивным химическим средам и пыли. Полупроводниковые реле требуют небольшой мощности управления, что дает возможность непосредственного их подключения к управляющим выходам систем и модулей электроники, датчикам, регуляторам, промышленным контроллерам и другим элементам автоматики. Кроме этого, мощность входного управляющего сигнала практически не зависит от максимальной коммутируемой мощности, которую может переключать реле.
Преимущество включения и выключения реле в нуле напряжения уменьшает количество токовых импульсов, появляющихся при включении ними ламп накаливания или емкостных нагрузок. Выключение в нуле значительно уменьшает появление перенапряжений в цепи индуктивных нагрузок, даже если в сети есть значительный сдвиг фаз между током и напряжением. Включение в нуле емкостных нагрузок предотвращает появление помех благодаря медленному возрастанию тока в коммутируемой цепи. Предлагаемые полупроводниковые реле оснащены защитами от коротких замыканий и перегрузок слишком большим напряжением или перенапряжениями (RC, варисторы), а также диодными индикаторами состояния.
rele-ua.com
Твердотельные реле принцип работы, разновидности, достоинства и недостатки
Обычные промежуточные реле – это электромеханическое устройство. На его катушку подается напряжение, она притягивает к себе подвижную планку с контактами, которые замыкаются или переключаются.
Само наличие движущихся деталей в этом устройстве снижает его надежность. Контакты не только подгорают и окисляются. Со временем они теряют способность прижиматься друг к другу с подпружиниванием, что приводит к появлению переходного сопротивления или полному исчезновению контакта.
Электромеханические реле чувствительны к пыли и влаге. Существуют герметичные модели, но у них нет возможности для ревизии контактов. Это значит, что при их ухудшении реле придется выбросить.
Ресурс любого из современных реле, хоть и исчисляется в десятках тысяч включений, все же ограничен. А если реле должно срабатывать по сотне раз в сутки? Его ресурс быстро выработается, и устройство превратится в расходный материал, требуя постоянной замены. А если сбои в работе недопустимы?
Вот тут на помощь и приходит реле, называемое твердотельным.
Устройство твердотельного реле
Название «твердотельное реле» на русском языке может быть сокращено до аббревиатуры ТТР. По-английски же это звучит Solid State Relay или SSR.
Это – полностью полупроводниковое устройство, из механики имеющее только контактную систему для подключения внешних проводников. Пайку ТТР не переносят, так как при работе нагреваются, поэтому все присоединения проводов выполняются на винтовых клеммах.
Все элементы ТТР расположены внутри герметически закрытого и не разборного корпуса. Поэтому оно и носит такое название, поскольку представляет собой единое «твердое тело», и не предполагает выполнения ремонта или обслуживания.
Функционально само реле можно разделить на несколько подряд расположенных блоков или цепей.
Первая цепь: входная. Она преобразует входное управляющее напряжение к величине, приемлемой для выполнения переключений. Попутно она дополнительно может выполнять функцию защиты от импульсных помех, защиты от изменения полярности (при выпрямленном управляющем сигнале).
Минимально входная цепь содержит резистор для подавления лишнего напряжения постоянного тока, плюс – выпрямительный мост для выпрямления переменного тока.
Вторая цепь: оптическая развязка. У электромеханического реле входная и выходная цепь разделены конструктивно, так как катушка управления никак не связана с контактной системой. Для гальванического развязывания цепей управления с коммутируемыми цепями, которые могут питаться от разных источников, используется электронный прибор – оптрон. В нем этот процесс происходит за счет использования света для передачи команды управления.
Третья цепь, принимая сигнал от оптрона, запоминает его. Она представляет собой электронный ключ – триггер.
И, наконец, последняя – переключающая цепь. Она подает напряжение на выход реле, для чего рассчитывается на номинальное напряжение нагрузки.
Для разного характера нагрузки используются принципиально разные электронные компоненты для передачи напряжения управления. Для цепей постоянного тока достаточно транзисторного ключа. Но на переменном токе он работать не будет, для этих цепей применяют симисторы.
Поскольку выходной элемент переключающей цепи при работе реле пропускает ток нагрузки и от этого греется, он установлен на теплоотводе, являющемся частью корпуса реле.
Разновидности твердотельных реле
В первую очередь, эти реле, как и электромеханические, различаются по величине напряжения управления. А также, переменное (АС) оно или постоянное (DC). Величина напряжения, в отличие от электромеханики, может изменяться в некоторых пределах, а не иметь фиксированное значение.
От этих же реле оно унаследовало и другой параметр: величина выходного тока. Род тока зависит от того, что используется в реле в качестве ключевого элемента: транзистор или симистор. В этом их отличие от электромеханики, контакты которой могут быть всеядными. В качестве рабочего напряжения для выхода, управляющего нагрузкой, также указывается его диапазон.
Твердотельные реле могут управлять как однофазной, так и трехфазной нагрузками. То есть, манипулировать работой электродвигателей. Конечно, до коммутации токов мощных моторов им далеко, но маломощных электродвигатель задвижки вполне по силам. А чтобы иметь возможность эту задвижку как открывать, так и закрывать, используется твердотельное реле с реверсом. При этом одна фаза проходит всегда напрямую, а две другие меняются местами в зависимости от того, на каком из двух входов появился сигнал управления.
Достоинства и недостатки твердотельных реле
Основным недостатком ТТР можно назвать их стоимость, превышающую цену электромеханических аналогов. А также – обеспечение соответствующего теплового режима. Перегрев приводит к выходу из строя.
Достоинств больше:
— Повышение надежности работы (поставил и забыл).
— В десятки раз больший срок службы.
— Способность без вреда для себя переносить перегрузки до 200% по номинальному току. То, что у электромеханического реле приводит к подгоранию или выходу из строя контактов, у твердотельного вызывает срабатывание защиты от перегрузки.
— Возможность массового применения в бытовой аппаратуре.
— Способность работать в любом положении в пространстве, что для некоторых реле нежелательно или даже недопустимо.
— Встроенная защита от импульсных помех, которых с каждым днем становится все больше. Само же реле создает меньше помех при коммутации, так как искрение между контактами отсутствует по принципу работы.
— Высокое быстродействие, что позволят выполнять цикл включение/отключение на очень короткий период.
И, самое главное, учитывая темпы развития промышленной электроники: за этими реле – будущее. Поэтому не за горами тот день, когда все электромеханические реле станут твердотельными.
pue8.ru
Видеоматериалы
Опыт пилотных регионов, где соцнормы на электроэнергию уже введены, показывает: граждане платить стали меньше
Подробнее...С начала года из ветхого и аварийного жилья в республике были переселены десятки семей
Подробнее...Более 10-ти миллионов рублей направлено на капитальный ремонт многоквартирных домов в Лескенском районе
Подробнее...Актуальные темы
ОТЧЕТ о деятельности министерства энергетики, ЖКХ и тарифной политики Кабардино-Балкарской Республики в сфере государственного регулирования и контроля цен и тарифов в 2012 году и об основных задачах на 2013 год
Подробнее...Предложения организаций, осуществляющих регулируемую деятельность о размере подлежащих государственному регулированию цен (тарифов) на 2013 год
Подробнее...
КОНТАКТЫ
360051, КБР, г. Нальчик
ул. Горького, 4
тел: 8 (8662) 40-93-82
факс: 8 (8662) 47-31-81
e-mail:
Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.
