На практике доступно несколько методов подключения твердотельного реле к цепям питания и управления. Прежде всего, в зависимости от величины и типа используемого напряжения питания можно выделить цепи постоянного и переменного тока.
Твердотельное реле
Разнообразные типы полупроводниковых устройств находят широкое применение в схемах электроники. Одним из наиболее впечатляющих примеров использования полупроводников является твердотельное реле. Это устройство отличается тем, что в нем отсутствуют механически движущиеся части. По своей сути, эти устройства предназначены для выполнения функции включения и выключения мощных цепей, действуя при этом на них с помощью низковольтного сигнала, подаваемого на управляющие клеммы агрегата.
Твердотельные реле используются как в цепях постоянного, так и переменного тока с аналогичными задачами, что и традиционные электромеханические реле. Коммерчески доступные твердотельные реле встроены в схемы на основе транзисторов и тиристоров, которые способны переключать токи мощностью до нескольких сотен ампер, обеспечивая тем самым гибкость использования в различных электрических системах.
Принцип работы
Перед тем как погрузиться в детали работы твердотельных реле, полезно понять функционал традиционного электромеханического реле. Оно состоит из контактов и управляющей катушки, которая активируется под воздействием приложенного напряжения. Это воздействие приводит к замыканию или размыканию контактов в зависимости от состояния системы. Принцип работы твердотельного реле по большому счету схож, однако основным отличием является использование полупроводников, вместо механических контактов.
Наиболее распространенными элементами, используемыми в таких реле, являются симисторы и тиристоры для коммутации переменных токов, а также транзисторы для управления постоянными токами.
Появление полупроводников в свое время стало настоящей революцией в областях электроники и радиотехники. Эти компоненты были интегрированы в твердотельные реле, которые служат связующим звеном между цепями низкого и высокого напряжения. Каждое реле включает в себя входную часть, оптическую изоляцию, схему активации, переключения и элементы безопасности.
Входная часть реле оснащена первичной цепью, к которой последовательно соединен резистор с неподвижным изолятором. Основная задача входа – принимать импульсы и передавать их на дополнительный элемент устройства, который активирует нагрузку. Аналогично между первичной и вторичной цепями устанавливается оптическая изоляция. Эта изоляция является ключевым элементом, определяющим уникальные характеристики всех типов реле, и именно она задает принципы их работы. Обработка входного сигнала осуществляется специальной триггерной схемой, которая представляет собой обособленный элемент всей системы. Эта схема активно участвует в переключении на выходе, причем в некоторых конструкциях реле схема запуска может быть частью оптической изоляции или выступать как независимый компонент.
Управление напряжением нагрузки осуществляется через специализированную схему, в которой могут находиться транзистор, симистор и кремниевый диод. Важно отметить, что твердотельные реле должны быть оснастены системой защиты, которая экранирует устройство от помех и перегрузок. Данный защитный контур может быть как внутренним, так и внешним по своей реализации.
Где применяется твердотельное реле
Принцип работы твердотельных реле делает их особенно актуальными в тех случаях, когда нагрузка должна часто включаться и выключаться в короткие промежутки времени. В таких обстоятельствах традиционные электромеханические реле быстро приходят в негодность, подвержены износу и в конечном счете выходят из строя, теряя свою первоначальную функциональность. В отличие от них, твердотельные реле не требуют постоянного обслуживания и внимания, так как у них нет контактов, которые необходимо чистить после нескольких циклов активации.
Эти устройства также подходят для применения в ситуациях, когда требуется высокая степень надежности, поскольку механические контакты традиционных реле могут перегореть или залипнуть в самый неподходящий момент. В некоторых случаях существенно важны такие параметры, как размеры переключающего устройства и уровень шумов, производимых им в процессе работы. Однако следует помнить о стоимости твердотельных реле, которые могут оказаться дороже своих электромагнитных аналогов, поэтому важно оценить необходимость использования того или иного устройства с точки зрения целесообразности.
Рекомендуется приобретать этот продукт в специализированных магазинах, где квалифицированные специалисты смогут помочь вам в выборе подходящего типа устройства и предоставят консультации по поводу его подключения. Устройство может значительно отличаться:
Принцип работы твёрдотельного реле.
Работа твердотельного реле организована так: управляющий сигнал подается на светодиод. Оптическое излучение, создаваемое светодиодом, генерирует электромагнитное поле внутри фотодетектора (фотодиода). Полученное напряжение затем передается на схему управления, которая формирует сигнал для активации выходного переключателя.
Таким образом, процесс работы твердотельного реле можно разбить на несколько ключевых этапов:
- Входная цепь (передающий диод);
- Входная цепь — передающий диод (цепь передачи); выходная цепь — передающий диод (цепь передачи);
- Цепь с симистором;
- Защитная цепь выходного выключателя (баристор и аналогичные элементы).
В зависимости от назначения и технических параметров твердотельное реле может иметь разнообразные конструкции. Как уже упоминалось, в качестве силового ключа, преобразующего ток в нагрузке, могут использоваться симисторы, МФЭТ, тиристоры, диоды, биполярные транзисторы или IGBT. Это обуславливает широкий ассортимент твердотельных реле, доступных на рынке, что позволяет выбрать оптимальное устройство для специфических задач.
При этом основные характеристики твердотельных реле можно сформулировать следующим образом:
- Коммутационное напряжение UU максимальное напряжение.;
- Номинальный ток IU максимальное напряжение.;
Качественные отличия твёрдотельных реле от электромеханических.
Почему твердотельные реле все чаще становятся предпочтительными по сравнению с традиционными электромеханическими реле? Дело в том, что электромеханические реле имеют множество слабых мест, таких как длительное время реагирования, склонность к образованию износа на контактах (что непосредственно влияет на их надежность), проблемы, возникающие от подпрыгивания контактов, и искрение (что может спровоцировать сбои в работе оборудования).
По сравнению с электромеханическими аналогами, твердотельные реле обладают рядом заметных преимуществ:
- Они способны выполнять не менее миллиарда циклов переключения, что является показателем, в тысячи раз превышающим ресурс обычных электромеханических реле;
- Совместимость с логическими схемами на уровне микросхем, что позволяет управлять SSR непосредственно с выхода интегральных схем;
- Отсутствие механических контактов и, соответственно, исключение необходимости в периодическом обслуживании;
- Работа практически бесшумно, устойчивость к вибрациям и высокая скорость реакции;
- Сильно пониженное энергопотребление.
Следует также упомянуть, что твердотельные реле весьма чувствительны к перенапряжению и перегрузкам. Поэтому при выборе устройства рекомендуется учитывать запас по мощности не менее 20%. Кроме того, важно знать еще два критически значимых фактора. Эти устройства имеют высокую чувствительность к перегреву, так как во время работы их полупроводниковая структура сильно нагревается, поэтому необходимо обеспечить надежный теплоотвод. Часто для дополнительной защиты от перенапряжения цепь, которая переключается, дополнительно мостится варистором.
Маломощные твёрдотельные реле.
Существует множество моделей твердотельных реле, предназначенных для работы с малыми токами и напряжениями. В народе они нередко именуются телекоммуникационными реле или MER (Micro Electronic Relay). В большинстве случаев такие устройства предназначены для работы с маломощными нагрузками.
Твердотельные реле малой мощности имеют минимальные размеры и успешно применяются в многофункциональных телефонах, контрольно-измерительных приборах, модемах, а также в системах сигнализации и противопожарной защиты.
Поскольку они предназначены для работы в слаботочных режимах, их схемотехника значительно упрощена, что делает их более доступными по цене. Они наиболее подходят для внедрения в системы охранной и пожарной сигнализации, которые требуют высокого уровня надежности, чего не всегда могут обеспечить электромеханические реле. Для примера рассмотрим конструкцию слаботочного реле CPC1035.
Как показано на изображении, это реле представляет собой комбинированное устройство, включающее мощный инфракрасный диод с составом AsGaAl. Внедрена схема управления, которая активирует нагрузку с помощью двойного MOSFET транзистора. Благодаря использованию двойного транзистора MOSFET реле может успешно переключать переменный ток. Как только на инфракрасный диод поступает напряжение, он начинает излучать свет. Это излучение воздействует на массив фотодиодов, внутри которого формируется фотоэлектрическое поле. Напряжение, получаемое от фотомассы (фотоэлемент), передается в схему управления, которая контролирует работу переключателя, выполненного на основе полевых транзисторов. Таким образом, в нагрузку начинает поступать ток. Из этого видно, что основным элементом любого твердотельного реле является полупроводниковая технология.
Наиболее важные характеристики модели CPC1035:
- Возбуждаемое переменное напряжение (обратное напряжение) составляет 0,350 В;
- Максимальный ток нагрузки достигает 100 мА;
- Максимальное сопротивление активации составляет 35 Ом;
- Значение тока управления равно 2,50 мА (ток управления является постоянным).
Эти компактные реле с низким уровнем потребления тока активно применяются в системах охранной сигнализации. Например, реле COSMO модели CPC1008 используется на плате детектора движения «Фотон-Ш». Оно может быть подключено как к шлейфу сигнализации приемно-контрольного прибора (например, ППКОП «Гранит»), так и к линии, ведущей на центральную станцию мониторинга (ЦСМ).
Также следует упомянуть, что твердотельные реле серии CPC10xx используются в составе охранного извещателя «Астра-621». Это многофункциональный датчик, который контролирует движение в защищаемой зоне с помощью пироэлектрического датчика и следит за открыванием окон, используя чувствительный микрофон. На печатной плате устройства расположены два твердотельных реле CPC1016N. Одно из них активируется при обнаружении движения в зоне потенциального взлома, а второе — при разбитии окна.
Если внимательно рассмотреть, можно заметить, что твердотельные реле обозначены как DA4 и DA5 на печатной плате. Буквенное обозначение «DA» обычно используется для обозначения аналоговых микросхем на принципиальных схемах. Это свидетельствует о том, что полупроводниковое реле лучше рассматривать не как отдельный элемент, а как специализированную микросхему, например, ИК-приемник.
