Solid State Relays: The Invisible Heroes of Power Control

Co je polovodičové relé (SSR)? Toto malé zařízení je schopno spínat vysoce výkonné obvody se zatěžovacími proudy až 600 A pomocí řídicích signálů s nízkým výkonem. Jak funguje, kde se používá a je schopen nahradit elektromechanická a elektromagnetická relé?

Struktura a součásti polovodičového relé

• Vstupní obvod, který přijímá signál a předává příkazy reléovému zařízení, které spíná zátěž.
• Optická izolace slouží k izolaci vstupní a výstupní AC sítě.
• Schéma přechodu nulou, který řídí TTR a má pracovat pouze při nulovém napětí.
• Spouštěcí řetěz – samostatný prvek, který zpracovává vstupní signál a spíná výstup.
• Spínací řetěz dodává napěťový výkon, obsahuje tranzistor, triak a křemíkovou diodu.
• Řetězec ochrany může být externí nebo interní, chrání zařízení před poruchami nebo chybami.

Strukturní schéma polovodičového relé

Princip činnosti TTR

Řídicí signál interaguje s řízeným vytvořením galvanické izolace, to znamená, že k přenosu energie a informací mezi elektrickými obvody dochází při absenci přímého elektrického kontaktu mezi nimi. Signál je přenášen pomocí optického záření. V TTR je galvanické oddělení prováděno elektronickým zařízením sestávajícím z emitoru světla a fotodetektoru.

Optočlen (optočleny) obvod

Řídicí napětí napájí LED diodu, která osvětluje fotodiodu, proudem, kterým se zapíná tyristor pro ovládání zátěže. Princip činnosti takového optočlenu spočívá v přeměně elektrického signálu na světlo, jeho přenosu optickým kanálem a následné přeměně zpět na elektrický signál.

Výhody polovodičových relé oproti tradičním relé

Největší výhodou polovodičových relé oproti elektromagnetickým a elektromechanickým relé je absence pohyblivých mechanických kontaktů, což nám umožňuje vyzdvihnout takové vlastnosti jako:

• vysoká spolehlivost a dlouhá životnost;
• vysokorychlostní výkon;
• absence odskoku kontaktu, což snižuje úroveň rušení a zajišťuje stabilní provoz zařízení;
• žádné napěťové rázy při přepínání;
• odolnost vůči vnějším elektromagnetickým polím;
• nízká spotřeba energie;
• menší rozměry a hmotnost;
• nepřítomnost jisker, což umožňuje použití zařízení ve výbušných a požárně nebezpečných prostorech;
• nepřítomnost akustického hluku z provozu mechanických kontaktů.

Nevýhody polovodičových relé: Měli byste se obávat?

I při tak velkém počtu výhod mají STR nevýhody, které jim brání v úplném nahrazení elektromechanických a elektromagnetických relé.

Pro stabilní provoz výkonných TSR je důležitý účinný odvod tepla, protože pokud teplota překročí přípustnou hodnotu, povede to ke zkreslení zátěžového napětí.

Nevýhody polovodičových relé také zahrnují:

• vyšší náklady ve srovnání s elektromechanickými relé;
• kritické snížení provozních parametrů při teplotách pod -30 °C a nad +70 °C;
• kompaktní tělo, které vede k nadměrnému zahřívání zařízení při trvale vysokém zatížení a vyžaduje použití speciálních chladicích zařízení;
• možnost roztavení zařízení v důsledku zahřátí při zkratu;
• citlivost na vysoké proudy, zejména ve spouštěcích obvodech elektromotorů.

Jejich použití v obvodech vysokonapěťových průmyslových zařízení je tedy výrazně omezeno kvůli nedokonalým fyzikálním vlastnostem polovodičových materiálů. V domácích spotřebičích a automobilovém průmyslu však polovodičová relé zaujímají sebevědomou pozici.

Klasifikace a oblasti použití TTR

Oblasti použití relé jsou různé, proto se jejich konstrukční vlastnosti mohou značně lišit. TTR jsou klasifikovány podle následujících parametrů:

Jednofázové TTR poskytují provoz s proudy 4…600 A. Jsou řízeny pomocí analogového signálu. Třífázové TTR jsou schopny propustit proud 4. 100 A. Často se používají k zajištění chodu asynchronního motoru.

Většina SSR pracuje se střídavým napětím a proudem. Zařízení pro pohon s konstantním proudem vydrží široký rozsah teplot bez výrazných změn výkonu.

Mnoho modelů TTR má montážní blok pro montáž na lištu DIN. Kromě toho existují speciální radiátory, které jsou umístěny mezi TTR a povrchem stojanu. Zahřívání polovodičových relé při spínání zátěže je způsobeno elektrickými ztrátami ve výkonových polovodičových prvcích. V tomto ohledu provoz takových TTR vyžaduje odvod tepla, proto je důležité vybrat správný chladič.

Aplikace chladiče pro chlazení TTR

Pouzdra TTR jsou vyrobena ze speciálního plastu s vysokou tepelnou odolností. Tento materiál je podobný
Má stejné vlastnosti jako karbolit, ale není křehký. Robustní vlastnosti pouzdra zajišťují jeho celistvost i v případě zkratu. A měděná základna umožňuje odvod přebytečného tepla z výkonového prvku s maximální účinností.

Nejběžnějším kontrolním schématem pro TTR je kontrola „nula-through“. Tento typ ovládání polovodičového relé předpokládá činnost pouze tehdy, když je hodnota napětí rovna 0.

Polovodičová relé našla uplatnění v telekomunikačních zařízeních, jako jsou fax, modem, multifunkční telefony, bezdrátové telefony, záznamníky, zařízení zabezpečovacích systémů.

SSR se často používají v přístrojových a průmyslových automatizačních systémech, například jako výstupní relé programovatelných ovladačů, budiče stykačů, elektromotorů, vinutí, indikátorů a displejů.

Polovodičová relé lze použít i pro udržování teploty v technologických procesech. TTR spínají řídicí obvody trubkových elektrických ohřívačů, monitorují činnost transformátorů, regulují osvětlení a používají se v obvodech pohybových senzorů, osvětlení a fotosenzorů pro pouliční osvětlení.

Příklad použití TTR

Co čeká TTR na měnícím se trhu s elektronikou?

Na měnícím se trhu elektroniky hrají polovodičová relé i nadále důležitou roli díky svým jedinečným vlastnostem, jako je vysoká spolehlivost, rychlá odezva a žádné pohyblivé části. S rostoucí poptávkou po automatizačních a energeticky úsporných technologiích se předpokládá, že zavádění TTR poroste v různých oblastech včetně automobilového průmyslu, průmyslové automatizace a spotřební elektroniky.

Aby však výrobci zůstali konkurenceschopní, budou se muset aktivně přizpůsobovat změnám preferencí spotřebitelů, zavádět inovativní řešení a zajistit vysoký stupeň integrace s moderními digitálními systémy. To umožní přechod na inteligentnější a multifunkčnější zařízení, která budou splňovat požadavky udržitelného rozvoje a zvýšené energetické účinnosti.

© Materiál je chráněn autorským právem společnosti OWEN. Bez předchozího souhlasu držitele autorských práv je zakázáno kopírovat, distribuovat nebo jinak používat informace a předměty tohoto materiálu.

Klasické startéry a stykače se postupně stávají minulostí. Jejich místo v automobilové elektronice, domácích spotřebičích a průmyslové automatizaci zaujímá polovodičové relé – polovodičové zařízení, které nemá žádné pohyblivé části.

Zařízení mají různá provedení a schémata připojení, která určují oblasti jejich použití. Před použitím zařízení musíte pochopit jeho princip fungování, dozvědět se o funkcích provozu a připojení různých typů relé. Odpovědi na výše uvedené otázky jsou podrobně uvedeny v prezentovaném článku.

Polovodičové reléové zařízení

Moderní polovodičová relé (SSR) jsou modulární polovodičová zařízení, která fungují jako výkonové elektrické spínače.

Klíčovými pracovními jednotkami těchto zařízení jsou triaky, tyristory nebo tranzistory. TTR nemají pohyblivé části, což je odlišuje od elektromechanických relé.

Velikost polovodičového relé závisí do značné míry na maximálním přípustném zatížení a schopnosti odvádět teplo přenosem tepla a konvekcí (+)

Vnitřní konstrukce těchto zařízení se může značně lišit v závislosti na typu ovládané zátěže a elektrickém obvodu.

Mezi nejjednodušší polovodičová relé patří následující jednotky:

• vstupní jednotka s pojistkami;
• spouštěcí obvod;
• optická (galvanická) izolace;
• spínací jednotka;
• ochranné řetězy;
• zatížení výstupního uzlu.

Vstupní uzel STR je primární obvod se sériově zapojeným rezistorem. Do tohoto obvodu je volitelně zabudována pojistka. Úkolem vstupního uzlu je přijímat řídicí signál a předat příkaz spínačům spínání zátěže.

U střídavého proudu se používá galvanické oddělení k oddělení řídicího a hlavního obvodu. Princip činnosti relé do značné míry závisí na jeho konstrukci. Spouštěcí obvod zodpovědný za zpracování vstupního signálu může být součástí optické izolační jednotky nebo umístěn samostatně.

Ochranná jednotka zabraňuje přetížení a chybám, protože při poruše zařízení může selhat i připojené zařízení.

Hlavním účelem polovodičových relé je uzavřít/otevřít elektrickou síť pomocí slabého řídicího signálu. Na rozdíl od svých elektromechanických protějšků mají kompaktnější tvar a během provozu nevytvářejí charakteristické cvakání.

Princip činnosti TTR

Obsluha polovodičového relé je poměrně jednoduchá. Většina TTR je navržena pro řízení automatizace v sítích 20-480 V.

Optická izolace umožňuje vytváření řídicích signálů s minimálním výkonem, což je kritické pro senzory pracující z autonomních zdrojů napájení (+)

V klasickém provedení obsahuje tělo přístroje dva kontakty spínacího obvodu a dva ovládací vodiče. Jejich počet se může měnit s nárůstem počtu připojených fází. V závislosti na přítomnosti napětí v řídicím obvodu se hlavní zátěž zapíná nebo vypíná polovodičovými prvky.

Zvláštností polovodičových relé je přítomnost konečného odporu. Pokud jsou kontakty v elektromechanických zařízeních zcela odpojeny, pak v polovodičových zařízeních je nepřítomnost proudu v obvodu zajištěna vlastnostmi polovodičových materiálů.

Proto se při vysokém napětí mohou objevit malé svodové proudy, které mohou negativně ovlivnit provoz připojeného zařízení.

Klasifikace polovodičových relé

Oblasti použití relé jsou různé, proto se jejich konstrukční vlastnosti mohou značně lišit v závislosti na potřebách konkrétního automatického obvodu. SSR jsou klasifikovány podle počtu připojených fází, typu provozního proudu, konstrukčních vlastností a typu řídicího obvodu.

Podle počtu připojených fází

Polovodičová relé se používají jak v domácích spotřebičích, tak v průmyslové automatizaci s provozním napětím 380 V.

Proto se tato polovodičová zařízení v závislosti na počtu fází dělí na:

• jednofázový;
• třífázový.

Jednofázové TTR umožňují práci s proudy 10-100 nebo 100-500 A. Jsou řízeny pomocí analogového signálu.

K třífázovému relé se doporučuje připojit vodiče různých barev, aby je bylo možné správně připojit při instalaci zařízení.

Třífázová polovodičová relé jsou schopny procházet proud v rozsahu 10-120 A. Jejich konstrukce předpokládá reverzibilní princip činnosti, který zajišťuje spolehlivou regulaci několika elektrických obvodů současně.

K zajištění chodu asynchronního motoru se často používají třífázové SSR. Jeho řídicí obvod musí obsahovat rychlé pojistky kvůli vysokým rozběhovým proudům.

Podle typu provozního proudu

Polovodičová relé nelze nastavit ani přeprogramovat, takže mohou normálně fungovat pouze v určitém rozsahu parametrů elektrické sítě.

V závislosti na potřebách mohou být STR ovládány elektrickými obvody se dvěma typy proudu:

Podobně lze TTR klasifikovat podle typu napětí aktivní zátěže. Většina relé v domácích spotřebičích pracuje s proměnnými parametry.

Stejnosměrný proud se nepoužívá jako primární zdroj elektřiny v žádné zemi na světě, takže relé tohoto typu mají úzký rozsah použití.

Zařízení s konstantním řídicím proudem se vyznačují vysokou spolehlivostí a k regulaci využívají napětí 3-32 V Odolávají širokému rozsahu teplot (-30..+70°C) bez výrazných změn charakteristik.

Relé řízená střídavým proudem mají ovládací napětí 3-32 V nebo 70-280 V. Vyznačují se nízkým elektromagnetickým rušením a vysokou rychlostí odezvy.

Podle konstrukčních prvků

Polovodičová relé jsou často instalována v obecném elektrickém panelu bytu, takže mnoho modelů má montážní blok pro montáž na lištu DIN.

Kromě toho jsou mezi TTR a nosnou plochou umístěny speciální radiátory. Umožňují chlazení zařízení při vysokém zatížení při zachování jeho provozních vlastností.

Relé se montuje na DIN lištu převážně přes speciální držák, který má i doplňkovou funkci – odvádí přebytečné teplo při provozu zařízení.

Mezi relé a radiátor se doporučuje nanést vrstvu teplovodivé pasty, která zvětší kontaktní plochu a zvýší přenos tepla. Existují také TTR určené pro upevnění na stěnu běžnými šrouby.

Podle typu řídicího obvodu

Princip činnosti technologie nastavitelných relé nevyžaduje vždy její okamžitou odezvu.

Proto výrobci vyvinuli několik řídicích obvodů TTR, které se používají v různých oblastech:

1. Ovládání “přes nulu”. Tento typ ovládání pro polovodičové relé předpokládá činnost pouze při hodnotě napětí 0. Používá se v zařízeních s kapacitní, odporovou (topidla) a slabou indukční (transformátory) zátěží.
2. Okamžitý. Používá se, když je potřeba ostré sepnutí relé při přivedení řídicího signálu.
3. Fáze. Jedná se o regulaci výstupního napětí změnou parametrů řídicího proudu. Slouží k plynulé změně stupně ohřevu nebo osvětlení.

Polovodičová relé se liší i mnoha dalšími, méně významnými parametry. Proto je při nákupu TTR důležité porozumět provoznímu schématu připojeného zařízení, abyste si pro něj mohli zakoupit nejvhodnější nastavovací zařízení.

Je nezbytné zajistit výkonovou rezervu, protože relé má provozní zdroj, který se při častém přetížení rychle vyčerpá.

Výhody a nevýhody TTR

Není nadarmo, že polovodičová relé vytlačují konvenční spouštěče a stykače z trhu. Tato polovodičová zařízení mají oproti svým elektromechanickým protějškům mnoho výhod, a proto si je spotřebitelé vybírají.

Relé pro mikroobvody mají kompaktní rozměry a jsou výrazně omezeny z hlediska maximálního průtoku proudu. Připevňují se především připájením speciálních nohou.

Mezi tyto výhody patří:

1. Nízká spotřeba energie (o 90 % nižší).
2. Kompaktní rozměry umožňují instalaci zařízení v omezených prostorech.
3. Vysoká rychlost spouštění a vypínání
4. Snížená provozní hlučnost, žádné cvakání typické pro elektromechanická relé.
5. Nevyžaduje žádnou údržbu.
6. Dlouhá životnost díky zdroji stovek milionů aktivací.
7. Díky širokým možnostem modifikace elektronických součástek mají TTR rozšířené oblasti použití.
8. Při spuštění nedochází k elektromagnetickému rušení.
9. Poškození kontaktů mechanickým nárazem je vyloučeno.
10. Žádný přímý fyzický kontakt mezi řídicími a spínacími obvody.
11. Možnost regulace zátěže.
12. Přítomnost automatických obvodů v pulzních TTR, které chrání před přetížením.
13. Možnost použití ve výbušném prostředí.

Výše uvedené výhody polovodičových relé nejsou vždy dostatečné pro normální provoz zařízení. To je důvod, proč ještě zcela nenahradily elektromechanické stykače.

Pro stabilní provoz výkonných polovodičových relé je důležitý účinný odvod tepla, protože při zvýšených teplotách dochází k prudkému zkreslení zátěžového napětí (+).

TTR mají také nevýhody, které v mnoha případech brání jejich použití.

1. Většina zařízení nemůže pracovat s napětím nad 0,5 kV.
2. Vysoká cena.
3. Citlivost na vysoké proudy, zejména ve spouštěcích obvodech elektromotorů.
4. Omezení použití v podmínkách vysoké vlhkosti.
5. Kritické snížení výkonových charakteristik při teplotách pod 30 °C pod nulou a nad 70 °C nad nulou.
6. Kompaktní tělo vede k nadměrnému zahřívání zařízení při trvale vysoké zátěži, což vyžaduje použití speciálních pasivních nebo aktivních chladicích zařízení.
7. Možnost roztavení zařízení vlivem zahřátí při zkratu.
8. Mikroproudy v sepnutém stavu ochrany mohou být kritické pro provoz zařízení. Například zářivky připojené k síti mohou periodicky blikat.

Polovodičová relé tedy mají určité oblasti použití. V obvodech vysokonapěťových průmyslových zařízení je jejich použití výrazně omezeno kvůli nedokonalým fyzikálním vlastnostem polovodičových materiálů.

V domácích spotřebičích a automobilovém průmyslu však TTR zaujímají silnou pozici díky svým pozitivním vlastnostem.

Možná schémata připojení

Schémata zapojení polovodičových relé mohou být velmi různorodá. Každý elektrický obvod je sestaven na základě charakteristik připojené zátěže. Do okruhu lze přidat další pojistky, ovladače a regulační zařízení.

Vzhledem k tomu, že se řídicí a zátěžové obvody v zařízení nepřekrývají, mohou se jejich elektrické charakteristiky lišit libovolnými parametry (+)

Níže představíme nejjednodušší a nejběžnější schémata zapojení TTR:

• normálně otevřené;
• s připojeným obrysem;
• normálně uzavřeno;
• třífázový;
• reverzibilní.

Normálně otevřený (otevřený) obvod — relé, ve kterém je zátěž pod napětím, když je přítomen řídicí signál. To znamená, že připojené zařízení je v odpojeném stavu, když jsou vstupy 3 a 4 bez napětí.

Před zakoupením relé je nutné určit požadovaný typ jeho výchozího stavu (sepnuto nebo rozepnuto), aby byla zajištěna správná funkce připojeného zařízení (+)

Normálně uzavřený okruh — označuje relé, ve kterém je zátěž nabuzena při nepřítomnosti řídicího signálu. To znamená, že připojené zařízení je v provozním stavu, když jsou vstupy 3 a 4 bez napětí.

Existuje schéma zapojení polovodičového relé, ve kterém jsou řídicí a zátěžové napětí stejné. Tuto metodu lze použít současně pro práci ve stejnosměrných i střídavých sítích.

Třífázová relé jsou zapojeny podle trochu jiných principů. Kontakty lze zapojit do hvězdy, trojúhelníku nebo hvězdy s neutrální konfigurací.

Volba schématu zapojení třífázového relé do značné míry závisí na provozních vlastnostech zařízení, které je k němu připojeno jako zátěž.

Reverzní polovodičová relé se používají v elektromotorech v příslušném režimu. Vyrábějí se v třífázovém provedení a obsahují dva regulační obvody.

Pokud je důležité, aby relé zachovalo polaritu kontaktů, pak označení vždy udává, kam připojit fázi a nulu

Elektrické obvody se STR je nutné sestavovat až po jejich předběžném zakreslení na papír, protože nesprávně zapojená zařízení mohou selhat v důsledku zkratu.

Praktická aplikace přístrojů

Rozsah použití polovodičových relé je poměrně široký. Vzhledem k jejich vysoké spolehlivosti a absenci potřeby pravidelné údržby jsou často instalovány v těžko dostupných místech zařízení.

U mnoha relé vyžaduje připojení vodičů řídicího obvodu polaritu, kterou je třeba vzít v úvahu při instalaci zařízení.

Hlavní oblasti použití TTR jsou:

• termoregulační systém pomocí topných těles;
• udržování stabilní teploty v technologických procesech;
• řízení provozu transformátoru;
• nastavení osvětlení;
• schémata zapojení pohybových senzorů, osvětlení, foto senzorů pro pouliční osvětlení atd.;
• ovládání elektromotoru;
• nepřerušitelné zdroje napájení.

S rostoucí automatizací domácích spotřebičů se polovodičová relé stále více rozšiřují a vyvíjející se polovodičové technologie neustále otevírají nové oblasti jejich použití.

V případě potřeby si můžete polovodičové relé sestavit sami. Podrobné pokyny jsou uvedeny v tomto článku.

Závěry a užitečné video k tématu

Prezentovaná videa vám pomohou lépe porozumět fungování polovodičových relé a naučit se je zapojovat.

Praktická ukázka činnosti nejjednoduššího polovodičového relé:

Analýza typů a provozních vlastností polovodičových relé:

Testování provozu a úrovně ohřevu TTR:

Téměř každý může sestavit elektrický obvod z polovodičového relé a senzoru.

Plánování pracovního obvodu však vyžaduje základní elektrotechnické znalosti, protože nesprávné zapojení může způsobit úraz elektrickým proudem nebo zkrat. Ale v důsledku správných akcí můžete získat spoustu užitečných domácích zařízení.

Je co dodat, nebo máte dotazy ohledně zapojení a použití polovodičových relé? K publikaci můžete zanechat komentáře, účastnit se diskusí a sdílet své vlastní zkušenosti s používáním takových zařízení. Kontaktní formulář se nachází ve spodním bloku.