Всё о твердотельных реле KIPPRIBOR

Роль твердотельных реле (ТТР или в английском варианте SSR или в принятом в научном мире ТППТ) в современных системах коммутации электрических нагрузок существенна. В последние годы в различных технологических областях (от автомобильной электроники, систем связи и бытовой электроники до промышленной автоматики) идет переход от построения систем коммутации на обычных пускателях и контакторах к удобным, надежным способам коммутации с помощью полупроводниковых переключателей.

Что нужно знать о твердотельном реле? Где применяется и как оно устроено? Ответы на эти вопросы вы найдете в этом разделе.

Твердотельное реле (ТТР) – это класс современных модульных полупроводниковых приборов, выполненных по гибридной технологии, содержащих в своем составе мощные силовые ключи на симисторных, тиристорных либо транзисторных структурах. C точки зрения конечного пользователя, тиристоры и симисторы являются скорее комплектующими изделиями, а твердотельное реле представляет собой завершенное и готовое к использованию устройство. Мало кто знает, что в научном мире твердотельные реле называются - Тиристорные переключатели. Наиболее широкое распространение в промышленности получили тиристорные переключатели переменного тока (ТППТ).

В какой-то момент времени маркетологи придумали наименование "Твердотельное реле", которое с одной стороны объединило два термина переключатели переменного тока и переключатели постоянного тока в один общий, а с другой стороны такой термин стал ближе и доступней широкому потребителю. В конечном счете данный термин прижился и был принят специалистами, а тиристорные переключатели получили широкое применение в качестве силовых коммутационных элементов. По сути, твердотельное реле – это коммутационный аппарат на базе полупроводникового элемента, но дополнительно имеющий в своем составе схему преобразования сигналов управления полупроводниковым элементом в удобный для использования и применения сигнал. К тому же, твердотельное реле содержит ряд конструктивных решений, обеспечивающих надежность и удобство применения. Они с успехом используются для замены традиционных, контакторов и пускателей. Твердотельные реле обеспечивают наиболее надежный метод коммутации цепей. Выполняя те же функции, ТТР имеют ряд преимуществ:

• отсутствие подвижных частей;
• высокую надежность и продолжительный ресурс;
• стабильность характеристик на протяжении всего срока службы;
• отсутствие дребезга контактов и акустического шума;
• низкое энергопотребление и высокое быстродействие;
• малые габариты при высоких значениях номинального тока;
• удобный для монтажа на радиатор корпус;
• более низкий уровень генерируемых при коммутации помех.

Стандартизированный тип корпуса реле и ассортимент специализированных радиаторов охлаждения избавляет пользователя от конструкторских забот при размещении оборудования по месту эксплуатации.

Наряду с преимуществами имеются и некоторые неудобства при использовании ТТР: выделение тепла в рабочем режиме, которое свойственно любому полупроводниковому устройству, и несколько большая стоимость, по сравнению с эквивалентными моделями электромеханических реле и контакторов. Однако, благодаря практически бесконечному ресурсу работы и исключению простоев оборудования, ТТР окупают себя за относительно короткий промежуток времени. А вопрос нагрева реле легко решается применением типовых моделей радиаторов охлаждения. Кроме того, существуют специальные серии твердотельных реле с технологией нанесения полупроводникового ключа непосредственно на подложку реле (выход SCR-типа), что дает беспрецедентное улучшение показателей теплоотвода и надежности эксплуатации в целом

Твердотельное реле KIPPRIBOR представляют широкий диапазон модификаций для коммутации как малых, так и больших токов нагрузки, а также спецсерии для выполнения специфических задач коммутации. ТТР KIPPRIBOR обеспечивает надежную гальваническую изоляцию входных и выходных электрических цепей друг от друга, а также токоведущих цепей от элементов конструкции прибора, поэтому применение дополнительных мер изоляции цепей не требуется. Гальваническая изоляция подразумевает полное отсутствие электрических связей между входной и выходной цепью и осуществляется за счет применения «оптопар»,позволяющих передавать сигнал управления оптическим методом.

Исключение составляет модификация реле HD-xx44.VA, осуществляющая регулирование выходного напряжения за счет управления переменным резистором. Это обусловлено схемотехнической особенностью реле

Модификации твердотельных реле (ТТР) KIPPRIBOR

Однофазные ТТР KIPPRIBOR

• Серия KIPPRIBOR MD-xx44.ZD3 - однофазные твердотельные реле в миниатюрном корпусе специально для коммутации маломощной резистивной или слабоиндуктивной нагрузки. На сегодня это самый бюджетный в России вариант однофазных ТТР. Возможно использование в однофазной или трехфазной сети.
• Серии KIPPRIBOR HD-xx44.ZD3 и HD-хх44.ZA2 - однофазные общепромышленные твердотельные реле в стандартном корпусе для коммутации самых распространенных в промышленности диапазонов токов резистивной или индуктивной нагрузки. Возможно использование в однофазной или трехфазной сети.
• Серия KIPPRIBOR HD-xx25.DD3 - однофазные твердотельные реле для коммутации цепей постоянного тока резистивной или индуктивной нагрузки. Также ТТР этой серии применяется для усиления выходного сигнала регулирующего прибора (с небольшой нагрузочной способностью выхода) при подключении к нему нескольких ТТР. Возможно использование в однофазной или трехфазной сети.
• Серии KIPPRIBOR HD-xx44.VA, HD-xx25.LA и HD-xx22.10U - однофазные твердотельные реле для непрерывного регулирования напряжения в диапазоне от 10 В до номинального значения, пропорционально входному сигналу. Рекомендуются только для коммутации резистивной нагрузки. Возможно использование в однофазной или трехфазной сети.

Типы управляющих сигналов:

• переменный резистор 470 кОм, 0,5 Вт для HD-xx.44VA;
• унифицированный токовый сигнал 4…20 мА для HD-xx25.LA;
• унифицированный сигнал напряжения 0…10 В для HD-xx.2210U.
• Серия KIPPRIBOR HDH-xx44.ZD3 - однофазные твердотельные реле для коммутации мощной нагрузки, выполненные в стандартном корпусе ТТР. Позволяют коммутировать резистивную или индуктивную нагрузку в однофазной или трехфазной сети.
• Серии KIPPRIBOR SBDH-xx44.ZD3 и BDH-xx44.ZD3 - однофазные твердотельные реле для коммутации мощной нагрузки, выполненные в корпусах промышленного стандарта. Используются для коммутации цепей питания мощных резистивных или индуктивных нагрузок в однофазной или трехфазной сети. Корпус имеет большие клеммы для удобного подключения проводов большого сечения. ТТР серии SBDH выполнен в более компактном корпусе.
• Серии KIPPRIBOR GaDH-xxx120.ZD3 - с усиленным теплоотводоми GwDH-xxx120.ZD3 с водяным охлаждением - однофазные ТТР. Перекрывают самый большой на сегодняшний день в России диапазон токов нагрузки. Используются для коммутации цепей питания мощных резистивных или индуктивных нагрузок в однофазной или трехфазной сети, обеспечивая гарантированный запас потоку.

Трехфазные ТТР KIPPRIBOR

• Серии KIPPRIBOR HT-xx44.ZD3 и HT-xx44.ZA2 трехфазные твердотельные реле для коммутации резистивной нагрузки. Обеспечивают одновременную коммутацию по каждой из 3-х фаз. Возможно использование для групповой коммутации нагрузки в трех однофазных цепях.

Общие рекомендации по выбору твердотельных реле

Нагрев твердотельных реле при коммутации нагрузки обусловлен электрическими потерями на силовых полупроводниковых элементах. Увеличение же температуры ТТР накладывает ограничение на величину коммутируемого тока, поскольку чем выше температура твердотельного реле, тем меньший ток оно способно коммутировать. Достижение температуры в 40° C не вызывает существенного ухудшения рабочих параметров, а нагрев твердотельного реле в 70° С существенно снижает допустимую величину коммутируемого тока: нагрузка может отключаться не полностью, а само ТТР перейти в неуправляемый режим работы и даже выйти из строя.

Следовательно, при длительной работе твердотельного реле в номинальных, и особенно, «тяжелых» режимах (при длительной коммутации при токах нагрузки свыше 5 А) требуется применение радиаторов или воздушного охлаждения для рассеивания тепла. При повышенных нагрузках, например, в случае нагрузки индуктивного характера (соленоиды, электромагниты и т.п.), рекомендуется выбирать твердотельное реле с большим запасом по току (в 2-4 раза), а в случае применения твердотельных реле для управления асинхронным электродвигателем - необходим 6-10 кратный запас по току.

При работе с большинством типов нагрузок включение твердотельного реле сопровождается скачком тока (пусковой перегрузкой) различной длительности и амплитуды, и это необходимо учитывать при выборе твердотельного реле.

Для различных типов нагрузок можно указать следующие величины пусковых перегрузок:

• чисто активные нагрузки (нагреватели типа ТЭН) дают минимально возможные скачки тока (до 25% от номинального), которые практически устраняются при использовании твердотельного реле с переключением в нуле;
• лампы накаливания, галогенные лампы при включении пропускают ток в 7-12 раз больше номинального;
• флуоресцентные лампы в течение первых секунд (до 10 сек) дают кратковременные скачки тока, в 5-10 раз превышающие номинальный ток;
• ртутные лампы дают тройную перегрузку по току в течение первых 3-5 мин;
• обмотки электромагнитных реле переменного тока: ток в 3-10 раз больше номинального в течение 1-2 периодов;
• обмотки соленоидов: ток в 10- 20 раз больше номинального в течение 0,05 - 0,1 сек;
• электродвигатели: ток в 5 -10 раз больше номинального в течение 0,2 - 0,5 сек;
• высокоиндуктивные нагрузки с насыщающимися сердечниками (трансформаторы на холостом ходу) при включении в фазе нуля напряжения: ток в 20-40 раз больше номинального в течение 0,05 - 0,2 сек;
• емкостные нагрузки при включении в фазе, близкой к 90°: ток в 20-40 раз больше номинального в течение времени от десятков микросекунд до десятков миллисекунд.

Способность твердотельных реле выдерживать токовые перегрузки характеризуются величиной ударного тока, т.е. амплитудой одиночного импульса заданной длительности (обычно 10 мс). Для реле постоянного тока эта величина обычно в 2 – 3 раза превосходит значение максимально допустимого постоянного тока, для тиристорных реле это соотношение около 10. Для токовых перегрузок произвольной длительности можно исходить из эмпирической зависимости: увеличение длительности перегрузки на порядок ведет к уменьшению допустимой амплитуды тока.

Выбор номинального тока твердотельного реле для конкретной нагрузки заключается в подборе запаса по номинальному току реле и введением дополнительных мер по уменьшению пусковых токов (токоограничивающие резисторы, реакторы и т.д.).

Алгоритм выбора твердотельного реле можно свести к выполнению трех основных шагов:

• Определяем необходимую модификацию реле, исходя из типа напряжения питания (одно- либо трехфазное, постоянного либо переменного тока), требуемого типа сигнала управления (дискретный постоянного или переменного тока, либо аналоговый).
• Выбираем требуемое значение тока реле, исходя из условия, что ток твердотельного реле должен превышать значение тока нагрузки в любом режиме работы, другими словами, при выборе тока реле руководствуемся не номинальным током нагрузки, а пусковым, стартовым и т. п. Например, для нагревателя стартовый ток выше на 10 %, значит и при выборе руководствуемся на 30 - 40 % большим от номинального значением (10%-пусковой ток нагревателя, 20% -колебание напряжения в сети). А вот для лампы накаливания стартовый ток,как уже говорили, выше в 10–12 раз, значит, и реле выбираем с током в 12 раз большим, нежели номинальный.
• Выбираем необходимый радиатор охлаждения для подобранного твердотельного реле, исходя из номинального рабочего тока нагрузки, подключенной к реле. При выборе радиатора также лучше воспользоваться таблицей подбора радиатора, приведенной на сайте. Просьба учитывать факторы, ухудшающие теплоотвод, и заведомо выбирать радиатор с запасом по рассеиваемой мощности.

Для повышения устойчивости твердотельного реле к импульсным помехам параллельно коммутирующим контактам в ТТР имеется цепь, состоящая из последовательно включенных резистора и емкости (RC-цепочка).

Для более полной защиты от источника перегрузки по напряжению со стороны нагрузки необходимо включить защитные варисторы параллельно каждой фазе твердотельного реле, а в случае с ТТР, коммутирующими постоянный ток – защитный диод.

Радиаторы серии РТР для твердотельных реле KipPribor

Твердотельное реле при протекании через него тока в цепи нагрузки нагревается, это обусловлено электрическими потерями на силовых полупроводниковых элементах. При этом увеличение температуры реле накладывает ограничение на величину коммутируемого им тока нагрузки. С целью охлаждения ТТР коммутационный элемент во всех твердотельных реле KipPribor смонтирован на металлическое основание корпуса, на которое рассеивается выделяемое в процессе работы тепло. Однако металлическое основание твердотельного реле ввиду малой своей площади способно успешно рассеивать лишь небольшое количество тепла, когда ток нагрузки не превышает 5А. Следовательно, при длительной работе реле с токами нагрузки свыше 5А требуется применение дополнительных мер охлаждения. Наиболее очевидный способ улучшить теплоотвод реле – увеличить площадь рассеивания тепла от металлического основания реле. Добиться этого можно установкой твердотельного реле на радиатор охлаждения.

Значение тока нагрузки, обозначенное на шильдике твердотельного реле, указывается из условия нагрева основания реле не выше 40°C.Чем выше температура разогрева реле, тем меньший ток оно способно коммутировать. При нагреве реле свыше 40°С допустимая величина коммутируемого тока снижается и будет меньше заявленного на шильдике реле значения. При 70°С коммутационная способность реле падает вдвое. А при нагреве до 80°С уже возникает тепловой перегрев коммутационного ключа с переходом реле в неуправляемый режим, когда нагрузка включается с помощью ТТР, но отключиться уже не может. В итоге это приводит к тепловому пробою коммутационного элемента и, соответственно, выходу реле из строя. Очевидно, что для нормальной эксплуатации твердотельного реле необходимо обеспечивать отвод тепла от коммутационного элемента, дабы избежать перегрева реле с последующим выходом его из строя.

Кроме того, работа реле при повышенных температурах (свыше 60 градусов) сокращает ресурс эксплуатации и повышает вероятность выхода реле по другим причинам.

В случае повышенной температуры окружающей среды (свыше 40°С) ТТР не сможет нормально охлаждаться, даже при использовании радиатора с принудительным обдувом. В такой ситуации ТТР будет перегреваться и может выйти из строя. В этом случае возможны два варианта решения:

• предусматривать силовые шкафы с внешним охлаждением (кондиционеры);
• использовать ТТР с водяным охлаждением серии GwDH.

Использование стандартной серии ТТР при повышенных температурах и без внешнего кондиционирования воздуха возможно, при условии выбора номинального тока реле с учетом его повышенной температуры эксплуатации.

ГЛАВНОЕ ПРАВИЛО ВЫБОРА РАДИАТОРА

При выборе радиатора для охлаждения твердотельного реле следует руководствоваться:

• в первую очередь, способностью радиатора рассеивать тепло (!);
• и только потом уделять внимание габаритным характеристикам.

ГЛАВНОЕ ПРАВИЛО МОНТАЖА РАДИАТОРА

Установку радиатора охлаждения по месту применения необходимо проводить таким образом, чтобы его ребра охлаждения были параллельны потокам воздуха: при отсутствии принудительной вентиляции – вертикально, по потоку естественной циркуляции воздуха (снизу-вверх), либо в любом положении при наличии принудительного обдува с помощью вентилятора охлаждения. Монтаж всех моделей радиаторов ТТР осуществляется на плоскость винтами.

Особое внимание следует уделить установке твердотельного реле на радиатор и проводить её с использованием теплопроводной пасты.

Монтаж твердотельного реле на радиатор

Для разных серий твердотельных реле на радиаторах серии ТТР имеются разные посадочные отверстия. Типы допустимых к установке на конкретный радиатор реле указаны в характеристиках радиатора.

При установке ТТР на радиатор необходимо использовать теплопроводящую пасту. Теплопроводящая паста – это, как правило, паста на силиконовой основе, обладающая хорошей теплопроводностью. Используется она в электронных устройствах для улучшения процесса отвода тепла от компонентов, смонтированных на радиаторе. Применение теплопроводящей пасты при монтаже твердотельного реле на радиатор охлаждения значительно улучшает теплопередачу от реле к радиатору. Повышение эффективности теплоотдачи происходит за счет заполнения мелких пустот между поверхностями реле и радиатора, т. е. за счет компенсации шероховатостей и дефектов соприкасающихся поверхностей. Наиболее распространенной маркой теплопроводной пасты на российском рынке является паста марки КПТ-8 с рабочей температурой от –60 до +180 °С. Альтернативным вариантом может служить теплопроводная пластина, применяемая некоторыми производителями ТТР. Однако не стоит забывать, что теплопроводная паста способствует улучшению показателей теплоотвода только при правильном еt нанесении.

При нанесении теплопроводной пасты на твердотельное реле внимание стоит уделять вопросу соблюдения оптимальной толщины и равномерности нанесенного слоя. Слишком толстый слой теплопроводного материала увеличивает тепловое сопротивление перехода «радиатор – реле» и препятствует нормальному отводу тепла от твердотельного реле. Неравномерный слой приводит к образованию между поверхностями реле и радиатора ещё большего количества воздушных пустот и резко повышает тепловое сопротивление перехода. Оптимальным считается слой теплопроводной пасты до 40 мкм, когда через слой термопасты видна структура поверхности радиатора, поскольку этого вполне достаточно для покрытия шероховатости поверхностей. Целесообразно наносить пасту на радиатор с использованием ровного металлического шпателя, добиваясь распределения пасты пропорционально дефектам поверхности. Нанесение пасты на радиатор эффективнее по причине большей неровности его поверхности по сравнению с основанием реле. После установки реле на радиатор с нанесенной термопастой необходимо осуществить «притирку» поверхностей. Притирка совершается небольшими колебательными движениями (до 5 мм, но без взаимного отрыва поверхностей!) с одновременным прижимом реле к радиатору. Только после этого можно произвести фиксацию реле на радиаторе винтами.

Подбор радиаторов для конкретной серии ТТР

Точный расчет требуемого радиатора охлаждения для конкретного случая применения ТТР требует большого количества математических вычислений. Однако, большинство применений твердотельных реле – типовое (установка в вертикальный шкаф, нагрузка – нагревательные элементы). В этом случае можно упростить выбор радиатора, используя Таблицу подбора радиатора для твердотельных реле KIPPRIBOR, которую вы найдете на сайте в разделе Радиаторы для твердотельных реле.

Однако стоит учитывать, что таблицы подбора радиаторов разработаны исходя из нормальных условий эксплуатации ТТР, когда температура эксплуатации не превышает 25 °С, а радиатор установлен в хорошо проветриваемом месте, где естественной циркуляции воздуха ничто не препятствует. Поэтому при выборе по таблицам подбора стоит обязательно учитывать факторы, ухудшающие теплоотдачу (размещение в шкафу, повышенную внешнюю температуру в месте установки и т. п.), и выбирать радиатор заведомо с запасом по рассеиваемой мощности. При этом нужно помнить, что во избежание лишних трат радиатор выбирается исходя из номинального длительного тока нагрузки, а не тока на который рассчитано ТТР. Радиаторы охлаждения KIPPRIBOR РТР представлены несколькими моделями, отличающимися между собой габаритно-техническими характеристиками и величиной рассеиваемой мощности. В случае если стоит задача применения твердотельного реле KIPPRIBORc радиатором охлаждения стороннего производителя, то необходимо будет провести тепловой расчет для выбора необходимого типа радиатора. Исходные данные и методику расчета в этом случае необходимо запросить у производителя радиатора охлаждения

Общая классификация твердотельных реле (ТТР) KIPPRIBOR по типу коммутируемой сети

Твердотельное реле для коммутации однофазной сети:

• могут использоваться для коммутации трехфазной сети при использовании одного однофазного твердотельного реле на каждую фазу;
• позволяют осуществлять коммутацию трехфазной нагрузки с любой схемой включения («Звезда», «Звезда с нейтралью» и «Треугольник»). Применение отдельного твердотельного реле для коммутации каждой из 3-х фаз существенно повышает надежность коммутации за счет более оптимального охлаждения реле каждой фазы, а, следовательно, и надежность всей системы управления в целом;
• позволяют коммутировать нагрузку резистивного и индуктивного типа;

В твердотельных реле для коммутации трехфазной сети все три коммутационных элемента являются управляемыми. Эти реле позволяют:

• осуществлять коммутацию нагрузки с любой схемой включения («Звезда», «Звезда с нейтралью» и «Треугольник») либо управлять тремя группами однофазных нагрузок;
• коммутировать нагрузку только резистивного типа

Токи утечки в цепи применительно к твердотельным реле

В общем случае ток утечки – это ток, который протекает в землю или на сторонние проводящие части в неповрежденной электрической цепи.

Применительно к твердотельным реле ток утечки - это ток, присутствующий в цепи нагрузки, даже при отсутствии на твердотельном реле управляющего напряжения. Ток утечки в твердотельном реле обусловлен наличием встроенной параллельно цепи нагрузки RC-цепочки, через которую при подведенном к ТТР напряжении всегда протекает ток, даже когда коммутационный элемент твердотельного реле находится в «выключенном состоянии». Наличие постоянного, хоть и малого, тока утечки накладывает некоторые ограничения на эксплуатацию твердотельных реле, в частности, необходимо соблюдать меры безопасности на время проведения наладочных работ и отключать питание цепи нагрузки.

RC-цепочка (снабберная RC цепь)

RC-цепочка (снабберная RC цепь) – электрическая цепь из последовательно включенных емкости (конденсатора) и сопротивления (применительно к твердотельным реле). Номиналы элементов цепи обычно составляют C=0.1мкФ, R=50 Ом. RC- цепочка повышает надежность работы ТТР в условиях действия импульсных помех (перенапряжений) и ограничивает скорость нарастания напряжения на коммутационном элементе, что особенно важно при коммутации индуктивной нагрузки. Довольно часто RC-цепочку называют сглаживающим фильтром или снабберной цепью.

Как уже упоминалось выше, встроенная в реле RC-цепочка приводит к появлению тока утечки в цепи нагрузки. Величина этого тока очень мала и не оказывает на мощную нагрузку никакого влияния, однако этого тока вполне достаточно для того, чтобы мультиметр показал наличие напряжения на нагрузке, подключенной к реле.

Типы нагрузок твердотельных реле. Общая классификация

Твердотельные реле различных производителей ориентированы преимущественно для управления нагрузкой резистивного либо слабоиндуктивного типа, коэффициент мощности которой (cos φ) не ниже 0.7. Обычно это нагревательные элементы различной конструкции и лампы накаливания. В линейке твердотельных реле KipPribor к таковым относятся серии MD, HD, HT. В целях снижения уровня создаваемых помех при коммутации нагрузки, эти типы реле обычно имеют схему контроля перехода через ноль, т. е. осуществляют переключение (включение и выключение) в нуле синусоиды напряжения, когда коммутируемые токи малы.

Наряду со стандартными сериями в линейке KipPribor имеются специальные серии твердотельных реле HDH, BDH, SBDH, GaDH, GwDH выполненные с SCR-типом выхода. ТТР этих серий можно использовать для управления нагрузкой индуктивного типа, коэффициент мощности которой (cos φ) более 0,5, например маломощными электродвигателями под нагрузкой, соленоидами, катушками клапанов и т. п. Эти серии реле подходят и для управления резистивной нагрузкой. Реле этого типа также имеют схему контроля переключения в нуле синусоиды напряжения и создают минимальный уровень помех. Для нагрузки высокоиндуктивного типа, коэффициент мощности которой (cos φ) менее 0.5 (например, трансформаторы на холостом ходу и некоторые типы электродвигателей), применение твердотельных реле сопряжено со многими нюансами. В частности, необходимо применять реле со схемой случайного (мгновенного) переключения. В линейке KipPribor таких реле на данный момент не предусмотрено, и коммутация высокоиндуктивной нагрузки с использованием существующих ТТР не рекомендуется.

Резистивная нагрузка – электрическая нагрузка в виде сопротивления (резистора), на котором происходит преобразование электрической энергии в тепловую. Для такой нагрузки характерно практически полное отсутствие реактивной мощности, а коэффициент мощности (cos φ) обычно близок к 1.0.

К резистивной нагрузке относится большинство нагревателей (ТЭНов). Нагрузка резистивного типа характеризуется относительно низкими пусковыми токами, что позволяет использовать для коммутации резистивной нагрузки твердотельные реле с минимальным запасом по току (как правило с запасом в 30…40%) который покрывает погрешности номинальной мощности самого нагревателя (±10 %), увеличение мощности в холодном состоянии (±10 %) и возможные колебания сетевого напряжения питания (±15 %).

Но есть исключения, яркий пример - лампы накаливания. Они имеют нить накала, которая представляет собой сопротивление и в процессе работы разогревается до высокой температуры, вызывая свечение. Однако алгоритм выбора реле для ламп накаливания отличается от такового для нагревателей. Дело в том, что хотя нить лампы накаливания является по сути резистивной нагрузкой, она имеет достаточно высокие стартовые токи – до 12-кратных от номинального значения. Это обусловлено очень большим разбросом сопротивлений нихромовой спирали лампы в холодном и раскаленном состоянии. Поэтому, выбирая твердотельное реле для лампы накаливания, необходимо производить выбор из расчета: ток реле = ток лампы × 12.

ТЭН – нагреватель в виде металлической трубки, заполненный теплопроводящим электрическим изолятором, в центре которого установлен нагревательный элемент определенного сопротивления. В качестве нагревательного элемента обычно используется нихромовая нить. ТЭН относится к нагрузке резистивного типа с малыми пусковыми токами.

Индуктивная нагрузка – электрическая нагрузка с большой индуктивной составляющей.

К индуктивной нагрузке относятся все потребители, где есть активная и реактивная мощность, а коэффициент мощности (cos φ) менее 1.0, или, простыми словами, любая нагрузка, в составе которой имеются электрические катушки либо обмотки: соленоиды клапанов, трансформаторы, электродвигатели, дроссели и т. п. Характерной особенностью индуктивной нагрузки являются высокие потребляемые токи при еe включении (пусковые токи), вызванные переходными электрическими процессами в катушках и обмотках. Значения пусковых токов индуктивной нагрузки могут превышать номинальный ток в несколько десятков раз и быть достаточно длительными по времени, поэтому при применении твердотельного реле для коммутации индуктивной нагрузки необходимо выбирать номинал ТТР с учетом пусковых токов нагрузки. Узнать точное значение пускового тока применяемой нагрузки можно у производителя оборудования или оценить из открытых источников для аналогичного оборудования.

Классификация твердотельных реле (ТТР) KIPPRIBOR по диапазону и типу коммутируемого напряжения

В линейке твердотельных реле KipPribor представлены модификации для применения в цепях постоянного и переменного тока.

Стандартный диапазон коммутации для ТТР KIPPRIBOR с дискретным управлением

Стандартный диапазон коммутации напряжения специализированных модификаций реле:

Стоит отметить, что реле, предназначенное для работы в цепях переменного тока (все модификации ТТР KIPPRIBOR, кроме модификации HD-xx25.DD3), не сможет управлять нагрузкой в цепи постоянного тока. Реле в данном случае включит нагрузку первоначально, но отключить уже не сможет, поскольку для закрытия полупроводникового ключа необходимо снижение напряжения / тока до нулевой отметки, а в цепи постоянного тока этого не произойдет.

Равно как и наоборот: Твердотельные реле KIPPRIBOR для управления нагрузкой в цепи постоянного тока (модификация HD-xx25.DD3) недопустимо применять для управления цепями переменного тока, поскольку в качестве коммутирующего элемента в них используются транзисторы, и подключение их к цепи переменного тока приведет к выходу реле из строя.

Класс по напряжению – применительно к полупроводниковым приборам (тиристорам) означает: максимально допустимое значение повторяющегося импульсного напряжения в закрытом состоянии и максимально допустимое значение обратного напряжения, приложенного к полупроводниковому элементу. Класс по напряжению обычно маркируется цифрами в виде количества сотен вольт, например, 9-й класс по напряжению будет означать, что данный полупроводниковый элемент выдерживает максимальное пиковое напряжение 900 Вольт, однако номинальное рабочее напряжение при этом не должно превышать 440В (сеть питания 380В).

Для сети питания с номинальным напряжением 220В рекомендуется использовать полупроводниковые элементы не ниже 9-го класса по напряжения, т.е. они должны обладать способностью выдерживать максимальное пиковое напряжение в 900В.

Большая часть модификаций твердотельных реле KIPPRIBOR (серии HD, HDH) имеет диапазон допустимого напряжения коммутации до 440В, что достигается применением полупроводниковых коммутационных элементов с классом по напряжению не ниже 9-го (900В). Для сети питания с номинальным напряжением 380В, при условии применения варисторов для защиты от перенапряжений, допускается использовать полупроводниковые элементы не ниже 9-го класса по напряжению.

Для коммутации больших мощностей нагрузки существуют серии реле BDH, SBDH, GaDH и GwDH, которые имеют коммутационные ключи еще большего класса по напряжению – 11 и 12 и 16 класса, что позволяет применять их в сложных промышленных условиях с напряжением питания до 1000В.

Специализированные модификации ТТР (с индексами в обозначении…10U, …LA), рассчитанные на максимально допустимое рабочее напряжение 220 - 250В, имеют в своем составе полупроводниковые ключи 6 - 9 класса по напряжению и не предназначены для использования в цепях нагрузки с питанием 380В. Общепромышленные серии твердотельных реле KIPPRIBOR имеют 9 класс напряжения.

Классификация твердотельных реле KipPribor по типу управляющего сигнала

В зависимости от модификации твердотельные реле KIPPRIBOR могут иметь следующие типы управляющих сигналов:

• управляющее напряжение постоянного тока 3- 32В – модификации с индексом …ZD3;
• управляющее напряжение переменного тока 90 - 250В – модификации с индексом …ZA2;
• управляющее напряжение постоянного тока тока 5 - 32В – модификации с индексом …DD3;
• ручное управление выходным напряжением с помощью переменного резистора (470-560 кОм, 0,25-0,5 Вт) – модификации с индексом …VA;
• аналоговое управление выходным напряжением с помощью унифицированного сигнала напряжения 0…10 В – модификации с индексом …10U;
• аналоговое управление выходным напряжением с помощью унифицированного сигнала тока 4 - 20 мА – модификации с индексом …LA.

Различные варианты управляющих сигналов позволяют применять твердотельные реле KipPribor в качестве коммутационных элементов в разнотипных системах автоматического управления.

Подробнее о применениях твердотельных реле см. раздел Применение твердотельных реле.

Классификация твердотельных реле KIPPRIBOR по способу коммутации

Твердотельные реле с контролем перехода через ноль

Данный тип реле, как правило, имеет в своем обозначении букву Z, это сокращение от английского слова Zero (в переводе «нулевой»). Все серии твердотельных реле KIPPRIBOR (MD, HD, HDH, HT, BDH,SBDH, GaDH, GwDH), за исключением специализированных модификаций, относятся к данному типу ТТР.

При подаче управляющего сигнала на реле такого типа напряжение в цепи нагрузки появляется только в момент первого пересечения синусоидой напряжения «нулевого» уровня. Наглядно это представлено на рисунке.

Преимуществами реле данного типа являются меньший начальный бросок тока в цепи нагрузки при включении, низкий уровень создаваемых электромагнитных помех и, как следствие, увеличенный срок службы коммутируемых нагрузок.

Недостатком реле данного типа является ограниченность их применения для коммутации индуктивной нагрузки, в случае когда cosφ<0.5 (например, трансформаторы на холостом ходу), однако необходимость управления с помощью ТТР нагрузкой данного типа встречается редко.

Твердотельные реле с контролем перехода через ноль применяются для коммутации:

• резистивных нагрузок: электрических нагревательных элементов (ТЭНов), ламп накаливания и т.п.
• емкостных нагрузок: например, помехоподавляющих сглаживающих фильтров, имеющих в своем составе конденсаторы;
• слабоиндуктивных нагрузок: катушек соленоидов, клапанов и т.п.

Твердотельные реле мгновенного (случайного) включения

Данный тип реле, как правило, имеет в своем обозначении букву R, это сокращение от английского слова Random (в переводе «случайный»). В линейке продукции KIPPRIBOR реле данного типа на сегодняшний день не предусмотрено.

Напряжение в цепи нагрузки реле данного типа появляется одновременно с подачей управляющего сигнала (время задержки включения не более 1 мс), и включение реле возможно на любом участке синусоидального напряжения. Наглядно это представлено на рисунке.

Твердотельные реле мгновенного (случайного) включения применяются для коммутации:

• резистивных (электрические нагревательные элементы, лампы накаливания);
• индуктивных (маломощные двигатели, трансформаторы) нагрузок при необходимости мгновенного срабатывания.

Твердотельные реле с фазовым управлением

Твердотельные реле с фазовым управлением позволяют изменять величину выходного напряжения на нагрузке и применяются для следующих задач:

• регулирование мощности нагревательных элементов,
• регулировать уровень освещенности у лампы накаливания и т.д.

К данному типу относятся реле KIPPRIBOR, управляемые с помощью переменного резистора (модификация HD-xx44.VA), унифицированного сигнала тока 4…20 мА (модификация HD-xx25.LA) и унифицированного сигнала напряжения 0...10 В (модификация HD-xx22.10U).

Величина напряжения в цепи нагрузки реле данного типа зависит от значения сигнала в управляющей цепи и пропорциональна его величине. Наглядно это представлено на рисунке.

Типы выходных силовых элементов твердотельных реле KIPPRIBOR

Твердотельные реле KIPPRIBOR, в зависимости от модификации, могут иметь в качестве выходного ключа один из четырех силовых элементов:

• симисторный выход (TRIAC) – применяется в реле серий MD, HD, HT всех модификаций с током до 40А (кроме модификаций с индексом DD3);
• транзисторный выход (Transistor) – применяется в реле серии HD модификации DD3;
• SCR-выход (SCR) – применяется в реле серий HDH, BDH, SBDH, GaDH, GwDH всех модификаций и реле серии HT-xx44.ZD3 с током 100А и более;
• тиристорный выход (Thyristor) – применяется в реле серий HD и HT всех модификаций c током свыше 40А.

Симисторные выходы используются в твердотельных реле на номинальные токи до 40А включительно. Разумный предел тока в 40А обусловлен тем, что при двустороннем протекании большего значения тока эффективного отвода тепла от кристалла симистора добиться невозможно. Симисторный выход имеют реле серий MD, HD и HT с номинальными токами до 40А.

Тиристорные выходные элементы применяются в твердотельных реле на токи от 60А. Раздельно установленные на охлаждающей подложке, они значительно понижают коэффициент теплового сопротивления реле в целом, что дает возможность обеспечить необходимый отвод тепла.

SCR-тип выхода применяется в однофазных сериях реле KIPPRIBOR c токами нагрузки свыше 60–80А. Условное обозначение SCR – это общепринятое международное наименование полупроводникового ключа на базе триодного тиристора (или просто тиристора). SCR-выход применительно к твердотельным реле KipPribor обозначает тип исполнения полупроводникового ключа, когда на металлическом основании реле размещается изолирующая керамическая подложка с непосредственно нанесенными на неё монокристаллами полупроводниковой структуры.

SCR - выход позволяет в значительной мере понизить тепловое сопротивление подложки реле и повысить характеристики теплоотвода. Поэтому реле данного типа имеют повышенные эксплуатационные характеристики по сравнению с твердотельными реле, выполненными с использованием обычных корпусных элементов (тиристоров и симисторов).

Реле данного типа ориентированы на работу в более сложных эксплуатационных условиях при наличии быстрых переходных процессов в сети питания: работа в сети с большим уровнем помех, работа на индуктивную нагрузку, работа в условиях высоких скачков тока нагрузки.

Однако это не исключает требование применения радиаторов и вентиляторов охлаждения для работы с большими токами коммутации.

В модификациях твердотельные реле KIPPRIBOR, рассчитанных на длительную коммутацию больших токов или работу с индуктивной нагрузкой, применяются тиристорные SCR-выходы.

Защита цепей ТТР.

Варистор. Правило подбора варистора для твердотельного реле

Варистор – полупроводниковый элемент, сопротивление которого зависит от приложенного к нему напряжения. Благодаря резкому снижению своего сопротивления при превышении определенного уровня напряжения, такой элемент может использоваться в качестве ограничителя напряжения в электрических цепях. Применительно к твердотельному реле, варистор используется для защиты самого твердотельного реле от превышения допустимого для него уровня перенапряжений. Высокие уровни перенапряжений свойственны сетям питания с нагрузками индуктивного и емкостного типа, которые генерируют в сеть помехи от происходящих в них электрических переходных процессов. Наиболее распространены металло-оксидные варисторы (MOV).

Один из основных параметров, по которому производится выбор варистора, – классификационное напряжение варистора, это условная величина напряжения, после которого происходит резкое изменение сопротивления варистора. Следовательно, для выбора варистора необходимо определиться с номинальным напряжением питания нагрузки (допустимым напряжением реле) и рассчитать классификационное напряжение варистора по упрощенной формуле:

Uваристора = Uрабочее × (1.6...1.9).

Например, если рабочее напряжение питания нагрузки 230 В, а допустимое рабочее напряжение реле 440 В, тогда рекомендуется варистор на напряжение:

Uваристора = 230 × (1.6…1.9) = 368…437В.

Поскольку варисторы изготавливаются со строго определенным рядом классификационных напряжений, то следует выбирать ближайшее подходящее напряжение из ряда, в данном случае 390 В.

В особо сложных промышленных условиях эксплуатации, с большим количеством переходных процессов в сети и высоким уровнем перенапряжений при выборе варистора нужно исходить из правила:

Uваристора < (Uпиковое ТТР – 150В).

Поскольку энергия, выделяемая на варисторе при коротких пиковых перегрузках, обычно мала, то в большинстве случаев можно использовать любой тип варистора для промышленного назначения. Наиболее распространенными сериями отечественных варисторов являются: СН2-1, СН2-2, ВР-1, ВР-2.

Однако, всегда рекомендуется выбирать варистор с возможно большим значением допустимой рассеиваемой энергии. Обычно чем больше диаметр корпуса варистора, тем большую величину рассеиваемой энергии он обеспечивает. Большинство варисторов изготавливается в небольшом круглом корпусе с проволочными выводами, что позволяет успешно его монтировать непосредственно на клеммы ТТР.

Для твердотельных реле KIPPRIBOR рекомендуем использовать варистор KIPPRIBOR GVR-20D681K. 680 VAC. Ø 19 мм.

Правило подбора защитного диода для ТТР HD-xx25.DD3

При использовании ТТР HD-xx25.DD3 для коммутации индуктивной нагрузки, выход ТТР необходимо защищать от напряжения самоиндукции. Самым недорогим и распространенным способом такой защиты является установка шунтирующего диода параллельно индуктивной нагрузке. В установившемся режиме диод не оказывает никакого влияния на работу схемы. При отключении нагрузки, когда возникает напряжение самоиндукции, обратное по полярности рабочему напряжению, диод открывается и шунтирует индуктивную нагрузку.

Правило выбора диода:

• Рабочий ток и обратное напряжение диода должны быть сравнимы с номинальным напряжением и током нагрузки. Для ТТР HD-xx25.DD3 вполне подойдет кремниевый диод 1N5399 с максимальным обратным напряжением 1000 VDC и максимальным импульсным током до 50 А;
• Выводы диода должны быть как можно короче;
• Выводы диода следует подключать непосредственно к нагрузке;
• При подключении диода к нагрузке не используйте длинные соединительные провода.

Конструктивные особенности твердотельных реле (ТТР) KIPPRIBOR

Основание твердотельного реле - это теплопроводящая металлическая основа твердотельного реле, необходимая для отвода тепла от коммутационного элемента ТТР к радиатору охлаждения. Может быть изготовлено из алюминиевого или из медного сплава.

Материал основания твердотельного реле можно отличить визуально: основание изготовленное из алюминиевого сплава, имеет матовый бледно-серый цвет, а основание из медного сплава напоминает вид матовой стали, а иногда может иметь практически зеркальную шлифованную поверхность. Медное основание имеет несвойственный ему зеркально-стальной вид вследствие покрытия его дополнительным слоем никеля, что исключает окисление меди при длительном либо неверном хранении.

Основание ТТР из медного сплава - наиболее эффективное для твердотельного реле с точки зрения теплоотдачи. Поскольку теплопроводность меди значительно выше чем у алюминия, процесс отвода тепла от коммутационного элемента ТТР происходит значительно быстрее и эффективнее. Следовательно ТТР с медным основанием (в отличии от реле с алюминиевым основанием), более эффективно выдерживает пиковые нагрузки и эффективнее работает в сложных условиях эксплуатации, однако медь имеет чуть более высокую стоимость, относительно алюминия.

Основание из алюминиевого сплава - более дешевое. Поскольку алюминиевое основание твердотельного реле менее эффективно по сравнению с медным, его применяют в бюджетных сериях продукции и исключительно для коммутации малых нагрузок.

Методы диагностики и характерные нюансы работы ТТР

Возможность проверки силовых цепей ТТР мультиметром

Коммутационный полупроводниковый ключ в ТТР снабжен дополнительными шунтирующими цепочками, в том числе и RC-цепью, поэтому проверить его исправность с помощью измерений мультиметром не получится. Ни в коем случае не пытайтесь проверять исправность реле мегаомметром или прибором контроля изоляции, поскольку такие приборы генерируют измерительное напряжение высокого уровня и приведут к пробою полупроводникового ключа ТТР. Проверять исправность твердотельного реле лучше всего непосредственным подключением к нему нагрузки, например, маломощной лампы накаливания. Если ТТР исправно, то после подачи сигнала управления лампа будет гореть в полный накал, а при снятии управляющего сигнала полностью гаснуть.

Возможность проверки цепей управления ТТР

Все твердотельные реле марки KipPribor имеют встроенную светодиодную индикацию наличия управляющего сигнала, с помощью которой можно быстро оценить исправность работы цепи управления. Прибегать к дополнительным мерам диагностики цепи управления ТТР не требуется.

Тепловой перегрев и тепловой пробой ТТР

Проверить, имеет место перегрев реле или тепловой пробой, можно следующим образом: отключить реле от нагрузки, подождать полного остывания реле, затем, не подавая сигнала управления на реле, подключить к нему лампу накаливания и подать питание в цепь нагрузки. Если лампа будет гореть вполнакала либо в полную мощность, то это будет свидетельствовать о наличии пробоя по одному либо двум коммутационным элементам реле.

Как проверить достаточность принятых мер по охлаждению ТТР?

Проверить правильность режима охлаждения ТТР можно измерив температуру основания реле (металлической пластины корпуса) в местах крепления к радиатору. Если температура близка к 60 °С либо превышает это значение, то охлаждение для реле недостаточно и нужно предпринять дополнительные меры по улучшению теплоотвода. Проводить диагностику реле лучше всего используя бесконтактный термометр (пирометр).

Твердотельное реле включает, но не выключает нагрузку, в чем причина?

В большинстве случаев причиной является попытка использования ТТР предназначенного для напряжения переменного тока с источником питания постоянного тока (смотрите раздел Классификация твердотельных реле (ТТР) KIPPRIBOR по диапазону и типу коммутируемого напряжения). В ином случае имеет место пробой коммутационного ключа ТТР, при этом на нагрузке обычно наблюдается наличие одной полуволны сетевого напряжения, т. е. напряжение на нагрузке присутствует, но оно вполовину меньше номинального значения. Такая ситуация является следствием пробоя одного из коммутационных элементов ТТР. Ситуация, когда пробиты сразу оба коммутационных ключа, встречается реже. Наиболее вероятными причинами пробоя реле являются:

• большие броски тока в цепи нагрузки, превышающие допустимые пределы нагрузочной способности ТТР, например, когда при выборе реле не были учтены стартовые токи и реле было выбрано, только исходя из номинального тока нагрузки;
• наличие большого уровня помех (перенапряжений) сети питания в результате происходящих переходных процессов, например, при коммутации других мощных нагрузок индуктивного типа на этой же линии сетевого питания;
• тепловой пробой возникает в случае, когда перегрев реле приводит к снижению допустимого тока коммутации и последующему пробою коммутационного элемента по причине перегрузки; либо при превышении критической для ТТР температуры ~80°С. Реже бывает ситуация, когда реле еще не повреждено и имеет место тепловой перегрев ТТР. В этом случае работоспособность реле может восстановиться после остывания реле до приемлемых значений температуры. Такая ситуация имеет место при недостаточности принятых мер по охлаждению реле в процессе работы;
• недостаточная вентиляция воздуха в месте установки ТТР вследствие наличия препятствий свободному движению воздуха (слишком маленький шкаф, перекрыты вентиляционные отверстия и т. п.);
• неверно подобран радиатор охлаждения для твердотельного реле либо не учтены факторы, понижающие его эффективность, например, повышенная температура окружающей среды.

При возникновении теплового перегрева реле может перейти в неуправляемый режим коммутации, когда даже после снятия сигнала управления с ТТР нагрузка остается включенной, пока не будет отключена цепь питания.