Как работает твердотельное реле

Твердотельные реле — полупроводниковые устройства, предлагающие новый подход к коммутации электрических цепей. В этой статье мы подробно рассмотрим устройство и принцип работы твердотельного реле, чтобы вы могли понять его преимущества и возможности.

Что такое твердотельное реле?

Твердотельное реле (англ. Solid State Relay — SSR) — это электронное устройство, выполняющее коммутацию (включение и выключение) электрической цепи. Этот тип реле не имеет движущихся механических частей. Управление током происходит с помощью полупроводниковых компонентов: транзисторов, тиристоров и симисторов.

Основное отличие твердотельных реле от электромеханических заключается в способе коммутации. В электромагнитных реле для замыкания и размыкания цепи используются механические контакты, приводимые в движение электромагнитом. Твердотельные реле используют полупроводниковые элементы, которые изменяют свою проводимость под воздействием управляющего сигнала. Это позволяет им работать практически бесшумно и с гораздо большей скоростью. Более подробно различия твердотельных и электромагнитных реле мы рассматриваем в этой статье.

Устройство твердотельного реле

Твердотельное реле состоит из следующих компонентов:

1. Входная цепь — часть реле, которая принимает управляющий сигнал. Она состоит из:

     а) входные терминалы — клеммы, которые предназначены для подключения входного управляющего напряжения; 

     б) светодиода, который излучает свет при подаче на него напряжения;

     в) резистора. Ограничивает ток через светодиод, чтобы предотвратить его повреждение;

     г) диода защиты от обратного напряжения (обратный диод). Может присутствовать для защиты светодиода от повреждения при неправильной полярности входного напряжения.

     д) опционально: Блок контроля перехода через ноль (zero-crossing). Этот блок, или схема, выполняет важную функцию для снижения помех и повышения надежности работы.

2. Оптопара. Это устройство, состоящее из светодиода и фоточувствительного элемента. Она создает гальваническую развязку между управляющей и силовой цепями. Это означает, что электрический сигнал не передается напрямую, а преобразуется в свет и обратно в электрический сигнал, обеспечивая электрическую изоляцию и защиту.
3. Цепь управления (драйвер) — управляет силовым ключом на основе сигнала от оптопары. Может включать в себя усилители, фильтры и схемы защиты.
4. Силовой ключ — это ключевой элемент реле, который непосредственно коммутирует нагрузку. В качестве силового ключа используются транзисторы (MOSFET, биполярные транзисторы), тиристоры или симисторы. Выбор силового ключа зависит от типа нагрузки (постоянный или переменный ток) и требуемой мощности.
5. Выходная цепь — часть реле, к которой подключается нагрузка.

Схема устройства твердотельного реле

Принцип работы твердотельного реле

Теперь давайте подробно рассмотрим, как же работает твердотельное реле:

1. Подача управляющего сигнала. Когда на входную цепь подается управляющее напряжение, светодиод в оптопаре начинает излучать свет.
2. Гальваническая развязка. Свет от светодиода попадает на фоточувствительный элемент  в оптопаре. Под воздействием света фотоэлемент начинает проводить ток, активируя схему управления.
3. Управление силовым ключом. Схема управления получает сигнал от оптопары и подает управляющий сигнал на силовой ключ. В зависимости от типа ключа он либо открывается (включается), либо закрывается (выключается).
4. Коммутация нагрузки. Когда силовой ключ открыт, электрическая цепь замыкается, и ток начинает течь через нагрузку. Когда ключ закрыт, цепь размыкается, и ток перестает течь.

Подключение и работа твердотельного реле

Твердотельные реле бывают постоянного (DC) и переменного тока (AC).

• В твердотельных реле для постоянного тока в качестве силового ключа обычно используются транзисторы. Транзистор — это полупроводниковый элемент, который работает как электронный выключатель и управляется небольшим электрическим сигналом. Он может быстро открывать (пропускать ток) или закрывать (не пропускать ток) цепь постоянного тока (DC). Представьте себе кран, который открывается и закрывается небольшим поворотом ручки. Транзистор делает то же, но с электричеством.

• В твердотельных реле для переменного тока в качестве силового ключа чаще применяются тиристоры или симисторы.

         Тиристор — это полупроводниковый элемент. Он открывается под действием импульса и начинает проводить ток. Но в отличие от транзистора, тиристор сам не закрывается. Он продолжает пропускать ток до тех пор, пока ток в цепи не упадет до нуля. Это похоже на защелку, которая открывается один раз и остается открытой, пока не сработает другой механизм. Так как тиристоры используются в цепях переменного тока, где ток периодически меняет направление, «выключение» тиристора происходит естественным образом.

          Симистор похож на тиристор. Он тоже открывается электрическим импульсом и проводит переменный ток, но может открывать и пропускать его в обоих направлениях.  Симистор остается в «открытом» состоянии, пока ток в цепи не упадет до нуля.

          В твердотельном реле переменного тока тиристоры и симисторы работают в режиме фазового управления. Включаются и начинают проводить ток в определенный момент (фазу) цикла переменного тока, а не в его начале. Это позволяет регулировать среднюю мощность и подаваемую в нагрузку.

Схемы работы однофазных твердотельных реле NNC

Схемы работы трехфазных твердотельных реле NNC

В зависимости от типа электрической цепи, с которой они работают, твердотельные реле подразделяются на однофазные и трехфазные. Основное различие между ними – это их назначение и конструкция:

• Однофазные твердотельные реле предназначены для коммутации однофазных цепей переменного или постоянного тока. Их используют для управления различными однофазными нагрузками, такими как нагреватели, освещение и двигатели малой мощности. Конструктивно, однофазное SSR обычно имеет один коммутирующий элемент, например, симистор или тиристор с диодом.
• Трехфазные твердотельные реле используются для коммутации трехфазных цепей переменного тока. Они применяются для управления трехфазными электродвигателями, мощными нагревательными элементами, трансформаторами и другим трехфазным оборудованием. Они могут быть с тремя или шестью коммутирующими элементами.

Однофазное и трехфазное реле NNC

Твердотельные реле — это современное и надежное решение для коммутации электрических цепей, которое находит применение в самых разных областях. Их принцип работы, основанный на полупроводниковых технологиях, обеспечивает высокую скорость переключения, бесшумность и долговечность.