Защита контактов реле при коммутации индуктивной нагрузки. Схемы коммутации индуктивных нагрузок. Радиаторы серии РТР для твердотельных реле KIPPRIBOR

Появление полупроводников оказало огромное влияние на развитие электроники: габаритные размеры, как и цена компонентов, уменьшились в разы. Диоды и транзисторы стали внедряться повсеместно. Одной из таких отраслей стала релейная техника, которая благодаря полупроводникам значительно расширила диапазон применения.

Использование полупроводников привело к появлению нового класса релейной техники — твёрдотельным реле (ТТР). Так, если в электромеханических реле для размыкания (замыкания) цепи использовался механический контакт, то в новом классе устройств эту функцию взяли на себя транзисторы и тиристоры (симисторы). Данная замена позволила уйти от ряда существенных недостатков электромеханических реле, таких как: дребезг контактов, возникновение дугового разряда при переключении, высокое время переключения и низкая надёжность. Помимо этого применение цепи обвязки позволило добавить «интеллект» реле, т.е. реализовать ряд сервисных функций: контроль перехода через ноль, наличие статусного сигнала и т.д. Причём всё это имеет достаточно компактный размер. Применение полупроводников также позволило уйти от электромагнитной развязки, заменив её оптоэлектронной, что позволило увеличить помехозащищённость.

Наличие всех этих преимуществ позволило применить ТТР в различных отраслях производства. Так возможность организации срабатывания реле не при переходе управляющего сигнала через ноль, а при его максимальном (амплитудном) значении укрепило роль ТТР для коммутации индуктивной нагрузки. Этот процесс отличается от коммутации активной нагрузки тем, что в момент подачи сигнала начинается переходный процесс установления стационарного режима электрической цепи, при котором среднее значение тока за период равно нулю. В этом случае в цепи на время переходного процесса, которое зависит от индуктивности и сопротивления цепи (постоянной времени цепи τ=L/R), появляется постоянная составляющая электрического тока (цепь на время переходного процесса работает с подмагничиванием). Самый не желательный момент включения это момент перехода напряжения фазы через ноль. В этом случае ток подмагничивания и, соответственно, амплитуда тока в цепи имеет максимальное значение. Такой режим может привести к насыщению сердечника (трансформатор, автотрансформатор, обмотка контактора и т. д.). И как результат, резкому уменьшению индуктивности и, соответственно, резкому увеличению тока (рис.1).

Рисунок 1 - переходной процесс при включении реле при переходе напряжения фазы через нуль. τ - постоянная времени электрической цепи.

Этого можно избежать, если включить реле при максимальном амплитудном Um) значении переменного напряжения (рис. 2). Как видно из графика, это достигается по средствам сдвига фаз тока относительно напряжения на 90˚.


Рисунок 2 – переходной процесс при включении реле при переходе напряжения фазы через максимальное значение Um.

Одним из вариантов решения данной задачи является использование полупроводникового оптоэлектронного однофазного реле переменного тока РПТ-90, с включением при максимальном (амплитудном Um) значении переменного напряжения, выпускаемое отечественной фирмой ЗАО «Протон-Импульс» (рис. 3). Реле выполнено в монолитном корпусе с габаритами 58,4х45,7х23.


Рисунок 3 – Габаритные и присоединительные размеры модуля

Реле предназначено для подключения активной и активно-индуктивной нагрузки (трансформатор. автотрансформатор, электромагнитный контактор и т.д.) к сети переменного тока частотой f=50-60Гц, напряжением Uд=100-400В. В качестве управляющего может служить переменное напряжение от 7 до 278 В. Схема включения изображена на рисунке 4.


Рисунок 4 – Схема включения реле РПТ-90

Данное реле является универсальным, имеет защиту IP 54 и позволяет коммутировать как активную, так и индуктивную нагрузку на ток до 63 А. Технические характеристики реле представлены в таблице 1.

Таблица 1. Основные параметры РПТ-90

Выводы:

Помимо перечисленных достоинств ТТР обладают повышенной надёжностью и временем работы, что делает представленное реле универсальным решением для задачи коммутации цепи на активную и индуктивную нагрузку.



Что произойдет, если разомкнуть переключатель, управляющий током через индуктивность? Индуктивность, как известно, характеризуется следующим свойством: U = L(dI/dt), а из этого следует, что ток нельзя выключить моментально, так как при этом на индуктивности появилось бы бесконечное напряжение. На самом деле напряжение на индуктивности резко возрастает и продолжает увеличиваться до тех пор, пока не появится ток. Электронные устройства, которые управляют индуктивными нагрузками, могут не выдержать такого роста напряжения, особенно это относится к компонентам, в которых при некоторых значениях напряжения наступает «пробой». Рассмотрим схему, представленную


Рис. 1.94. Индуктивный «бросок».


на рис. 1.94. В исходном состоянии переключатель замкнут и через индуктивность (в качестве которой может выступать, например, обмотка реле) протекает ток. Когда переключатель разомкнут, индуктивность «стремится» обеспечить ток между точками А и В, протекающий в том же направлении, что и при замкнутом переключателе. Это значит, что потенциал точки В становится более положительным, чем потенциал точки А. В нашем случае разница потенциалов может достичь 1000 В, прежде чем в переключателе возникнет электрическая дуга, которая и замкнет цепь. При этом укорачивается срок службы переключателя и возникают импульсные наводки, которые могут оказывать влияние на работу близлежащих схем. Если представить себе, что в качестве переключателя используется транзистор, то срок службы такого переключателя не укорачивается, а просто становится равным нулю!


Чтобы избежать подобных неприятностей лучше всего подключить к индуктивности диод, как показано на рис. 1.95. Когда переключатель замкнут, диод смещен в обратном направлении (за счет падения напряжения постоянного тока на обмотке катушки индуктивности). При размыкании переключателя диод открывается и потенциал контакта переключателя становится выше потенциала положительного питающего напряжения на величину падения напряжения на диоде. Диод нужно подобрать так, чтобы он выдерживал начальный ток, равный току, протекающему в установившемся режиме через индуктивность; подойдет, например диод типа 1N4004.


Рис. 1.95. Блокирование индуктивного броска.


Единственным недостатком описанной схемы является то, что она затягивает затухание тока, протекающего через катушку, так как скорость изменения этого тока пропорциональна напряжению на индуктивности. В тех случаях, когда ток должен затухать быстро (например, быстродействующие контактные печатающие устройства, быстродействующие реле и т.д.), лучший результат можно получить, если к катушке индуктивности подключить резистор, подобрав его так, чтобы величина U и + IR не превышала максимального допустимого напряжения на переключателе. (Самое быстрое затухание для данного максимального напряжения можно получить, если подключить к индуктивности зенеровский диод, который обеспечивает затухание по линейному, а не по экспоненциальному закону.)


Рис 1.96. RС-«демпфер» для подавления индуктивного броска.


Диодную защиту нельзя использовать для схем переменного тока, содержащих индуктивности (трансформаторы, реле переменного тока), так как диод будет открыт на тех полупериодах сигнала, когда переключатель замкнут. В подобных случаях рекомендуется использовать так называемую RC-демпфирующую цепочку (рис. 1.96). Приведенные на схеме значения R и С являются типовыми для небольших индуктивных нагрузок, подключаемых к силовым линиям переменного тока. Демпфер такого типа следует предусматривать во всех приборах, работающих от напряжений силовых линий переменного тока, так как трансформатор представляет собой индуктивную нагрузку. Для защиты можно также использовать такой элемент, как металлоксидный варистор. Он представляет собой недорогой элемент, похожий по внешнему виду на керамический конденсатор, а по электрическим характеристикам - на двунаправленный зенеровский диод. Его можно использовать в диапазоне напряжений от 10 до 1000 В для значений токов, достигающих тысяч ампер (см.

KIPPRIBOR - российский производитель твердотельных реле (ТТР). Твердотельные реле KIPPRIBOR обеспечивают надежную коммутацию в самом большом на сегодня в России диапазоне токов нагрузки (до 800 А), конструктивно высоконадежны (полная заливка элементов компаундом, медное основание для эффективного теплоотвода, автоматизированное производство, особая методика тестирования готовых изделий). Вы можете приобрести ТТР KIPPRIBOR у дилеров компании ОВЕН.

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 нашего портала.

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 элемент 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;
  • Высокая 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: выделениетепла 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 простоевоборудования, ТТР окупают себя за относительно короткий промежуток времени. А вопрос нагревареле 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 беспрецедентноеулучшение 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 подразумеваетполное 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 - одофазные 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.

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 токвыше 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 нашем 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.

Подробнее об RC-цепочке, правилах подбора варистора и диода см. ниже.

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 РТР 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 РТР 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 можетслужить теплопроводная пластина, применяемая некоторыми производителями ТТР. Однако не стоит забывать, что теплопроводная паста способствует улучшению показателей теплоотвода только при правильном её 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 крадиатору. 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 , котрую вы найдете на нашем 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 которое 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 KIPPRIBOR c 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

См. подробное описание твердотельных реле KIPPRIBOR серий:

спецсерии однофазных ТТР: HD-xx25.DD3 | HD-xx44.VA, HD-xx22.10U и HD-XX25.LA

ТТР с усиленным теплоотводом: GaDH-xxx120.ZD3 и GwDH-xxx120.ZD3

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;
Трехфазная нагрузка
«звезда» «звезда с нейтралью» «треугольник»

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
Трехфазная нагрузка
«звезда» «звезда с нейтралью» «треугольник»

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 цепиобычно 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 утечкив 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 напряженияна 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.

– 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.

– 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 её 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 упроизводителя 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 ипеременного тока.

Стандартный диапазон коммутации для ТТР KIPPRIBOR с дискретным управлением

Тип коммутируемой сети Модификации Диапазон коммутации
переменный ток MD-xx44.ZD3 24…440 VAC
HD-xx44.ZD3 / ZA2
HDH-44.ZD3
SBDH / BDH-xx44.ZD3
HT-xx44.ZD3 		40…440 VAC
GaDH / GwDH-xxx120.ZD3 60…1000 VAC
постоянный ток HD-xx25.DD3 12…250 VDC

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 220 Вольт рекомендуется использовать полупроводниковые элементы не ниже 9-го класса по напряжения, т.е. они должны обладать способностью выдерживать максимальное пиковое напряжение в 900 Вольт.

Большая часть модификаций твердотельных реле KIPPRIBOR (серии HD, HDH) имеет диапазон допустимого напряжения коммутации до 440 В, что достигается применением полупроводниковых коммутационных элементов с классом по напряжению не ниже 9-го (900 Вольт). Для сети питания с номинальным напряжением 380 В, 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 1000 Вольт.

Специализированные модификации ТТР (с индексами в обозначении…10U, …LA), рассчитанные на максимально допустимое рабочее напряжение 220…250 В, имеют в своем составе полупроводниковые ключи 6…9 класса по напряжению и не предназначены для использования в цепях нагрузки с питанием 380 В. 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…32 В – модификации с индексом …ZD3;
  • управляющее напряжение переменного тока 90…250 В – модификации с индексом …ZA2;
  • управляющее напряжение постоянного тока тока 5…32 В – 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 напряженим 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

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 английскогослова 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);
  • и 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 выходногоключа 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 40 А 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 ктвердотельным 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, работана 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:

U варистора = U рабочее × (1.6...1.9).

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

U варистора = 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:

U варистора

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.

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 изготавлено 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 ТТРисправно, 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 в пол-накала 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 элементовТТР. 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.);
    • HT-xx44.ZD3 и HT-xx44.ZA2

    Вы можете приобрести ТТР KIPPRIBOR у дилеров компании ОВЕН. Со списком дилеров ОВЕН вы можете ознакомиться

    Перейти к каталогу твердотельных реле KIPPRIBOR каталог ТТР...>>

    Задать интересующие вас вопросы по ТТР вы можете на форуме компании ОВЕН форум...>>

    Официальный партнер KIPPRIBOR в России -


Использование в переключающих схемах для создания и размыкания емкостной индуктивной и резистивной нагрузки. Сущность изобретения коммутационное устройство содержит электромагнитное реле, контактом и двунаправленно управляемый бесконтактный коммутатор, способный замыкать и размыкать емкостную, индуктивную или чисто резистивную нагрузки без образования дуги и без существенных тепловых потерь. Замыкание нагрузки осуществляется посредством напряжения, которое подается по фазодетектирующему оптическому элементу, на двунаправленно управляемый бесконтактный коммутатор. То же самое напряжение подают на RC-цепь задержки времени, например RC-цепочку, которая на определенный период времени запитывает электромагнитное реле. При размыкании эта последовательность является обратной. 4 з. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к переключающей схеме для создания и размыкания емкостной, индуктивной и резистивной нагрузки. Электрические переключающие устройства известны в различных примерах, известных под названием "релейных схем". Имеются известные электромагнитные реле, но для них требуется много пространства, энергии и, кроме того, они создают электрический шум при замыкании и размыкании. Для таких устройств также требуется относительно большая мощность управления, а поэтому они противопоказаны для ряда задач, например, когда управление осуществляется от компьютера. Другой тип электрических переключающих схем основан только на электронике, т. е. замыкание и размыкание осуществляется без механических контактов, а наоборот используется полупроводниковая технология. Эти так называемые "SSR-реле" (твердотельные реле) обладают большими тепловыми потерями при больших нагрузках, особенно при нагрузках индуктивных. Поэтому их необходимо охлаждать, для чего они исключаются из ряда задач, в частности для использования в течение длительного периода времени. Наиболее близким к заявленному является коммутационное устройство, содержащее входные выводы для подключения к источнику управляющего двоичного сигнала, выходные выводы для включения устройства в цепь нагрузки, электромагнитное реле, контакт которого включен между выходными выводами устройства, двунаправленно управляемый бесконтактный коммутатор, выходной цепью включенный параллельно контакту электромагнитного реле между выходными выводами устройства, цепь управления электромагнитным реле, входными выводами подключенную к входным выводам устройства, а выходными выводами к обмотке электромагнитного реле, и элемента оптической связи со светоизлучателем в цепи управляющего входа, выходом подключенный к управляющим входу бесконтактного коммутатора, причем цепь управления электромагнитным реле выполнена в виде повторителя двоичного сигнала с временной задержкой переднего фронта его выходного сигнала относительно переднего фронта входного сигнала. Недостатком известного устройства является то, что оно содержит относительно сложную схему, включающую в себя множество относительно сложных схемных элементов. Целью изобретения является создание переключающего средства для замыкания и размыкания различных типов нагрузки с любой схемой переменного тока, особенно в случаях, когда любое возникновение теплового эффекта или высокочастотного шума при замыкании и размыкании является нежелательным или неприемлемым, или же когда имеется риск возникновения взрыва. К этому присовокупляется важность создания переключающего средства, которое является компактным, простым, надежным и недорогим при изготовлении. Для достижения положительного эффекта в устройство введена цепь управления бесконтактным коммутатором, входными выводами подключенная к входным выводам устройства параллельно цепи управления электромагнитным реле, а выходными выводами к управляющему входу элемента оптической связи, включенного фазосдвигающим с встроенным интегральным детектором пересечения нуля нагрузки, двунаправленно управляемый бесконтактный коммутатор выполнен с управляющими входом силиcторного типа с общим управляющим электродом для обоих направлений, выход элемента оптической связи включен между управляющим электродом и соответствующим силовым электродом бесконтактного коммутатора. На чертеже показана схема предлагаемого устройства. Коммутирующее устройство содержит входные выводы 1 для подключения к источнику управляющего двоичного сигнала, выходные выводы для включения устройства в цепь нагрузки 2, электромагнитное реле 3, контакт 4 которого включен между выходными выводами устройства, двунаправленно управляемый бесконтактный коммутатор 5, выходной цепью включенный параллельно контакту электромагнитного реле между выходными выводами устройства, цепь 6 управления электромагнитным реле, входными выводами подключенную к входным выводам устройства, а выходными выводами к обмотке электромагнитного реле, и элемента оптической связи со светоизлучателем 7 в цепи управляющего входа, выходом светочувствительного элемента 8, подключенный к управляющему входу бесконтактного коммутатора 5, причем цепь управления электромагнитным реле выполнена в виде повторителя двоичного сигнала с временной задержкой переднего фронта его выходного сигнала относительно переднего фронта входного сигнала, цепь управления 9 бесконтактным коммутатором, входными выводами подключенная к входным выводам устройства параллельно цепи управления электромагнитным реле, а выходными выводами к управляющему входу элемента оптической связи, выполненного фазосдвигающим с встроенным интегральным детектором пересечения нуля нагрузки, двунаправленно управляемый бесконтактный коммутатор 5 выполнен с управляющим входом силисторного типа с общим управляющим электродом для обоих направлений, выход элемента 8 оптической связи (светочувствительный элемент) включен между управляющим электродом и соответствующим силовым электродом бесконтактного коммутатора 5. Цепь 6 управления электромагнитным реле выполнена на резисторе 10 и конденсаторе 11, соединенных последовательно, в которую может быть дополнительно введен усилитель на транзисторе 12. Цепь управления бесконтактным коммутатором 5 выполнена в виде последовательно соединенных резисторе 13 и конденсаторе 14 (2-я RC-цепь), один вывод которой подключен к общей точке соединенных последовательно диода 15 и резистора 16. Работа данного примера реализации заключается в том, что напряжение управления подается для замыкания и размыкания схемы. Если используется напряжение переменного тока, оно должно выпрямляться. При наличии напряжения управления ток пойдет через диод 15, резистор 16 и светоизлучатель 7 оптического элемента связи. Это, в свою очередь, обеспечит запуск светочувствительного элемента 8. Оптический элемент сопряжения выполнен таким, какое применяется для управления бесконтактным коммутатором 5 силисторного типа, и в дополнение задерживает замыкание до тех пор, пока фазовый угол не будет нулевым. Оптический элемент сопряжения соединен с управляющим входом бесконтактного коммутатора 5, который подключает нагрузку. Эта нагрузка может быть индуктивной, емкостной или чисто резистивной. Одновременно с запуском бесконтактного коммутатора, через контакт 4 управляющим напряжением то же напряжение запускает выработку электрического поля в конденсаторе 11 через резистор 10. Конденсатор 11 создает вместе с резистором 10 схему задержки (RC-цепочку), которая будет в течение промежутка времени, определенного выбранными величинами резистора 10 и конденсатора 11, вырабатывать напряжение между базой транзистора 12 и землей, так что резистор 12 будет проводить ток по управляющей обмотке электромагнитного реле 3, которое шунтирует контакт 4 реле замыкания нагрузку 2. При использовании транзистора 12 для усиления уровня напряжения RC-цепочка развитие большого заряда в RC-цепочке стремится к избыточному, а следовательно, конденсатор может иметь существенно меньшую емкость. Поскольку управляющее напряжение запускает силистор и запускает заряд конденсатора 11, то же управляющее напряжение начинает заряжать конденсатор 14 через резистор 13. Резисторы 13 и 16 являются вместе с конденсатором 14 составляющими схемами задержки. Эта схема задержки используется при размыкании соединения нагрузки. Как только происходит отсечка управляющего напряжения, RC-цепочка, образованная из резисторов 12 и 16 и конденсатора 14, подает ток на оптический элемент на период времени, определенный этой RC-цепочкой. С другой стороны, транзистор 12 сразу же выключится, размыкая электромагнитное реле. Однако, соединение с нагрузкой будет поддерживаться посредством коммутатора 5 до тех пор, пока полностью не исчезнет управляющее напряжение, когда конденсатор 14 существенно разряжен. Для того, чтобы коммутатор 5 разомкнул схему при пересечении нулевого напряжения, постоянная времени RC-цепочки, образованной элементами 16, 13 и 14, должна соответствовать по меньшей мере половине периода нагрузки 2. Однако, она может быть больше, поскольку именно определяющий фазу оптический соединитель задает размыкание, возникающее точно при пересечении нулевого напряжения. Это подразумевает, что малый допуск составляющих не является критическим и можно использовать недорогие компоненты для получения того же результата, что и с более точными и дорогими компонентами. За счет использования оптического элемента для замыкания и размыкания коммутатора 9 можно также получить гальваническое разделение между управляющей схемой и нагрузкой.

Формула изобретения

1. КОММУТАЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО, содержащее входные выводы для подключения к источнику управляющего двоичного сигнала, выходные выводы для включения устройства в цепь нагрузки, электромагнитное реле, контакт которого включен между выходными выводами устройства, двунаправленно управляемый бесконтактный коммутатор, выходной цепью включенный параллельно контакту электромагнитного реле между выходными выводами устройства, цепь управления электромагнитным реле, входными выводами подключенную к входным выводам устройства, а выходными выводами к обмотке электромагнитного реле, и элемент оптической связи со светоизлучателем в цепи управляющего входа, выходом подключенный к управляющему входу бесконтактного коммутатора, причем цепь управления электромагнитным реле выполнена в виде повторителя двоичного сигнала с временной задержкой переднего фронта его выходного сигнала относительно переднего фронта входного сигнала, отличающееся тем, что в устройство введена цепь управления бесконтактным коммутатором, входными выводами подключенная к входным выводам устройства параллельно цепи управления электромагнитным реле, а выходными выводами к управляющему входу элемента оптической связи, выполненного фазодетектирующим с встроенным интегральным детектором пересечения нуля нагрузки, двунаправленно управляемый бесконтактный коммутатор выполнен с управляющим входом симисторного типа с общим управляющим электродом для обоих направлений, выход элемента оптической связи включен между управляющим электродом и соответствующим силовым электродом бесконтактного коммутатора и является измерительным входом детектора пересечения нуля нагрузки, при этом цепь управления бесконтактным коммутатором выполнена в виде повторителя двоичного сигнала с временной задержкой заднего фронта его выходного сигнала относительно заднего фронта входного сигнала. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что цепь управления электромагнитным реле выполнена в виде первой RC-цепи, состоящей из последовательно соединенных резистора и конденсатора, включенных между входными выводами этой цепи управления, при этом обмотка электромагнитного реле включена параллельно конденсатору первой RC-цепи. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в первую RC-цепь введен транзистор, база которого соединена с общей точкой резистора и конденсатора первой RC-цепи, коллектор с другим выводом этого резистора, а обмотка электромагнитного реле включена параллельно конденсатору первой RC-цепи через база-эмиттерный переход транзистора. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что цепь управления бесконтактным коммутатором выполнена в виде второй RC-цепи, один вывод которой подключен к общей точке последовательно соединенных диода и второго резистора, другой вывод которого соединен с первым выходным выводом цепи управления бесконтактным коммутатором, вторым выходным выводом которой является второй вывод RC-цепи. 5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что постоянная времени разряда конденсатора второй RC-цепи выбрана большей или равной половине периода переменного напряжения на выходных выводах устройства.

Похожие патенты:

Изобретение относится к разъединительному устройству (1) для прерывания постоянного тока между источником (2) постоянного тока и электрическим устройством (3), в частности между фотогальваническим генератором и инвертором с токопроводящим механическим коммутирующим контактом (7а, 7b) и с полупроводниковой электроникой (8), включенной параллельно коммутирующему контакту (7а, 7b)

Изобретение относится к модульному схемному устройству (10) для коммутации электрических мощностей. Оно содержит панельку (40) реле и адаптер (30), соединяемый разъемно с панелькой (40) реле. Адаптер (30) содержит полупроводниковое реле (60) и электрически соединенное с ним устройство управления (50). Кроме того, предусмотрено наличие реле (20), соединяемого разъемно электрически и механически с адаптером (30) таким образом, что в состоянии после соединения полупроводниковое реле (60) подключено параллельно к механическому выключателю (22) реле (20), причем устройство управления (50) может управлять реле (20) и полупроводниковым реле (60) в разные моменты времени. Технический результат - снижение степени износа нормально разомкнутых контактов реле, замыкаемых и размыкаемых без нагрузки. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

Устройство (13) для прерывания электрического тока, протекающего через линию (14) передачи или распределения энергии, содержит параллельное соединение основного прерывателя (8) и нелинейного резистора (11). Основной прерыватель (8) содержит, по меньшей мере, один мощный полупроводниковый переключатель первого направления тока. Устройство (13) дополнительно содержит последовательное соединение высокоскоростного переключателя (10), содержащего, по меньшей мере, один механический переключатель, и вспомогательный прерыватель (9), который имеет меньшее сопротивление в открытом состоянии, чем основной прерыватель (8), и содержит, по меньшей мере, один мощный полупроводниковый переключатель первого направления тока. Это последовательное соединение подключено параллельно параллельному соединению. В способе использования устройства (13) вначале открывают вспомогательный прерыватель (9), коммутируя таким образом ток в основной прерыватель (8), после чего открывают высокоскоростной переключатель (10), и после этого открывают основной прерыватель (8), коммутируя таким образом ток в нелинейный резистор (11). Устройство (13) может дополнительно использоваться в компоновке ограничения тока. Технический результат - обеспечение прерывания постоянного тока с уменьшением потерь в установившемся состоянии в мощных полупроводниковых переключателях. 10 н. и 29 з.п. ф-лы, 12 ил.

Выключатель содержит первый и второй контакты для подачи питания для работы электронного устройства, а также первый контакт замыкания и размыкания и второй контакт замыкания и размыкания, подключенные к внутренней цепи электронного устройства. Выключатель содержит также блок подачи питания, ключ активизации, генерирующий сигнал управления внутренней цепью электронного устройства, и блок запаздывания, обеспечивающий, чтобы при включении контактный выключатель и ключ активизации срабатывали не одновременно, а с заданным временем запаздывания. Технический результат - безопасное подключение электронного устройства без броска тока или сильного искрового разряда, а также автоматическое отключение двухполюсного контактного выключателя мгновенно или через некоторое время в случае, если питание отключается программой, или при выключении внутренней цепи за счет сигнала управления ключа активизации, что предотвращает потребление энергии в режиме ожидания. 2 з.п. ф-лы, 15 ил.

Изобретение относится к переключающей схеме для создания и размыкания емкостной, индуктивной и резистивной нагрузки

Привет, Geektimes!

Управление мощными нагрузками - достаточно популярная тема среди людей, так или иначе касающихся автоматизации дома, причём в общем-то независимо от платформы: будь то Arduino, Rapsberry Pi, Unwired One или иная платформа, включать-выключать ей какой-нибудь обогреватель, котёл или канальный вентилятор рано или поздно приходится.

Традиционная дилемма здесь - чем, собственно, коммутировать. Как убедились многие на своём печальном опыте, китайские реле не обладают должной надёжностью - при коммутации мощной индуктивной нагрузки контакты сильно искрят, и в один прекрасный момент могут попросту залипнуть. Приходится ставить два реле - второе для подстраховки на размыкание.

Вместо реле можно поставить симистор или твердотельное реле (по сути, тот же тиристор или полевик со схемой управления логическим сигналом и опторазвязкой в одном корпусе), но у них другой минус - они греются. Соответственно, нужен радиатор, что увеличивает габариты конструкции.

Я же хочу рассказать про простую и довольно очевидную, но при этом редко встречающуюся схему, умеющую вот такое:

  • Гальваническая развязка входа и нагрузки
  • Коммутация индуктивных нагрузок без выбросов тока и напряжения
  • Отсутствие значимого тепловыделения даже на максимальной мощности

Но сначала - чуть-чуть иллюстраций. Во всех случаях использовались реле TTI серий TRJ и TRIL, а в качестве нагрузки - пылесос мощностью 650 Вт.

Классическая схема - подключаем пылесос через обычное реле. Потом подключаем к пылесосу осциллограф (Осторожно! Либо осциллограф, либо пылесос - а лучше оба - должны быть гальванически развязаны от земли! Пальцами и яйцами в солонку не лазить! С 220 В не шутят!) и смотрим.

Включаем:

Пришлось почти на максимум сетевого напряжения (пытаться привязать электромагнитное реле к переходу через ноль - задача гиблая: оно слишком медленное). В обе стороны бабахнуло коротким выбросом с почти вертикальными фронтами, во все стороны полетели помехи. Ожидаемо.

Выключаем:

Резкое пропадание напряжения на индуктивной нагрузке не сулит ничего хорошего - ввысь полетел выброс. Кроме того, видите вот эти помехи на синусоиде за миллисекунды до собственно отключения? Это искрение начавших размыкаться контактов реле, из-за которого они однажды и прикипят.

Итак, «голым» реле коммутировать индуктивную нагрузку плохо. Что сделаем? Попробуем добавить снаббер - RC-цепочку из резистора 120 Ом и конденсатора 0,15 мкФ.

Включаем:

Лучше, но не сильно. Выброс сбавил в высоте, но в целом сохранился.

Выключаем:

Та же картина. Мусор остался, более того, осталось искрение контактов реле, хоть и сильно уменьшившееся.

Вывод: со снаббером лучше, чем без снаббера, но глобально проблемы он не решает. Тем не менее, если вы желаете коммутировать индуктивные нагрузки обычным реле - ставьте снаббер. Номиналы надо подбирать по конкретной нагрузке, но 1-Вт резистор на 100-120 Ом и конденсатор на 0,1 мкФ выглядят разумным вариантом для данного случая.

Литература по теме: Agilent - Application Note 1399, «Maximizing the Life Span of Your Relays ». При работе реле на худший тип нагрузки - мотор, который, помимо индуктивности, при старте имеет ещё и очень низкое сопротивление - добрые авторы рекомендуют уменьшить паспортный ресурс реле в пять раз .

А теперь сделаем ход конём - объединим симистор, симисторный драйвер с детектированием нуля и реле в одну схему.

Что есть на этой схеме? Слева - вход. При подаче на него «1» конденсатор C2 практически мгновенно заряжается через R1 и нижнюю половину D1; оптореле VO1 включается, дожидается ближайшего перехода через ноль (MOC3063 - со встроенной схемой детектора нуля) и включает симистор D4. Нагрузка запускается.

Конденсатор C1 заряжается через цепочку из R1 и R2, на что уходит примерно t=RC ~ 100 мс. Это несколько периодов сетевого напряжения, то есть, за это время симистор успеет включиться гарантированно. Далее открывается Q1 - и включается реле K1 (а также светодиод D2, светящий приятным изумрудным светом). Контакты реле шунтируют симистор, поэтому далее - до самого выключения - он в работе участия не принимает. И не греется.

Выключение - в обратном порядке. Как только на входе появляется «0», C1 быстро разряжается через верхнее плечо D1 и R1, реле выключается. А вот симистор остаётся включённым примерно 100 мс, так как C2 разряжается через 100-килоомный R3. Более того, так как симистор удерживается в открытом состоянии током, то даже после отключения VO1 он останется открытым, пока ток нагрузки не упадёт в очередном полупериоде ниже тока удержания симистора.

Включение:

Выключение:

Красиво, не правда ли? Причём при использовании современных симисторов, устойчивых к быстрым изменениям тока и напряжения (такие модели есть у всех основных производителей - NXP, ST, Onsemi, etc., наименования начинаются с «BTA»), снаббер не нужен вообще, ни в каком виде.

Более того, если вспомнить умных людей из Agilent и посмотреть, как меняется потребляемый мотором ток, получится вот такая картинка:

Стартовый ток превышает рабочий более чем в четыре раза. За первые пять периодов - то время, на которое симистор опережает реле в нашей схеме - ток падает примерно вдвое, что также существенно смягчает требования к реле и продлевает его жизнь.

Да, схема сложнее и дороже, чем обычное реле или обычный симистор. Но часто она того стоит.