Твердотільні реле як безконтактний аналог релейно-контакторною апаратури користуються в програмованих логічних контролерів, драйверів електромагнітів, клапанів, пускачів, електродвигунів, обмоток, індикаторів і дисплеїв, в сканерах, мультиплексорах, системах збору даних, контрольно-вимірювальних обладнанні в якості елементів, що формують на своєму виході напругу, що володіє релейного характеристикою

Твердотільне реле (SSR – solid state relay, або PVR – photovoltaic relay), оптоелектронні реле, напівпровідниковий реле – цими термінами позначається великою клас модульних напівпровідникових приладів, виконаних за гібридною технологією, що містять у своєму складі потужні силові ключі на польових, біполярних, КтВУ-транзисторах або на тиристорних (сімісторних) структурах, а також оптронна схему управління Ця апаратура використовується для заміни традиційних електромагнітних реле Низьковольтна частина реле з оптронной схемою виконує роль котушки звичайного електромагнітного реле, а високовольтний напівпровідниковий ключ подібний контактам електромагнітного реле Оптронная схема забезпечує електричну ізоляцію між керуючою і силовою частиною до декількох тисяч вольт Випускаються в даний час промисловістю прилади цього класу можна розділити на кілька базових типів:

– малопотужні прилади з робочими струмами менше 1 А

– прилади середньої потужності з робочими струмами до 10 А

– прилади великої потужності з робочими струмами до декількох сотень ампер

Розглянута апаратура при роботі виділяє теплоту потер, рассеиваемую тепло отводящими пластинами, на яких розміщуються напівпровідникові ключі Високоякісний прилад може бути виконаний тільки на мідному теплоотводе із застосуванням високо теплопровідні керамічного ізолятора, що забезпечує низькі значення теплового опору, а отже, відсутність перегріву силового елемента і його високу довговічність Комутуючим елементом у зазначеній апаратурі виступають:

– симистор для комутації ланцюгів змінного струму (пікове напругу до 800 В, робочий струм до 25 А, низька стійкість до швидкостей наростання струму і напруги)

– пара зустрічно паралельно включених тиристорів для комутації ланцюгів змінного струму (пікове напруга до 1200 В, робочі струми до 250 А для монолітного модуля і до 5000 А для спеціального виконання, висока стійкість до швидкостей наростання струму і напруги)

– польовий МОП-транзистор для комутація кіл постійного струму (пікове напруга з урахуванням можливих перенапруг до 600 В, робочий струм до 200 А)

– IGBT для комутація кіл постійного струму (пікове напруга з урахуванням можливих перенапруг до 1200 В, робочий струм до 250 А для монолітного модуля і до 2000 А для спеціального виконання)

Всі типи приладів мають ідентичну вхідну схему, виконану на основі інфрачервоного світлодіода, випромінювання якого забезпечує включення відповідного силового елемента через спеціальну фоточувствительную схему Ланцюги управління світлодіодом виконані або на резистори відповідного номіналу або із застосуванням токового стабілізатора Типовий струм управління твердотілим реле – 10 .. 15 мА, що на порядок менше струму управління електромагнітного реле Різні типи приладів можуть управлятися як постійним, так і змінним напругою Між електромагнітними і електромеханічними реле в частині комутованій ланцюга відмінності принципові Комутуючий елемент електромагнітного реле – металева перемичка, через яку може протікати як постійний, так і змінний струм величини, що відповідає граничній потужності реле У електромагнітних реле спостерігається швидкий знос механічного комутуючого елемента (реле забезпечують до 1 млн спрацьовувань), «пригорання» контактів реле, внаслідок неминуче виникає при розмиканні дуги, і повязана з цим велика ймовірність відмови в процесі роботи Напівпровідникові комутуючі елементи на відміну від контактів електромагнітного типу мають істотні обмеження, повязані з граничними значеннями напруг, струмів, швидкостей їх зміни, витоками у вимкненому стані При функціонуванні твердотільні реле повинні забезпечити надійний електричний ізоляцію вхідних і вихідних електричних ланцюгів один від одного, і струмоведучих ланцюгів від елементів конструкції приладу Цей показник визначається трьома параметрами:

– опором ізоляції, визначальним максимально можливу витік по елементах конструкції при випробувальній напрузі 500 В, що становить 109 Ом

– напругою ізоляції, визначальним електричну міцність елементів конструкції реле Для твердотільних реле гарантується відсутність пробою при напрузі до 2500 В змінного струму (або 4000 В постійного струму) протягом 1 хвилини

– Трекінгостійкості, що визначає здатність матеріалу конструкції реле до утворення поверхневих струмоведучих містків при роботі в агресивних середовищах За рахунок монолітної конструкції і застосування спеціальних стеклонаполненного пластиків твердотільні реле мають нульовий показник трекінгосгойко-сти

Розглянемо схеми деяких твердотільних реле На рис 141 наведена схема однофазного реле змінного струму

Рис 141 Схема однофазного реле змінного струму з керуванням змінною напругою

Вхідний управляє напруга схемою, що складається з випрямляча UZ і R \ C \-фільтра, включає реле, ініціюючи світлодіод, оптопару або оптосімістори Включення здійснюється подачею схемою управління напруги на керуючі електроди зустрічно паралельно включених тиристорів VS1 і VS2, до яких прикладається змінна напруга живлення навантаження Твердотільні реле на напівпровідникових приладах можуть мати наступні функціональні різновиди:

– включення реле в довільний момент часу зміни змінної напруги живлення

– включення реле в момент переходу змінної напруги живлення через нуль

– включення реле в момент переходу змінної напруги живлення через нуль і на пропускання певної кількості полупериодов змінної напруги живлення

– включення реле з фазовим (параметричним) управлінням змінної напруги живлення на навантаженні

Для реле, схема управління якого контролює момент переходу напруги живлення навантаження через нуль, під поняттям «нуль» розуміється деяке мінімальне значення напруги позитивного і негативного його полупериодов, при якому воно включається При великих значеннях напруги реле не включиться навіть за наявності керуючого сигналу, а схема управління буде очікувати приходу відповідної напруги Значення цієї напруги називається напругою заборони і становить 40 В Перші два різновиди реле аналогічні функцій електромагнітних реле і можуть виконувати при подачі напруги керування функцію замикання або розмикання електричного кола Третій різновид реле може бути використана в регуляторах потужності, забезпечуючи відсічення напруги живлення регульованою тривалості, системах автоматики і т д Четверта різновид реле дозволяє при його включенні плавно змінювати напругу на навантаження, що не породжує перешкод в мережі

Як приклад реле постійного струму розглянемо його схему, наведену на рис 142 Силовим комутуючим напругою живлення елементом може бути польовий або IGB-транзистор Вхідні ланцюги гальванічно ізольовані від силового ланцюга і дозволяють включати і вимикати силовий елемент Гальва-нічних розвязка в таких реле може бути виконана як на оптронной парі, так і з використанням трансформаторної розвязки

Рис 142 Схема однофазного реле постійного струму з / Сб-транзистором

Вхідні ланцюг реле розрахована на управління реле від джерел постійної напруги з широким діапазоном вхідної напруги (від одиниць до сотень вольт) В реле може бути світлодіодна індикація включеного стану і захист вхідного ланцюга від неправильної подачі полярності напруги керування Включення твердотільного реле залежить від вхідного струму Для цього слід розрахувати опір токоограничительного резистора RBX Його значення має забезпечити струм, достатній для включення реле, але не перевищує 25 мА Розраховується опір обмежувального резистора за формулою:

де /вкл – Струм включення AUC,д – Падіння напруги на світлодіоді

Наприклад, для мінімального вхідного напруги 4,5 В, при струмі включення 5 мА, при температурі 40 ° С і падінні напруги на світлодіоді в 1,6 В отримаємо значення опору RBX < 580 Ом. Це максимальне значення опору, при якій забезпечується надійне включення реле. При високих температурах зовнішнього середовища падіння напруги на світлодіоді зазвичай приймають, рівним 0,9 В. Розрахуємо значення вхідного опору, що дозволяє уникнути виходу світлодіода з ладу, за формулою

Покладемо вхідна напруга управління рівне 6 В, значення вхідного струму 25 мА, значення максимальної температури 85 ° С і падіння напруги на світлодіоді при цьому приймаємо рівним 0,9 В Тоді опір Авх> 204 Ом Отже, значення опору резистора Авх слід вибирати в межах 204 .. 580 Ом

Розглянемо роботу оптронной гальванічної розвязки До входу реле через струмовий стабілізатор з струмом 15 мА, що забезпечує стійкість до перешкод і можливість роботи в діапазоні температур від – 60 до + 80 ° С, підключений інфрачервоний світлодіод Світло від нього потрапляє на матрицю інфрачервоних фотодіодів, фото-ЕРС яких створює різницю потенціалів з рівнем близько 10 В, достатнім, щоб включити польовий МОП-транзистор або IGBT Однак, внаслідок малого вихідного струму (5-10 мкА) такий оптопари накопичення заряду на затворі транзистора відбувається досить повільно (до 20 мс) і залежить від типу керованого транзистора – чим потужніший транзистор, чим вище його вхідна ємність і заряд затвора, тим довше триває процес включення реле Ця властивість реле з оптронной розвязкою накладає деякі обмеження на характер навантаження Це повязано з тим, що в процесі відмикання польового МОП-транзистора або IGBT, вхідні ланцюг якого ідентична польовому транзистору, опір каналу провідності змінюється на кілька порядків і в початковий момент включення має величину в сотні килоом, тому для навантажень з великими пусковими струмами потужність, що виділяється на силовому ключі реле в процесі його включення, може істотно перевищити гранично допустиму для приладу, що призведе до його руйнування, або до істотних втрат енергії і перегріву приладу, що також знижує його надійність і довговічність Така проблема має місце при роботі з високоіндуктівнимі навантаженнями (двигуни постійного струму, перетворювальна техніка, потужні джерела живлення) Вирішується ця проблема твердотільними реле використанням вбудованого DC/DC- перетворювача і розвязки трансформаторного типу При цьому забезпечуються час включення реле менше 1 мкс Таке реле може бути застосоване в умовах, коли пускові струми в 10 разів перевищують номінальні струми Затвор польового МОП-транзистора або IGBT є в загальному випадку конденсатором, тому для вимикання реле як з оптронной, так і з трансформаторної розвязкою використовується спеціальна схема, що забезпечує швидкий розряд ємності затвора при знятті сигналу керування

Одним з представників твердотільного реле можна вважати електронний вимикач, представлений на рис 143

Рис 143 Схема електронного вимикача (ключа)

Це два зустрічно-паралельно включених тиристора VS \ і VS2, керуючі електроди яких через діоди приєднані до прикладався до вимикача напрузі живлення змінного струму Крім цього вони зєднані послідовно між собою керуючим контактом До через резистор R, який визначає значення струму управління тиристорами Включення тиристорів відбувається прямим прикладається до вимикача напругою Позитивний напівперіод напруги, що прикладається до анода тиристора VSI, при замкнутому контакті До створює струм, що протікає по диоду VD1, резистору R, керуючого електроду – катода цього тиристора, який призводить до включення тиристора та підключення навантаження (обмотка електромеханічного реле KV, пускача КМ, електромагніту YA і т п) до напруги харчування Негативний напівперіод напруги прикладається до тиристору VS2 і діє на нього аналогічним чином, підключаючись до тієї ж навантаженні При розмиканні керуючого контакту До тиристори замикаються прикладається до їх анод-катода протилежної по- луперіода напруги, оскільки по керуючому електроду не протікає струм Наприклад, тиристор VD1 закривається тим напівперіодом напруги, який от-Піран тиристор VD2, і навпаки

Джерело: Бєляєв В П, Шуляк Р І, «Електронні пристрої поліграфічного обладнання», Білоруський державний Технологічний університет, Мінськ, 2011 р