Александр Кораблев
В кратком обзоре приведены основные сведения о твердотельных реле, а также показаны некоторые примеры их использования.
Введение
Твердотельные реле (Solid State Relays, SSR) представляют собой полупроводниковые интегральные бесконтактные переключающие устройства. Они были разработаны компанией Crydom (ныне подразделение компании Sensata) в 1971 г., с тех пор широко распространились и претерпели немало изменений. Сегодня их производит множество компаний, среди которых есть и российские.
Принцип работы твердотельных реле
Рис. 1. Структурная схема твердотельного реле
В самом общем виде структурная схема твердотельного реле показана на рис. 1. В качестве изоляционного барьера в большинстве случаев используются оптроны. Логические сигналы высокого или низкого уровня поступают во входной каскад реле, который их детектирует и формирует ток управления светодиодом.
Рис. 2. Выходные каскады твердотельного реле: а) КМОП; б) тиристорный
Схема управления выходным каскадом усиливает сигнал фотоприемника и генерирует сигнал управления силовыми ключами выходного каскада, в качестве которых, как правило, используются КМОП (рис. 2а) или двунаправленные тиристоры (симисторы, рис. 2б). Выходной каскад содержит снабберную цепь, ограничивающую всплески напряжения, возникающие при коммутации силовых ключей. Иногда выходную цепь дополняют варистором для защиты от перенапряжения.
Несложно заметить схожесть функционального назначения твердотельных и обычных электромагнитных реле. И те и другие используются для коммутации нагрузки. Оба типа реле управляются слаботочным сигналом, мощность которого кратно ниже мощности нагрузки. Поэтому практически в любой статье, посвященной твердотельным реле, можно встретить сравнение этих реле. Скажем несколько слов и мы.
Главным преимуществом твердотельных реле является отсутствие механических подвижных частей. К таким реле, в отличие от электромагнитных, неприменимы понятия механической и электрической износостойкости. Также у твердотельных реле заметно выше быстродействие.
Рис. 3. Зависимость: а) числа срабатываний электромагнитного реле от коммутируемого тока и напряжения для активной нагрузки; б) числа срабатываний электромагнитного реле от коммутируемого тока и напряжения для индуктивной нагрузки; в) коммутируемого тока от температуры для твердотельного реле
Для обоих типов реле существуют ограничивающие факторы. Для электромагнитных реле таким фактором является износостойкость, а для твердотельных — нагрев. Сказанное иллюстрирует рис. 3. На нем показаны зависимости числа срабатываний электромагнитного реле от коммутируемого тока и напряжения для активной (рис. 3а) и индуктивной (рис. 3б) нагрузки и зависимость коммутируемого тока от температуры (рис. 3в) для твердотельного реле. Добавим, что ток входного каскада твердотельного реле не превышает нескольких десятых доли миллиампера, в то время как для срабатывания электромагнитного реле требуется ток в несколько десятков миллиампер.
Впрочем, нельзя сказать, что твердотельные реле безусловно во всем лучше. У электромагнитных реле тоже есть свои достоинства: для питания катушки не требуется стабилизированного напряжения, у них отличные помехоустойчивость и радиационная стойкость, их стоимость ниже, особенно если речь идет о коммутации токов более 100 А. Тем не менее многочисленные преимущества твердотельных реле позволили им заметно потеснить своих электромагнитных конкурентов в очень многих приложениях.
Примеры использования твердотельных реле
Можно привести множество примеров применения твердотельных реле, однако в рамках статьи мы ограничимся наиболее интересными, на наш взгляд, случаями — коммутацией цепей переменного тока. Подобные задачи возникают при управлении исполнительными механизмами, регулировании температуры для коммутации ТЭНов и в других схожих ситуациях. Возможность коммутации цепей переменного тока выгодно отличает твердотельные реле от интеллектуальных силовых ключей, которые составляют им конкуренцию в цепях постоянного тока.
Рис. 4. Коммутация цепи: а) при ненулевом значении напряжения; б) при нулевом значении напряжения
В зависимости от фазы напряжения сети в момент коммутации могут возникать помехи, как показано на рис. 4а, которые могут нарушить работу системы и затруднить обеспечение электромагнитной совместимости. При коммутации в момент перехода напряжения через ноль подобных искажений не возникает.
В рассматриваемых нами случаях далеко не всегда требуется высокое быстродействие, когда команда на коммутацию должна выполняться без задержки. Поэтому допускается осуществлять коммутацию не сразу после прихода команды, а с задержкой, в момент перехода напряжения через ноль, как показано на рис. 4б. Для подобной коммутации во многие твердотельные реле встраивается схема детектирования нулевого значения напряжения (Zero Cross Circuit).
Рис. 5. Коммутация при переходе напряжения через ноль: а) по внешней команд; б) с фиксированным в реле временем цикла; в) с минимальной задержкой
Возможные реализации коммутации при переходе напряжения через ноль показаны на рис. 5. Самый простой и экономичный способ показан на рис. 5а: коммутация осуществляется по команде внешнего устройства. На рис. 5б показана коммутация с фиксированным временем цикла, в данном случае 0,2 с, контроль длительности цикла выполняется встроенной в реле схемой. Наиболее точный способ поддержания среднего значения напряжения приведен на рис. 5в: коммутация осуществляется каждые полпериода с минимальной задержкой.
Рис. 6. Схемы реверсивного включения 3-фазного электродвигателя
Нередко твердотельные реле используют в схемах включения и реверсирования электродвигателей переменного тока. На рис. 6 показана схема реверсивного включения 3-фазного электродвигателя. Реверсирование происходит с помощью механических ключей SW1 и SW2 или управляющих сигналов внешнего устройства. Следует иметь в виду, что интервал времени между командами выбора направления вращения должен составлять не менее 20 мс (при частоте сети 50 Гц). В противном случае произойдет короткое замыкание между фазами. Причем если используются реле с тиристорным выходом, то ток короткого замыкания может достичь значительной величины, т. к. выключение тиристоров произойдет только при уменьшении тока через них ниже уровня тока удержания.