Схема твердотельного реле: Полное руководство по пониманию и использованию SSR

Символ и схема твердотельного реле

Символы на языке электрических схем - это не какие-то каракули на бумаге, они выполняют свою функцию. Символ твердотельного реле (SSR), даже если он изображен в виде простой фигуры, передает огромное количество электрических абстракций в одном представлении. Традиционно УСР изображалось в виде прямоугольной коробки, логически разделенной на две части: вход и выход. Такое деление не может быть признано только художественной симметрией, но и главной особенностью электрической изоляции SSR.

Диод, часто обозначаемый стрелками, чтобы показать светодиод (светоизлучающий диод), используется для обозначения входной стороны. Это относится к устройству оптоизоляции в SSR: когда на вход поступает сигнал низкого (но не нулевого) напряжения постоянного тока, светодиод включается, подавая сигнал на выход, но физического электрического соединения между ними нет.

На выходной стороне также присутствуют различные компоненты, поскольку реле может переключаться на переменный или постоянный ток. Выход SSR X - это SSR с выходом переменного тока, который имеет TRIAC или два обратнопараллельных SCR (Silicon Controlled Rectifiers), оба типа тиристоров, полупроводниковых приборов. В вариантах с постоянным током используется силовой транзистор (MOSFET или IGBT). Символы обозначают коммутационное действие схемы твердотельного реле и ее способность управлять выходным током и выходным напряжением.

Чтобы изобразить более длинную схему, изолирующий барьер можно обозначить зигзагом или символом оптопары: диод напротив фототранзистора в круге. Такое разделение между цепью управления и нагрузкой не является декоративным, оно подчеркивает диэлектрическую изоляцию, часто градуируемую в киловольтах.

Твердое тело Реле Электрическая схема и Терминал Идентификация

Символы SSR полезны для понимания смысла функций в схеме, но схема подключения воплощает эти функции в реальность. Важно научиться подключать твердотельное реле, чтобы безопасно и эффективно использовать его в практических схемах.

Идентификация терминала

Большинство твердотельных реле имеют стандартную конфигурацию выводов:

• Клеммы 3 и 4 (Вход сторона): Вход управляющего сигнала постоянного тока. В УСБ с управлением постоянным током они чувствительны к полярности, клемма 3 обычно находится под высоким потенциалом. Это часть входной цепи, которая обеспечивает выходную проводимость.
• Клеммы 1 и 2 (Выход сторона): Когда SSR переключается, ток между ними также переключается, поэтому он регулирует ток в нагрузке.

Примеры проводки

1. Переключение нагрузки переменного тока (AC-AC SSR)

[Выход постоянного тока ПЛК] ─── (3 SSR 4)─── [Входная сторона]
                           │
                       [Изоляционный слой]
                           │
[Источник питания переменного тока] ───(1 SSR 2)─── [Нагрузка переменного тока]

• Вход: Сигнал постоянного тока (например, сигнал постоянного тока 5В/ 24В от ПЛК)
• Выход: Переменное напряжение, включающее нагреватель, лампу или двигатель

Это характерно для однофазных твердотельных реле переменного тока.

2. Переключение нагрузки постоянного тока (DC-DC SSR)

[Микроконтроллер] ───(3 SSR 4)─── [Входная сторона]
                           │
                       [Оптоизолятор]
                           │
[Источник питания постоянного тока] ───(1 SSR 2)─── [Нагрузка постоянного тока]

• Вход: TTL или логический 5 В
• Выход: Переключение цепей постоянного тока 12 В, 24 В или выше

Эта проводка является стандартной для однофазных реле постоянного тока.

Соображения по подключению

• Полярность имеет значение: УСБ постоянного тока, в частности, могут быть разрушены при подключении наконечников входа или выхода с обратной полярностью.
• Тип нагрузкиЕсли нагрузка имеет индуктивный характер, ее необходимо подключать с помощью снабберных цепей или варисторов, которые поглощают высокие потенциалы.
• Монтаж: Интеграция радиатора может потребоваться в зависимости от тока и рабочего цикла.

Входная цепь - изоляция светодиодов и фототранзисторов

Оптическая изоляция является краеугольным камнем SSR. После подачи входного сигнала на управляющие клеммы, обычно это сигнал ПЛК или микроконтроллера, он приводит в действие внутренний светодиод. Излучаемая световая энергия проходит не по проводу, а по прозрачному диэлектрическому слою, где она возбуждает фоточувствительный компонент, который может быть фототранзистором, фототриаком или фотодиодной матрицей.

Такая конструкция обеспечивает:

• Электрическая изоляция управления и нагрузки полностью
• Устойчивость к помехам: на логику управления не будут передаваться обратные ЭДС и переходные процессы
• Повышенная безопасность, особенно в высоковольтных промышленных установках

Это действие, инициируемое светом, подает напряжение на затвор выходного транзистора или тиристора, по сути, переключая нагрузку без механического воздействия или движения электромеханического реле (ЭМР).

Структуры устройств на стороне выхода переменного тока: SCR против TRIAC

1. Структура TRIAC

TRIAC - это двунаправленный переключатель, способный при срабатывании проводить ток как в прямом, так и в обратном направлении. С функциональной точки зрения, он объединяет два обратнопараллельных SCR в одном корпусе. Он очень удобен для использования в сетях переменного тока средней мощности, таких как освещение или отопление, где синусоидальная волна может быть переключена в средней точке для уменьшения электромагнитных помех.

Однако TRIACs склонны к ложным срабатываниям в условиях индуктивности, поскольку их коммутационная устойчивость низка. В таких случаях разработчики могут выбрать более долговечный вариант.

2. Инверсно-параллельная структура SCR

Это двунаправленная конфигурация из двух дискретных SCR с обратно-параллельным включением. Один из них, каждый SCR, проводит половину цикла переменного тока. Их большая теплопроводность и улучшенная dv/dt способность позволяют использовать их на нагрузках с высокой инерцией и индуктивностью, таких как двигатели, трансформаторы и промышленные соленоиды.

Более крупные, с управляющей схемой, обратно-параллельные SCR - это то, что нужно, когда речь идет о промышленных твердотельных реле переменного тока, благодаря их прочности и управляемости.

Методы срабатывания: Нулевое пересечение и случайное включение SSR

1. Триггерные УСБ с нулевым переходом

Перед переключением эти SSR ждут, пока форма волны переменного тока достигнет половины пик-нуль-вольтовой точки синусоиды. Это снижает электромагнитный шум (EMI) и скачки тока, и они идеально подходят для чисто резистивных нагрузок, таких как нагреватели или лампы накаливания. Это также снижает нагрузку и коммутационное устройство.

2. Случайное включение SSR

Эти SSR предназначены для использования в приложениях с быстрой реакцией и переключаются сразу же после получения входного сигнала, независимо от фазы переменного тока. Они могут быть более точно настроены по времени и часто используются в системах управления фазовым углом, управления двигателями или устройствами, требующими синхронизированного срабатывания.

Твердотельные реле постоянного тока: Конструкции MOSFET и IGBT

1. Структура МОП-транзистора

Широко используются SSR с МОП-транзисторами для низкого и среднего постоянного напряжения/тока. Они работают быстро и холодно, а также очень эффективны. Хороший вариант для тех случаев, когда пространство и время отклика имеют первостепенное значение.

2. Структура IGBT

Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) сочетают в себе соответствующую скорость переключения МОП-транзисторов и высокую токовую мощность транзисторов с биполярным переходом. Они наиболее уместны в промышленном оборудовании, требующем напряженной работы, в частности, высокого постоянного напряжения и амперных достижений тока.

Тепловое управление: Кривая выключения и конструкция теплоотвода

Все полупроводниковые приборы выделяют тепло, и SSR не являются исключением. Повышенная температура приводит к снижению допустимого тока и, в конечном итоге, к выходу из строя. Кривая снижения температуры, приведенная в большинстве технических паспортов SSR, показывает зависимость между температурой окружающей среды и допустимым выходным током.

Например, реле, рассчитанное на 25 А при 25°C, может поддерживать только 15 А при 60°C. Для борьбы с этим:

• Используйте подходящие по размеру радиаторы
• Применить термическая смазка для обеспечения полного контакта с поверхностью
• Устанавливайте SSR с вертикальным зазором для поток воздуха

Как работает твердотельное устройство Реле Работа: Полный обзор принципа работы

Давайте разложим все по полочкам:

1. Вход Сигнал: Небольшое управляющее напряжение (например, 5 В постоянного тока) подается на входную цепь SSR.
2. LED Активация: Ток подается на внутренний светодиод, который излучает инфракрасный свет.
3. Оптоизоляция: Свет пересекает изоляционный зазор и активирует фототранзистор или аналогичное устройство.
4. Срабатывание: Фоточувствительное устройство выдает сигнал, который запускает затвор переключающего устройства - TRIAC, SCR, MOSFET или IGBT.
5. Переключение нагрузки: Коммутационный аппарат работает, позволяя току нагрузки течь через выходные клеммы к нагрузке.
6. Выключение: При снятии управляющего напряжения светодиод гаснет, фотосенсор деактивируется, а выходная цепь размыкается.

Весь этот процесс происходит за миллисекунды, бесшумно и без физического контакта, в отличие от традиционных ЭМК. Прелесть заключается в скорости, безопасности и простоте.

Применение: Особые преимущества и стили монтажа

Использование твердотельных реле (SSR) имеет ряд важнейших преимуществ по сравнению с механическими реле. В них нет движущихся частей, поэтому они не шумят и не подвержены износу контактов или эрозии под воздействием дуги, что обеспечивает гораздо более длительный срок службы. Они подходят для высокочастотных включений/выключений с очень быстрым переключением, встроенная электрическая изоляция обеспечивает безопасность системы и предотвращает проблемы с контуром заземления. Кроме того, они не чувствительны к ударам и вибрации, поэтому находят применение в неблагоприятных промышленных или автомобильных условиях.

Стили крепления

Различные SSR могут быть установлены в разных стилях, чтобы соответствовать требованиям дизайна. Крепление на DIN-рейку чаще всего используется в шкафах управления для простоты монтажа. Панельный монтаж обеспечивает большую мощность и устойчивое крепление. Монтаж на печатную плату Компьютеры типа DIP или SIP (т.е. пользовательские DIP или SIP) прекрасно подходят как для небольших встраиваемых систем, так и для более крупных систем.

Применение в реальном мире

SSR используются в медицинском оборудовании (например, в аппаратах МРТ и лабораторной автоматике) в реальных условиях, где низкий уровень электромагнитных помех и бесшумная работа имеют решающее значение. Они регулируют конвейерные системы, нагреватели и двигатели в промышленности. Они используются в зарядных устройствах, системах освещения и "умных" розетках в области бытовой электроники.

SSR все чаще заменяют механические реле всех типов и во всех отраслях промышленности благодаря их экономически эффективному, безопасному, умному и надежному использованию, обеспечивая более безопасные, умные и надежные электрические системы благодаря их бесшумной, электрически изолированной, высокоскоростной работе.