Твердотельное реле против механического реле: Определенное руководство по выбору

В области электротехники управление - это все. Реле - это главное устройство в центре бесчисленных автоматизированных систем, цепей безопасности и систем управления питанием. В последние несколько десятилетий выбор типа реле был прост. Сегодня для инженера-проектировщика это важный поворотный момент. Это вопрос предпочтения между физическим якорем с его приятным щелчком и бесшумной, мгновенной точностью полупроводника. Именно в этом и заключается смысл применения твердотельного реле (SSR) в сравнении с электромеханическим реле (EMR). В этом руководстве не только перечислены различия, но и изложены основные принципы, которые помогут вам определить, какое реле лучше всего подходит для вашего применения, чтобы сделать вашу конструкцию не только функциональной, но и надежной, эффективной и экономичной на протяжении всего срока службы.

Основные принципы: Движение против полупроводника

Прежде чем принимать взвешенное решение, необходимо понять, как работают эти два аспекта, поскольку разница в способах их применения является основной. В обоих случаях конечный результат один и тот же: использование небольшого сигнала электрического управления для включения/выключения гораздо большей высоковольтной нагрузки, но подходы находятся на противоположных концах света.

Принцип работы механических реле (EMR)

Электромеханическое реле (ЭМР) основано на принципах магнетизма и физического движения, которым доверяют уже более ста лет. Сделать это очень просто:

1. Катушка проволоки питается от управляющего напряжения с низким энергопотреблением, создавая электромагнит.
2. Подвижный якорь притягивается к этому магнитному полю.
3. Физическое перемещение якоря приводит в действие ряд механических связей, заставляя пару контактов соединиться, завершая главную цепь и позволяя включить мощную нагрузку. При снятии управляющего сигнала магнитное поле разрушается, одна из пружин втягивает якорь внутрь, а контакты размыкаются, разрывая цепь.

Это простой, прямой и надежный способ включения/выключения, но он зависит от использования механических компонентов, которые со временем могут износиться.

Принцип работы твердотельных реле (SSR)

Твердотельное реле, напротив, не имеет механических компонентов. Оно использует характеристики полупроводниковых приборов для достижения того же эффекта:

1. Слабый управляющий сигнал подается на входную цепь, в качестве которой обычно выступает светодиод.
2. Световой сигнал этого светодиода проходит через открытое пространство и воспринимается фоточувствительной оптопарой (полупроводником). Благодаря этой оптоизоляции между входом и выходом существует большая электрическая изоляция.
3. Фотодиод переключает электронное переключающее устройство на стороне тока, обычно в мощной части цепи нагрузки, чаще всего TRIAC или MOSFET, но в некоторых случаях и другое переключающее устройство.

Поскольку он полностью электронный, он работает очень тихо, очень быстро и не подвержен износу, как его аналоги.

Характеристика

Ключевые показатели эффективности: Сравнение с глазу на глаз

Понимание глубинных различий в производительности крайне важно для любого инженера. Выбор редко сводится к тому, какое реле “лучше” в целом, а какое лучше для конкретной задачи.

Скорость переключения

Скорость ЭМР ограничена физикой механических элементов устройства - периодом, за который создается магнитное поле, и временем, необходимым для перемещения якоря. Обычно это время находится в диапазоне от 5 до 15 мс.

SSR, не имеющий физических ограничений, работает на порядки быстрее. Время переключения выражается в микросекундах (us) или даже наносекундах (ns). SSR - единственная альтернатива, когда требуется высокочастотная широтно-импульсная модуляция (ШИМ) или управление машиной с частыми циклами.

Продолжительность жизни

Это одно из главных отличий. Механический износ предопределяет срок службы ЭМР. При каждом цикле работы его контакты подвергаются усталости металла и электрической дуге, поэтому срок службы составляет десятки или сотни тысяч циклов или несколько миллионов циклов.

Напротив, у SSR нет движущихся компонентов, которые бы изнашивались. Его срок службы зависит от срока службы полупроводника, который может составлять десятки или даже сотни миллионов циклов, поэтому он является очевидным выбором, когда требуется высокий срок службы в десятки миллионов циклов или больше.

Слышимый шум

Разница в данном случае категорична. При каждом срабатывании раздается характерный щелчок, вызванный размыканием или замыканием внутренних контактов EMR. В большинстве отраслей промышленности это не имеет значения.

Но этот шум недопустим в медицинском оборудовании, высококачественных аудиосистемах или в тихих офисах. SSR не имеют звука, и это свойство является жизненно важным для применения там, где конфиденциальность и отсутствие шума имеют первостепенное значение.

Устойчивость к ударам и вибрации

Физическая природа ЭМП - катушка, пружина и якорь, из которых он состоит, - предрасполагает к внешним ударам и вибрациям. Сильный удар может привести к подпрыгиванию контактов или даже к случайному изменению состояния.

Поскольку SSR фактически представляет собой блок электроники, заключенный в горшок, его ударо- и виброустойчивость чрезвычайно высока, что обеспечивает проверенную и испытанную работу в жестких условиях эксплуатации, таких как автомобильная промышленность, промышленное оборудование и аэрокосмическая отрасль.

Потребляемая мощность

ЭМР состоит из катушки; чтобы поддерживать ЭМР во включенном состоянии, на катушку нужно подавать необходимое напряжение N непрерывных ампер x мощность P Предположим, ЭМР потребляет 10 ампер при напряжении 240 вольт; тогда для поддержания ЭМР во включенном состоянии мощность P = (10 ампер) (240 В) = 2400 ватт При этом 10 ампер - это сила электрического тока, проходящего через катушку.

Хотя эта нагрузка невелика, при умножении ее на сотни реле в больших системах может получиться довольно высокое энергопотребление. Для включения SSR и включения его внутреннего светодиода требуется очень небольшое количество энергии, поэтому потребление энергии цепью управления SSR практически равно нулю, и, следовательно, SSR гораздо более энергоэффективен.

Рассеивание тепла

Преимущество здесь меняется. Металлические контакты ЭМР обеспечивают очень низкое сопротивление включения, т.е. при срабатывании реле происходит очень незначительный нагрев.

Полупроводниковый прибор SSR имеет немного меньшее сопротивление в режиме включения. Это заставляет его выделять много тепла, которое зависит от тока нагрузки через него. При использовании с большими нагрузками, превышающими несколько ампер, для отвода тепловой энергии и предотвращения перегрева SSR требует установки теплоотвода, что может увеличить размер и сложность решения.

Устойчивость к внешним воздействиям

Как уже объяснялось ранее, сопротивление ЭМП практически равно нулю (измеряется в миллиомах), однако его называют замкнутым контуром. Таким образом, мощность поступает в нагрузку в максимально возможном объеме и вызывает наименьшее падение напряжения.

Сопротивление во включенном состоянии является измеряемой величиной, что приводит к падению рабочего напряжения на реле (т.е. ~1 В). Для большинства применений это падение незначительно, но в низковольтных системах, где протекает большой ток, эти потери могут быть приняты во внимание.

Ток утечки

Контакты ЭМР, обеспечивающие тупиковую ситуацию, при выключенном ЭМР оставляют контактный зазор, образующий почти идеальную разомкнутую цепь, с практически нулевой утечкой тока.

Выходная полупроводниковая схема SSR может быть спроектирована таким образом, чтобы пропускать лишь небольшое количество тока, когда SSR выключен. Для большинства нагрузок это не имеет значения. Однако для очень чувствительных входных устройств или, в некоторых случаях, медицинского оборудования такая утечка может стать проблемой, и в этом случае предпочтительнее использовать ЭМР.

Электромагнитные помехи (EMI)

Оба типа реле могут создавать ЭМИ, хотя и в разной степени. Из-за переключения между открытым и закрытым состояниями контакты реле EMR могут генерировать очень широкополосный электрический шум на уровне дуги.

SSR не проводит дугу, но быстрое переключение полупроводников внутри SSR способно создавать высокочастотные ЭМИ. Но SSR, использующие так называемую технологию пересечения нуля, включаются или выключаются только тогда, когда напряжение переменного тока близко к нулю, что радикально минимизирует генерируемые ЭМИ.

Стоимость

Первоначальная стоимость EMR почти всегда ниже, чем у аналогичного SSR. EMR привлекателен для простых и малоцикличных приложений, в которых первоначальная стоимость BOM (Bill of Materials) является ключевым мотивирующим фактором. Тем не менее, фактическая стоимость должна учитываться на протяжении всего срока службы изделия. Гораздо более длительный срок службы и более высокая надежность SSR означают отсутствие затрат на замену и техническое обслуживание, а также снижение общей стоимости владения (TCO), особенно для требовательных приложений.

Ключевые показатели: Сравнение между собой

Выбор реле: Сценарии для конкретных приложений

Теория полезна, но решения принимаются на практике. Вот как применить эти знания для решения реальных дизайнерских задач.

Для промышленной автоматизации и робототехники

В системе, управляемой ПЛК или роботом, деталь может меняться тысячи раз за день. Наиболее подходящим вариантом является SSR. Его высокая долговечность не допускает дорогостоящего отключения при техническом обслуживании. Его скорость переключения достаточно высока, чтобы обеспечить точность процессов, а способность противостоять постоянной тряске машин делает его идеальным во время рабочего процесса. Электромагнит не является подходящим решением по сравнению с электронными коммутационными устройствами, которые могут использоваться в таких условиях.

Для медицинского и аудио оборудования

Подумайте о системе диагностики пациентов в звукоизолированной больничной палате или об аудиоусилителе премиум-класса. Слышимые щелчки ЭМР всегда будут мешать и отвлекать. Необходим УСБ, который не будет мешать. Это также очень важное соображение безопасности, учитывая тот факт, что в медицинском оборудовании не может быть и речи о поломке.

Для требовательных систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха

В крупной промышленной системе отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха требуется постоянное переключение электродвигателей и компрессоров высокого напряжения. ЭМП справится с током, но механические контакты скоро выйдут из строя при таком интенсивном рабочем цикле. Альтернативным лучшим решением является SSR с хорошей теплоотдачей. Он отличается долговечностью и может служить годами без замены. Это особенно важно, когда необходимо определить тип рассматриваемой нагрузки d - индуктивную или резистивную, чтобы выбрать подходящую выходную цепь.

Для простых, чувствительных к затратам проектов

Подумайте о небольшом проекте панели управления для хоббистов или об устройстве, в котором выключатель используется всего несколько раз в день. В этом случае более длительный срок службы и высокая скорость работы SSR будут излишне масштабными. EMR - это удобное и экономичное решение. Он имеет низкую стоимость и может быть использован с простой схемой привода, а разница в стоимости между EMR и SSR становится более заметной при использовании на низких частотах.

Критические ошибки проектирования и как их избежать

Выбор правильного типа реле - это только первый шаг. Правильное применение реле имеет решающее значение для раскрытия его полного потенциала и предотвращения преждевременного выхода из строя.

Подводные камни SSR

• Неправильное управление теплом: Наиболее распространенной причиной отказа SSR является перегрев.
  Решение: Всегда рассчитывайте отопление (P = V_drop × I_load) и выберите соответствующий теплоотвод в соответствии с техническими характеристиками производителя для любой нагрузки свыше нескольких ампер.
• Сюрпризы с током утечки: В схеме с высокоомным входом ток утечки SSR иногда может быть достаточным, чтобы ошибочно интерпретировать его как сигнал “включено”.
  Решение: Для шунтирования тока утечки параллельно нагрузке может быть установлен сбрасывающий резистор.
• Несоответствующий тип нагрузки: Использование стандартного SSR с нулевым пересечением для высокоиндуктивных нагрузок может быть проблематичным.
  Решение: Используйте SSR “Random Turn-On” для индуктивных нагрузок, чтобы обеспечить точное переключение.

Подводные камни системы EMR

• Искрение и износ контактов: Переключение индуктивных нагрузок приводит к возникновению дуги, которая разрушает контакты.
  Решение: Добавьте RC-снижающую сеть через контакты для поглощения энергии дуги.
• ЭДС катушки Отдача: При отключении тока в катушке скачок напряжения может повредить систему управления.
  Решение: Поместите обратный диод параллельно катушке.

Обеспечение надежности: Поиск высококачественных компонентов

Вы обдумали применение принципов, сопоставили меры и осознали опасность конструкции. Вероятно, вы пришли к логическому выводу, что твердотельное реле - это то, что вам нужно, потому что вам требуется высокая скорость, долгий срок службы и бесшумная, надежная работа вашего приложения.

Здесь необходимо принять второе решающее решение. Как мы уже заметили, УСБ - это современные электронные устройства. Их надежность зависит не только от конструкции устройства, но и от качества полупроводников, входящих в их состав, тепловой защиты и процесса производства. Все теоретические свойства УСБ становятся бесполезными, если устройство выходит из строя на ранних стадиях эксплуатации из-за перегрева или неспособности воспринимать номинальную нагрузку.

Именно поэтому выбор специализированного поставщика имеет первостепенное значение. На сайте ОМЧ Мы разрабатываем и производим твердотельные реле промышленного класса, на которых вы можете и будете строить свою репутацию. Мы понимаем, что наши компоненты - это не только товары в спецификации, но и общие знаменатели в обеспечении работоспособности вашей системы. Мы придерживаемся качественного производства и строгих процедур тестирования, что позволяет получить SSR, который работает в соответствии со спецификацией, цикл за циклом, год за годом. Если вы решили, что SSR - это ваше решение, то сотрудничество с экспертом в данной области, таким как OMCH, поможет воплотить в реальность надежность, которую вы создали на бумаге.

Будущее: Гибридные реле и технологии нового поколения

Мир реле продолжает развиваться. Пытаясь объединить преимущества обоих миров, появляются гибридные реле. Часто высоконапряженные нагрузки выключения и включения (исключающие дугу) управляются через SSR, а основной ток - через параллельный EMR с его ультранизким сопротивлением, что минимизирует нагрев. Кроме того, SSR могут претерпеть изменения благодаря разработке широкозонных полупроводников, таких как нитрид галлия (GaN) и карбид кремния (SiC), которые сделают эти устройства еще более миниатюрными, с большей эффективностью и более высокими рабочими возможностями по давлению и частоте.