Что такое твердотельное реле? Окончательное руководство для 2025 года

За пределами щелчка: Что такое твердотельное реле?

Характерный звук обычного реле хорошо известен в области электроники и промышленного управления своим звонким щелчком. Физически это акустический след электромеханического переключателя (ЭМП), преобразующего цепь, замыкающего цепь и отключающего нагрузку.

Это было нормой последние несколько десятилетий. Однако как быть, если переключение может быть выполнено бесшумно, мгновенно и с на порядок большим сроком службы? Это территория твердотельных реле (SSR).

По сути, твердотельное реле - это электронная схема переключения, которая выполняет ту же задачу, что и электромеханическое реле, но без движущихся частей. Твердотельное состояние - это категориальный термин. Это область физики и электроники, описывающая поведение твердого тела при прохождении тока в полупроводниковых материалах. В отличие от физических контактов, сжимающихся под действием силы электромагнита, создающего магнитное поле, SSR включает и выключает цепь нагрузки благодаря электрическим характеристикам, присущим полупроводниковым материалам (например, кремнию).

Отсутствие движущихся частей - единственная отличительная особенность УСБ и причина его основных преимуществ. Здесь нет металлических контактов, которые могли бы загореться, подгореть или износиться, нет катушек, которые могли бы перегореть, и нет пружин, которые могли бы потерять свое напряжение. Это полностью электронное управление с маломощным электрическим входным сигналом, который активирует сильноточную выходную цепь. В этом и заключается отличие архитектуры, которое не только делает SSR бесшумной заменой, но и обеспечивает лучшее технологическое решение для широкого спектра современных приложений, требующих точности, надежности и долговечности. В этом учебном пособии мы расскажем об этих устройствах, их принципиальном отличии от старых реле и о том, как принять мудрое решение об использовании соответствующего типа.

Внутри SSR: как происходит электронное переключение

Для того чтобы оценить возможности твердотельного реле, необходимо понять его внутреннюю структуру. Обычное твердотельное реле имеет три основных функциональных блока: входную цепь, цепь изоляции (или связи) и выходную цепь коммутации, хотя блок-схема может выглядеть по-разному. Оба блока играют определенную и очень важную роль в работе устройства.

1. Входная цепь: Это будет точка входа, где логика системы (например, ПЛК, микроконтроллер или датчик) будет подавать управляющий сигнал. Этот управляющий сигнал имеет низкую мощность, которая во многих стандартных моделях составляет 3-32 В постоянного тока. Этот сигнал часто называют входом постоянного тока. Основная задача входной цепи - формировать этот сигнал и управлять каскадом развязки. Она может включать в себя светодиодный индикатор состояния и токоограничивающий резистор: светодиодный индикатор состояния загорается в основном при подаче управляющего напряжения, чтобы обеспечить удобную визуальную обратную связь о состоянии реле.
2. Изолирующая (соединительная) цепь: Это, пожалуй, самый важный аспект в конструкции SSR. Он служит для обеспечения электрической изоляции - диэлектрического зазора - между низковольтной логикой управления и высоковольтной электрической нагрузкой. Такая гальваническая развязка считается частью безопасности, поскольку гарантирует, что высокое напряжение нагрузки никогда не появится на чувствительной управляющей электронике или человеке-операторе. Оптоизолятор (другое название - оптопара или фотопара) является наиболее популярным решением для этого. Оптоизолятор состоит из светодиода на входе и светочувствительного полупроводника (например, фототранзистора или фотодиода) на выходе, упакованных в один непрозрачный корпус. Светодиод получает питание от входной цепи при поступлении управляющего сигнала и излучает инфракрасный свет через образовавшуюся внутри щель. Фотосенсор улавливает этот свет и запускает выходную схему переключения. Поскольку передающей средой является луч света, электрический путь между двумя проводниками отсутствует, поэтому существует очень высокая изоляция, измеряемая обычно тысячами вольт.
3. Схема коммутации выхода: Нагрузочный элемент SSR. Он включается цепью изоляции и включает мощную нагрузку. В зависимости от категории нагрузки, которую должен коммутировать компонент (переменный или постоянный ток), выбираются элементы в выходной цепи.

• В случае нагрузок переменного тока наиболее популярным коммутационным устройством является тиристор в виде кремниевого управляемого выпрямителя (SCR) или более известный термин TRIAC (Triode for Alternating Current). TRIAC состоит из двух SCR, соединенных обратно-параллельно, поэтому он способен проводить ток в обоих направлениях одновременно через синусоиду переменного тока. Даже более современные SSR переключают половину синусоиды, чтобы обеспечить более плавный переход тока.
• Нагрузки постоянного тока, которые обычно переключаются с помощью силового транзистора, например, полевого транзистора с оксидом металла и полупроводника (MOSFET) или биполярного транзистора с изолированным затвором (IGBT) - эти три компонента также известны как переключающие транзисторы. В некоторых небольших (и более дешевых) УСБ постоянного тока используется только один МОП-транзистор, который обеспечивает точное переключение с минимальными потерями. Переключатели постоянного тока Эти переключатели также используются в качестве очень быстрых и эффективных устройств управления большими токами, с хорошим контролем над выходным током.

Интегрируя эти три этапа, SSR обеспечивает надежный, безопасный и высокоэффективный метод управления значительной электрической мощностью с помощью цифровой логики без какого-либо физического контакта.

Твердотельное и механическое реле: Основные различия

Выбор между твердотельным реле (SSR) и обычным электромеханическим реле (EMR) - важный процесс проектирования. Несмотря на то, что они имеют одинаковое общее назначение, они отличаются друг от друга с точки зрения производительности. Сравнение "бок о бок" может показать точные преимущества и недостатки каждой из технологий.

Давайте углубимся в эти важнейшие различия:

• Долговечность и надежность: Самое важное преимущество SSR. Поскольку в нем нет движущихся частей, он не подвержен износу. Контакты физически изнашиваются в ЭМР из-за дуги и ударов при каждом воздействии, в результате чего их срок службы ограничен. При использовании в соответствии со спецификацией, срок службы SSR увеличивается в 100 раз, поэтому они лучше подходят для использования в местах с частыми переключениями.
• Скорость и производительность: В отличие от физической инерции, сдерживающей ЭМР, SSR могут активироваться и деактивироваться за микросекунды, а не за 5-15 миллисекунд. Такая высокая скорость необходима в таких приложениях, как точный контроль температуры (например, терморегулятор) или высокоскоростная автоматика, где требуются быстрые периоды циклов.
• Шумы и помехи: Тот факт, что SSR не генерируют шум, может быть очевидным преимуществом в местах с высокой чувствительностью к шуму, например, в медицинских центрах или интеллектуальных зданиях. Что еще более важно, отсутствие дуги в контактах также означает, что SSR создают очень малое количество электромагнитных (EMI) и радиочастотных (RFI) помех. ЭМП создают сильные электрические помехи, которые можно назвать искрами, возникающими при соприкосновении ЭМП с чувствительной электроникой. Это необходимо там, где нужно работать с электрочувствительным оборудованием.
• Долговечность: SSR заключены в эпоксидную смолу, что делает их очень устойчивыми к ударам и вибрации. EMR, с его точно отрегулированными механическими частями, саморазрушается или дребезжит, когда находится в идентичных условиях окружающей среды, например, в системах промышленной вентиляции.
• Компромиссы: SSR не являются идеальными выключателями. Выходные полупроводниковые приборы имеют небольшое внутреннее сопротивление, что приводит к небольшому падению напряжения при включении. Эта потеря превращается в тепло, которое пропорционально току, протекающему через нагрузку (P = Vdrop Iload). В результате SSR иногда нуждаются в теплоотводе для отвода этой тепловой энергии, чтобы избежать перегрева. Для сравнения, у ЭМР замкнутые металлические контакты практически нулевые, и они выделяют минимум тепла. Более того, ток утечки при выключенном SSR может быть очень низким, никогда не являясь фактически нулевым, в то время как выключенный EMR можно рассматривать как воздушный зазор с фактически бесконечным сопротивлением.

AC vs. DC: понимание различных типов SSR

Первым фактором при выборе SSR является тип нагрузки, которая будет работать. Твердотельные реле имеют специфическую конструкцию, рассчитанную на переменный или постоянный ток, и внутренняя схема токового выхода по сути отличается.

Твердотельные реле переменного тока

Наиболее популярным типом являются SSR переменного тока, предназначенные для переключения сетевого напряжения (например, 120 В, 240 В, 480 В переменного тока). Как уже говорилось, в качестве выходного переключателя в них используется либо TRIAC, либо двойной SCR, включенный встык. Большое внимание во многих SSR переменного тока уделяется обнаружению пересечения нуля. Реле с переходом через ноль имеет внутреннюю схему, которая отслеживает, когда синусоида переменного тока пересекает точку нулевого напряжения, прежде чем включить или выключить выход.

• Преимущество нулевого пересечения: Преимущество перехода через ноль Переключение тяжелой нагрузки переменного тока на гребне волны синусоидального напряжения может вызвать бросок огромного тока с высоким уровнем радиочастотных помех. Таким образом, простое переключение в точке нулевого напряжения происходит гораздо плавнее. Это значительно снижает нагрузку (особенно на лампы накаливания и емкостные нагрузки), а генерируемые электрические шумы сводятся к минимуму. Это, как правило, поведение по умолчанию для большинства резистивных нагрузок, таких как обогреватели и лампы. И наоборот, некоторые SSR позволяют переключаться в середине пика синусоиды при использовании с индуктивными нагрузками, где это выгодно.

Твердотельные реле постоянного тока

Устройства постоянного тока оптимизированы для коммутации нагрузки постоянного тока, которая встречается в основном в системах с батарейным питанием, автомобилях и для управления двигателями постоянного тока или соленоидами. В них используются переключающие элементы, такие как силовые транзисторы (например, MOSFET или IGBT). По сравнению с TRIAC, который выключается при переходе через ноль переменного тока, MOSFET - это скорее чистый и мгновенный соленоид. Он включается при подаче управляющего сигнала и мгновенно выключается, как только сигнал снимается. Это позволяет поддерживать очень высокую частоту переключения и широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) нагрузок постоянного тока для изменения скорости или яркости свечения. Обратная ЭДС также является типом обратного напряжения, которое, если не защищено, может разрушить реле при управлении двигателями.

Другие ключевые классификации

Помимо различия AC/DC, SSR также подразделяются на категории:

Тип переключения:

• Нулевое пересечение: Для большинства распространенных приложений переменного тока (резистивные нагрузки).
• Произвольное включение (или мгновенное): Эти реле переменного тока включаются сразу после подачи управляющего сигнала, независимо от расположения формы волны переменного тока. Они необходимы для управления индуктивными нагрузками (например, двигателями и трансформаторами), а также там, где желательно точное управление фазами.
• Пиковое включение: эти реле переменного тока включаются на пике синусоиды переменного тока и поэтому очень хорошо подходят для нагрузок с высокой индуктивностью, где необходимо контролировать пусковой ток.

Стиль крепления:

• Панельное крепление: Это более тяжелые так называемые устройства, которые устанавливаются либо на шасси, либо на радиатор. Они применяются для коммутации больших токов (обычно от 10A до 100A+), которые часто указываются в амперах.
• Монтаж на печатную плату: Они могут быть меньше, часто выполнены в формате “Single In-line Package” (SIP) или “Dual In-line Package” (DIP) и могут быть припаяны непосредственно к печатной плате, чтобы коммутировать меньшие токи, используя меньшие клеммы реле.

Когда использовать SSR: Преимущества и области применения

Уникальные характеристики твердотельных реле делают их превосходными в широком спектре применений, где электромеханические реле неприменимы. Необходимость в высокой надежности, быстром переключении, низком уровне шума и точности является движущим фактором при использовании SSR.

Вот несколько наиболее распространенных вариантов применения:

• Промышленное отопление и контроль температуры: Это традиционное применение SSR. Точная температура должна контролироваться в промышленных печах, машинах для литья пластмасс и обработки полупроводников. SSR позволяют ПИД-регулятору включать или выключать нагревательный элемент достаточно часто (метод, известный как пропорционирование по времени), что обеспечивает невероятно стабильный контроль нагревательного элемента, который невозможно контролировать с помощью медленно изнашивающегося ЭМР.
• Управление освещением: SSR используются для управления крупномасштабными театральными и архитектурными системами освещения, где требуется бесшумная и звуковая работа. Они идеально подходят для борьбы с высоким пусковым током ламп накаливания или светодиодных ламп, а способность к быстрому переключению делает их идеальными для небольших зданий, а эффект отсутствия мерцания подходит для диммирования.
• Медицинское оборудование: В медицинском оборудовании, предназначенном для пациентов, тишина необходима для комфорта и уверенности. Кроме того, SSR обладают высокой надежностью (гораздо большей, чем реле) и практически не создают электромагнитных помех, что крайне важно для безопасной работы такого чувствительного оборудования, как диализные машины или инкубаторы, не нарушая работу другого чувствительного контрольного оборудования.
• Промышленная автоматизация (выходы ПЛК): При автоматизации заводов программируемые логические контроллеры (ПЛК) могут потребовать управления такими механизмами и устройствами, как двигатели, соленоиды, клапаны и приводы. Использование SSRs в качестве интерфейса между низковольтными выходами ПЛК и мощными механизмами гарантирует длительный срок службы без технического обслуживания в условиях высокой вибрации и электрического шума на заводе.
• Умные дома и техника: Приборы, которые являются интеллектуальными и управляются из дома, действительно идеально подходят для SSR на печатной плате из-за их бесшумного характера работы и размера, который не будет вызывать раздражающий звук механического реле.

Как выбрать подходящий УСБ для вашего проекта

Правильный выбор реле SSR - это не просто согласование напряжения и тока по импедансу; чтобы реле было безопасным, надежным и хорошо работало, оно должно быть тщательно спланировано. Неправильная настройка одного из основных параметров может привести к преждевременному выходу реле из строя или снижению управляющей нагрузки. Вот ключевые моменты, которые необходимо учитывать:

1. Тип нагрузки (переменный или постоянный ток): Первое и главное решение - определить, какой тип нагрузки будет использоваться. Вы должны подобрать реле к нагрузке, как объяснялось ранее. Применение SSR постоянного тока на нагрузке переменного тока или обоих типов не сработает.
2. Рабочее напряжение: При использовании 3-фазного питания выбирайте УСБ с численно высоким максимальным рабочим напряжением, чтобы обеспечить запас прочности по отношению к номинальному напряжению сети против скачков напряжения, переходных процессов и утечки тока полупроводниковых электродов-теплообменников. Типичный и безопасный выбор SSR - это SSR с номинальным напряжением 480 или 600 В для сети переменного тока 240 В.
3. Максимальный ток нагрузки и номинальные значения: Номинальный ток рассчитан на температуру окружающей среды (например, 25 o C). Но при высокой температуре допустимый ток SSR уменьшается. Это называется снижением номинала. Вам нужно скачать технический паспорт производителя реле, найти кривую снижения мощности и выбрать реле с номинальным током, который будет комфортно больше, чем верхний предел тока нагрузки при температурах, при которых вы, вероятно, будете использовать оборудование (можно предположить, что вы собираетесь оснастить оборудование вентилятором для удаления горячего воздуха). Правилом большого пальца является выбор SSR с номинальным током, который составляет не менее 50 процентов от установившегося тока вашей нагрузки.
4. Требование к радиатору: Все SSR, работающие на токе свыше нескольких ампер, нагреваются и нуждаются в средствах для отвода тепла. Тепловое сопротивление устройства указано в техническом паспорте (в С/Вт). Необходимо выбрать подходящий теплоотвод и убедиться, что температура внутреннего спая не превышает максимально допустимую для SSR (максимальный предел обычно составляет 125C). Недостаточное использование теплоотвода является наиболее частой причиной выхода SSR из строя.
5. Напряжение управляющего сигнала: Убедитесь, что управляющее напряжение, обеспечиваемое вашей логической схемой (например, 5 В от Arduino, 24 В от ПЛК), находится в пределах заданного диапазона входного сигнала SSR (например, 3-32 В постоянного тока).
6. Тип переключения (нулевое пересечение против случайного): При использовании SSR с логической схемой (например, Arduino, PLC), убедитесь, что управляющее напряжение находится в пределах заявленных входных пределов (например, 3-32 В DC) SSR.

Оценив эти параметры с помощью тщательно подобранного подхода в соответствии с техническим паспортом, предоставленным производителем, вы обязательно интегрируете SSR в свое приложение для работы с долгим и впечатляющим сроком службы.

Ваш партнер для надежного контроля: OMCH

Первая половина уравнения заключается в том, чтобы найти подходящий SSR, когда вы основываетесь на технических характеристиках. Вторая половина, которая также имеет принципиальное значение, заключается в том, чтобы получить ту деталь от поставщика, который обеспечит качество, оригинальность и функциональность. В заводских условиях выход из строя компонента не только доставит неудобства, но и может привести к дорогостоящему простою, потере производства и риску для безопасности. Ваша система надежна настолько, насколько надежна ее самая слабая часть.

ОМЧ (https://www.omch.com/), являясь лидером на рынке промышленной автоматизации и электрических компонентов, понимает, что точные реле имеют решающее значение для бизнеса. Мы предлагаем полную линейку производительных и долговечных твердотельных реле. Вы можете ознакомиться с полным ассортиментом твердотельных реле OMCH на сайте: https://www.omch.com/relay/. В нашей команде мы не только продаем запчасти. Мы предлагаем решения, чтобы вы получили лучший SSR, который подходит для работы, который выполняет ваши требования по надежности и эффективности. Работая с поставщиком высокого уровня, инженер получает гарантию того, что все элементы сертифицированы и имеют полную прослеживаемость, а также техническую поддержку.