Подключение твердотельного реле

Твердотельные реле. Схемы подключения

Схемы подключения твердотельных реле

В этой статье обсудим схемы подключения твердотельными реле (ТТР), и способы управления ими.

Напоминаю, для тех кто не в курсе – что такое твердотельное реле и как оно работает – обратитесь к более старой моей статье О принципах работы твердотельных реле.

Схемы включения подобных реле не очень сложны, но, как и везде, есть свои особенности.

Твердотелки – надо ли их использовать?

Для начала рассмотрим также целесообразность применения таких реле. Например, реальный случай:

У нас на предприятии на одном станке стоят соленоидные клапаны с питанием 24VDC 2А. Эти два клапана соединены параллельно, и включаются-выключаются с частотой примерно 1 раз в секунду. Питание идёт через реле. И, несмотря на то, что номинальный ток реле 10А индуктивной нагрузки, приходилось менять его каждый месяц-два. Поставили мы твердотелку – и забыли, работает без шума и проблем уже два года.

Другой случай, когда такие реле не нужны:

Простейший контроллер температуры, точность поддержания не существенна. Нагрузка – ТЭНы, работают в воде круглосуточно. Чаще, чем раз в год, один из ТЭНов замыкает или коротит на корпус. Здесь большая вероятность того, что ТТР выгорит, так как они очень чувствительны к перегрузкам.

О перегрузках и защите твердотельных реле будет подробно сказано ниже, а в данном случае целесообразно применить обычный контактор, который прекрасно справляется с перегрузкой и стоит в 10 раз дешевле.

Поэтому, за модой гнаться не стоит, а лучше применить трезвый расчет. Расчет по току и по финансам.

Если кому-то придёт в голову, можно кнопкой звонка или герконом запускать двигатель мощностью 10 кВт! Но не так всё просто, подробности будут ниже.

Различия схем включения реле

По виду подключения твердотельные реле можно разделить на следующие категории:

По управлению (виду входного управляющего сигнала):

• постоянное напряжение (встречается чаще всего),
• переменное напряжение,
• постоянный ток 4-20 мА,
• переменный резистор.

По виду коммутируемого тока

• твердотельные реле переменного тока
• твердотельные реле постоянного тока

По количеству фаз

• одна фаза
• три фазы (как правило, фактически это две фазы)

В любом случае, для выбора ТТР и его схемы включения нужно руководствоваться мануалами на данное реле.

Кстати, рекомендую мою статью про трехфазное и однофазное напряжение. Терминология и отличия разжеваны не пальцах)))

Схемы подключения твердотельных реле

Теперь рассмотрим подключение твердотельного реле подробнее.

Управление твердотельными реле схемотехнически такое же, как и у обычного реле. Ниже упрощенно показана схема включения реле переменного тока с сигналом управления 24В постоянного тока:

Схема включения твердотельного реле

Схема показана для реле, у которого управляющее напряжение постоянное, от 5 до 24 Вольт. Данное реле может коммутировать переменное напряжение до 240 Вольт, ток до 20 А.

С током не всё так просто, но об этом ниже.

Как работает схема. На вход (контакты 3 и 4, соблюдать полярность!) подается управляющее напряжение от источника 24В. Подается оно через цепь управления, которая представлена как НО контакт. Этим контактом может быть и обычное реле, и выход контроллера, и датчик с релейным выходом или транзисторным выходом типа PNP.

Про НО контакты и PNP выходы датчиков я подробно написал в этой статье. Очень рекомендую!

Ещё раз напоминаю –

НЗ – это закрытые (замкнутые) контакты, через которые в нормальном положении (без активации управляющим сигналом) течёт ток.

НО – это открытые (незамкнутые) контакты, через которые в нормальном положении (без активации управляющим сигналом) ток не течёт.

Условные выходные контакты ТТР также будут НО, т.к. без активации цепи управления нагрузка выключена.

Теперь подробнее по управлению твердотелками.

Схемы с управлением от транзистора

Здесь транзистор может быть выходом любого полупроводникового прибора – датчика приближения, контроллера, и т.п.

Управление транзистором PNP, НО реле

Скажу, что со схемами управления, которые я взял из фирменных инструкций, полная путаница. Можете сами разобраться, а я расскажу своё мнение.

Управление транзистором PNP, НО реле

Под “нормально открытым контактом” (читали, что это, ссылку я давал выше?) подразумевается, что без управляющего напряжения (на базе транзистора) твердотельное реле не пропускает ток. Напряжение между входными контактами 3 и 4 близко к нулю, реле выключено. При подаче входного управляющего напряжения на базу транзистора (например, +5В), транзистор открывается и плюс подается на вход 3. Реле открывается, нагрузка получает питание.

Управление транзистором NPN, НЗ реле

Управление транзистором NPN, НЗ реле

Когда транзистор закрыт (не активен), на управляющий вход твердотельного реле подается напряжение, нагрузка под напряжением.

Управление транзистором NPN, НО реле

Когда транзистор закрыт (не активен), на управляющий вход твердотельного реле подается напряжение, близкое к нулю, и нагрузка без напряжения.

Управление резистором

Плавно подходим к переменному току.

Управление переменным резистором

Не путать переменный ток и переменный резистор! В данном случае твердотельное реле фактически является диммером, который изменяет скважность выходного напряжения для нагрузки, которая приспособлена для этого. Такие реле – только с коммутацией переменного тока, и включаются/выключаются 100 раз в секунду.

Схема с фиксацией и управлением кнопками (защелка)

Управление твердотельным реле с фиксацией включения

Схема включения интересна тем, что можно включать – выключать нагрузку, используя только две кнопки – Пуск и Стоп. То есть, схема такая же, как и при использовании обычного реле. Точнее, магнитного пускателя. Важно, что управляющее напряжение равно напряжению питания нагрузки.

Схема нарисована тайваньскими инженерами, попробуем разобраться в ней.

Кстати, её же можно использовать для коммутации и переменного, и постоянного тока.

Схема работает таким образом. Исходно управляющее напряжение поступает на клемму 3 ТТР с источника питания через НЗ контакты кнопки Стоп. При нажатии кнопки Пуск (слева на схеме) напряжение с другого полюса источника поступает через НО контакты на клемму 4 ТТР. Реле включается, напряжение на клемме 1 появляется, и подается через резистор (вверху схемы) на клемму 4. Прошла доля секунды, кнопку Пуск можно отпускать, нагрузка питается до тех пор, пока не будет нажата кнопка Стоп.

Схемы включения трехфазных твердотельных реле

Трехфазное твердотельное реле, схемы подключения.

Тут источник трехфазного напряжения – справа по схемам, нагрузка – слева. Управляющее напряжение может быть любым (переменным или постоянным).

Кроме того, коммутация может быть как по двум фазам, так и по трём, это важно! Подробнее ниже.

Реверсивные твердотельные реле

Существуют также специальные трехфазные твердотельные реле для реверса двигателей, у которых два управляющих входа.

Пример включения трехфазного реле – на фото ниже:

Включение трехфазного твердотельного реле

Как видно, реле не совсем трехфазное, одна фаза подается на двигатель постоянно, что может стать причиной опасности.

Та же особенность бывает в устройствах плавного пуска.

На корпусе реле напечатана его схема включения, где всё понятно. Реле реверсивное, и у него два входа – Forward и Reverse (Вперёд/Назад). Для реверса фазы L1 и L2 меняются местами.

Важно – внутри реле нет блокировки от одновременного включения в обоих направлениях, и ее надо обеспечить аппаратно (блокировочные контакты кнопок/реле) и программно (если управление – от контроллера). Если это не предусмотреть, то вероятна ситуация, когда силовые выходы 1, 2, 3, 4 будут замкнуты накоротко 🙁 .

Выбор твердотельных реле, защита и особенности работы

Обычное реле и контактор без особых проблем выдерживают кратковременные перегрузки до 150 и даже 200% от номинала. Особенно, если не коммутировать нагрузку с таким током, а повышать ток после замыкания, и понижать перед размыканием.

Обычные контакты могут выдержать и кратковременный ток КЗ, если сработает защита с правильной уставкой тока. Просто, возможно, придётся потом контакты почистить.

Твердотельные реле от перегрузок страдают сильнее, за пол периода портятся безвозвратно, и контакты потом не почистить, из-за отсутствия таковых.

Это как в звукотехнике. Ламповая техника при перегрузках чувствует себя нормально, только слегка “потеет”, а транзисторы начинают жутко искажать сигнал и могут выйти из строя. За это до сих пор так ценятся ламповые усилители, за их мягкий, бархатный звук на предельных мощностях. Другое дело, что источников качественного сигнала сейчас практически нет, всё заполонил mp3 128kbps, и то в лучшем случае. Но это тема отдельной статьи…

Если при выборе контактора достаточно выбрать запас в 10-20% и защитить его обычным автоматом, то с твердотельными устройствами всё сложнее.

Поэтому для твердотельных реле рекомендуется для активной нагрузки (лампы, ТЭНы) запас по номинальному току в 2-4 раза. При пуске асинхронных двигателей из-за большого пускового тока запас по току нужно увеличить до 6-10 раз.

То есть, трехфазная твердотелка Fotek TSR-40AA-H на 40А, показанная на фото чуть выше, на своих 40 амперах работать вряд ли будет. Мощность двигателя, которую можно коммутировать в данном случае – от 2,2 кВт до 5 кВт. Причём двигатель 5 кВт (это около 10А) должен запускаться обязательно на холостом ходу, с минимальным пусковым моментом, а нагрузку к нему прикладывать можно после пуска и разгона.

Кстати, с индуктивной нагрузкой твердотельные реле могут вести себя неадекватно, у меня бывали проблемы. В случае высокоиндуктивных нагрузок (трансформаторы, катушки с магнитопроводами, электрические звонки, и т.п.) нужно параллельно нагрузке включать RC-цепь (снабберную цепь из последовательных резистора и конденсатора) для уменьшения влияния противо-ЭДС. Кроме того, эта цепь уменьшает общую индуктивность нагрузки, т.е. делает её более активной. И ТТР легче работать.

Напоследок – защита при КЗ

Производители рекомендуют использовать специальные предохранители для твердотельных приборов:

• gR – предохранители для всего диапазона рабочих токов, для защиты полупроводниковых элементов(более быстродействующие , чем gS)
• gS – предохранители для всего диапазона рабочих токов, для защиты полупроводниковых элементов, при повышенной загрузке линии.
• aR – предохранители для всего диапазона рабочих токов, для защиты полупроводниковых элементов от короткого замыкания.

Такие предохранители стоят дорого (сравнимы со стоимостью самого твердотельного реле), поэтому в большинстве случаев можно использовать защитные автоматы класса В. Чем же они хороши и как они спасут наши твердотельные реле от выгорания при КЗ?

Напомню, в 99% везде встречаются автоматы класса С. Класс D ставят в качестве вводных рубильников и при больших пусковых токах (мощные двигатели, трансформаторы). А класс В – самый чувствительный, срабатывает раньше всех.

Рекомендую почитать мою жарко-летнюю статью по выбору и замене защитных автоматов.

Кстати, гуру электрики и электропроводки, cs-cs.net, предлагает дома ставить автоматы только В класса. И некоторые производители – рекомендуют ставить В класс на электроплиты, водонагреватели – туда, где нет двигателей и пусковых токов.

Почему – поясню на графике.

Кривые отключения или токо-временные характеристики

Подробно про выбор защитного автомата рассказано в другой статье.

Но мы вернёмся к нашему трехфазному твердотельному реле Fotek TSR-40AA-H на 40А, про которое я писал выше. Чтобы его гарантированно защитить от КЗ, надо обязательно поставить вот такой автомат:

Автомат с характеристикой В6 (обведено красным)

Он мгновенно сработает при токе 20…30 Ампер и спасет твердотелку. А от перегруза надо будет поставить мотор-автомат на ток 4-6,3 А. И это всё будет питать двигатель на 2,2 кВт, лучше меньше. Либо ТЭН, тогда мотор-автомат не нужен.

Пишите в комментариях, у кого какой опыт по применению!

Полезные файлы, возможно, написано информативнее, чем у меня:

• Твердотельные реле Фотек / Твердотельные реле Фотек. Руководство пользователя. Рассмотрена вся линейка Fotek, даны рекомендации по применению и схемы включения., pdf, 757.78 kB, скачан: 3354 раз./
• Твердотельные реле – устройство и принцип работы / Подробно изложено, как устроены и работают твердотельные реле, приведены схемы включения, и т.п. Автор, отзовись!, pdf, 414.19 kB, скачан: 3768 раз./

Где купить твердотельные реле

Если вы живете в крупном городе, то лучше конечно поехать в ближайший магазин – и через час реле можно устанавливать. Но, например, у меня в Таганроге такие реле – только под заказ, и купить их можно только через фирмы в Ростове.

Поэтому, на сегодняшний день лучший вариант – покупать твердотельные реле в интернете, через АлиЭкспресс. Цены примерно те же, но минус в том, что доставка может быть около месяца.

Твердотельное реле

Что такое твердотельное реле

Твердотельное реле (ТТР) или в буржуйском варианте Solid State Relay (SSR) – это особый вид реле, которые выполняют те же самые функции, что и электромагнитное реле, но имеет другую начинку, состоящую из полупроводниковых радиоэлементов, которые имеют своем составе силовые ключи на тиристорах, симисторах или мощных транзисторах.

Виды твердотельных реле

Выглядеть ТТР могут по-разному. Ниже на фото слаботочные реле

Такие релe используются в печатных платах и предназначены для коммутации (переключения) малого тока и напряжения.

На ТТР строят также сразу готовые модули входов-выходов, которые используются в промышленной автоматике

А вот так выглядят реле, используемые в силовой электронике, то есть в электронике, которая коммутирует большую силу тока. Такие реле используется в промышленности в блоках управления станков ЧПУ и других промышленных установках

Слева однофазное реле, справа трехфазное.

Если через коммутируемые контакты силовых реле будет проходить приличный ток, то корпус реле будет очень сильно греться. Поэтому, чтобы реле не перегревались и не выходили из строя, их ставят на радиаторы, которые рассеивают тепло в окружающее пространство.

Твердотельные реле по типу управления

ТТР могут управляться с помощью:

1) Постоянного тока. Его диапазон составляет от 3 и до 32 Вольт.

2) Переменного тока. Диапазон переменного тока составляет от 90 и до 250 Вольт. То есть такими реле можно спокойно управлять с помощью сетевого напряжения 220 В.

3) С помощью переменного резистора. Значение переменного резистора может быть в диапазоне от 400 и до 600 Килоом.

Твердотельные реле по типу переключения

С коммутацией перехода через ноль

Посмотрите внимательно на диаграмму

Такие ТТР на выходе коммутируют переменный ток. Как вы здесь можете заметить, когда мы подаем на вход такого реле постоянное напряжение, у нас коммутация на выходе происходит не сразу, а только тогда, когда переменный ток достигнет нуля. Выключение происходит подобным образом.

Для чего это делается? Для того, чтобы уменьшить влияние помех на нагрузках и уменьшить импульсный бросок тока, который может привести к выходу нагрузки из строя, если тем более нагрузкой будет являться схема на полупроводниковых радиоэлементах.

Схема подключения и внутреннее строение такого ТТР выглядит примерно вот так:

управление постоянным током управление переменным током

Мгновенного включения

Здесь все намного проще. Такое реле сразу начинает коммутировать нагрузку при появлении на нем управляющего напряжения. На диаграмме видно, что выходное напряжение появилось сразу, как только мы подали управляющее напряжение на вход. Когда мы уже снимаем управляющее напряжение, реле выключается также, как и ТТР с контролем перехода через ноль.

В чем минус данного ТТР? При подаче на вход управляющего напряжения, у нас на выходе могут возникнуть броски тока, а в следствии и электромагнитные помехи. Поэтому, данный тип реле не рекомендуется использовать в радиоэлектронных устройствах, где есть шины передачи данных, так как в этом случае помехи могут существенно помешать передаче информационных сигналов.

Внутреннее строение ТТР и схема подключения нагрузки выглядят примерно вот так:

С фазовым управлением

Здесь все намного проще. Меняя значение сопротивления, мы тем самым меняем мощность на нагрузке.

Примерная схема подключения выглядит вот так:

Работа твердотельного реле

В гостях у нас ТТР фирмы FOTEK:

Давайте разберемся с его обозначениями. Вот небольшая табличка-подсказка для этих типов реле

Давайте еще раз взглянем на наше ТТР

SSR – это значит однофазное твердотельное реле.

40 – это на какую максимальную силу тока она рассчитана. Измеряется в Амперах и в данном случае составляет 40 Ампер.

D – тип управляющего сигнала. От значения Direct Current – что с буржуйского – постоянный ток. Управление ведется постоянным током от 3 и до 32 Вольт. Этого диапазона хватит самому заядлому разработчику радиоэлектронной аппаратуры. Для особо непонятливых даже написано Input, показан диапазон и фазировка напряжения. Как вы видите, на контакт №3 мы подаем “плюс”, а на №4 мы подаем “минус”.

А – тип коммутируемого напряжения. Alternative current – переменный ток. Цепляемся в этом случае к выводам №1 и №2. Можем коммутировать диапазон от 24 и до 380 Вольт переменного напряжения.

Для опыта нам понадобится лампа накаливания на 220 Вольт и простая вилка со шнуром. Соединяем лампу со шнуром только в одном месте:

В разрыв вставляем наше твердотельное реле

Втыкаем вилку в розетку и…

Нет… не хочет… Чего-то не хватает…

Не хватает управляющего напряжения! Выводим напряжение от Блока питания от 3 и до 32 Вольт постоянного напряжения. В данном случае я взял 5 Вольт. Подаю на управляющие контакты и…

О чудо! Лампочка загорелась! Это значит, что контакт №1 замкнулся с контактом №2. О срабатывании реле нам также говорит и светодиод на корпусе самого реле.

Интересно, какую силу тока потребляют управляющие контакты реле? Итак, имеем на блоке 5 Вольт.

А сила тока получилась 11,7 миллиампер! Можно управлять хоть микроконтроллером!

Плюсы и минусы твердотельного реле

Плюсы

• включение и выключение цепей без электромагнитных помех
• высокое быстродействие
• отсутствие шума и дребезга контактов
• продолжительный период работы (свыше МИЛЛИАРДА срабатываний)
• возможность работы во взрывоопасной среде, так как нет дугового разряда
• низкое энергопотребление (на 95% (!) меньше, чем у обычных реле)
• надёжная изоляция между входными и коммутируемыми цепями
• компактная герметичная конструкция, стойкая к вибрации и ударным нагрузкам
• небольшие размеры и хорошая теплоотдача (если конечно использовать термопасту и хороший радиатор)

Минусы:

• дороговизна

Быстрая настройка и подключение терморегуляторов REX-C100, REX-C400, REX-C700, REX-C900

Быстрая настройка и подключение REX-C100, REX-C400, REX-C700, REX-C900

Для подключения понадобится:

1) Твердотельное реле (SSR-xxDA, в нашем примере SSR-25DA);

2) Датчик температуры (термопара типа К);

3) Соединительные провода;

4) Нагрузка (нагреватель);

5) Сеть AC 220V.

Все подключения осуществляем согласно схеме, изображенной на терморегуляторе:

Подключим датчик температуры, соблюдая полярность:

Минус подключается к разъему №9

Плюс подключается к разъему №10

Подключим управляющий выход терморегулятора REX-C100 к твердотельное реле SSR-25DA:

Соединительным проводом соблюдая полярность соединяем управляющие разъемы твердотельного реле и разъемы управления на терморегуляторе.

Разъем №4 – плюс,

разъем №5 – минус.

Далее подключаем нагрузку (нагреватель) и питание:

Нагрузка в нашем случае питается от 220V, так же как и терморегулятор.

Подключаем нагрузку через реле, для этого один провод с нагрузки подключаем к коммутируемому выходу реле. Второй провод подключаем к разъему №1 терморегулятора:

ВАЖНО: Перед подключением 220V, убедиться в отсутствии напряжения . Затем подключим питание 220V и второй выход реле:

Питание терморегулятора подключается к разъемам №1, №2.

Второй выход с реле к разъему №2 терморегулятора.

На этом подключение завершено.

Настройка

Температура уставки.

На верхнем дисплее — PV отображается текущая температура,

На нижнем дисплее – SV отображается температура уставки (температура которую нужно поддерживать)

Настройка температуры уставки:

1) Нажать кнопку SET, дисплей SV начнёт мерцать, подсвечивая только изменяемую цифру.

2) Кнопками “вверх”, “вниз”, “влево” меняем значение.

Настройка типа датчика температуры.

Для настройки типа датчика температуры:

1) Удерживать одновременно кнопку SET и “влево” 3-5 секунд до попадания в меню COD;

2) Установить значение COD=0000;

3) Нажать кнопку SET 1 раз;

4) Установится параметр SL – 1

5) Изменить значение SL – 1 в соответствии с таблицей и типом подключаемого датчика:

Если требуется установить приделы диапазона уставки регулирования (или изменить настройку по умолчанию). Например, вы управляете электрокотлом и нужно ограничить диапазон регулирования от 20 до 90 градусов, чтобы не разморозить или перегреть систему отопления по ошибке. Необходимо установить приделы регулирования. Установка верхнего предела температуры уставки.

Для установки верхнего предела температуры уставки:

1) Удерживать одновременно кнопку SET и “влево” 3-5 секунд до попадания в меню COD;

2) Установить значение COD=0001

3) Нажать кнопку SET 1 раз

4) Выбрать пункт SLH и установить необходимую температуру

Для установки нижнего придела необходимо выполнить аналогичные действия для параметра SLL.

Включение автонастройки ПИД-параметров. ВАЖНО: перед включением режима автонастройки, терморегулятор должен быть подключен к объекту регулирования. Автонастройка измеряет, параметры объекта и автоматически подстраивает коэффициенты регулирования.

Для включения автонастройки нужно:

1) Зажать кнопку SET на 3-5 сек

2) Перейдя в меню нажимать кнопку SET, выбрать пункт ARU

3) Установить значение ARU=1

4) Зажать кнопку SET на 3-5 сек для сохранения параметров

5) Индикатор AT начнёт мигать – терморегулятор в режиме автонастройки

6) Когда автонастройка закончена, индикатор АТ потухнет.

Время автонастройки зависит от инерционности объекта регулирования и мощности нагревателя. Терморегулятор произведет 3-5 цикла нагрева, после этого автонастройка будет завершена.

Настройка закончена, основные параметры для работы были установлены.

Более подробно можно посмотреть на видео:

Управления нагрузкой электрических котлов отопления: реле нагрузки, реле приоритета, переключатели нагрузок

Вступление

Электрические котлы отопления энергоёмки и значительно влияют на потребляемую мощность всей квартиры или дома. Чтобы работа котла не нарушила работу других бытовых приборов и не превысила максимальную выделенную мощность дома, существуют специальные приборы управления нагрузкой электрических котлов отопления.

Общий принцип работы управления нагрузкой электрических котлов отопления

Стандартная выделяемая мощность для частного дома, редко превышает 5-5,5 кВт. Этого достаточно для работы стандартных бытовых приборов (чайника, стиральной машины, электроплиты и т.д.), но будет недостаточным, если для отопления использовать электрический котел.

Однако, во-первых, котел отопления работает не круглый год, во-вторых, большинство энергоёмких бытовых приборов работают непродолжительное время. Всё это позволяет предположить, что разумное управление нагрузкой позволит использовать электрокотел отопления без выделения дополнительных мощностей.

Для управления нагрузкой электрических котлов отопления выпускается ряд приборов, которые в автоматическом режиме позволяют организовать работу электрической сети дома (квартиры).

Типы приборов для управления нагрузкой

Приборы для управления нагрузкой, в частности в доме с электрическим котлом отопления, можно разделить на следующие группы:

• Реле управления нагрузок;
• Переключатели по приоритету;
• Реле нагрузки электрических котлов.

Реле управления нагрузками

Данный тип прибора ставится между вводным автоматом защиты и нагрузкой. В постоянном режиме прибор следит за общей нагрузкой сети, сравнивая её с установленным максимумом. Если нагрузка превышает допустимое значение, прибор самостоятельно отключает менее приоритетные электрические цепи, оставляя работать цепи более приоритетные.

Простой пример. В доме три групповые цепи:

• Группа 1 силовых розеток в комнатах и свет;
• Группа 2, розетки силовой нагрузки электрическая плита, чайники, утюг, может быть бойлер кухни, а также розетки подсобных помещений;
• Группа 3, котел отопления.

Каждая группа электропроводки становится приоритетом в любом выбранном порядке. Далее, каждая группа подключается к клеммам реле управления нагрузками в порядке выбранного приоритета. Если общая мощность подключенных приборов превысит максимально допустимую, то реле отключит менее приоритетную группу и позволит работать более приоритетной.

Примерами реле управления нагрузок:

• Реле управления нагрузкой ABB LSS1/2,
• Реле откл. не приоритетных нагрузок Legrand0038,
• Реле нагрузок CDS Schneider Electric;
• РПН-1 компании Меандр.

Переключатели по приоритету

Данные приборы НЕ следят за суммарной мощностью сети. Они просто, отключают неприоритетные цепи, когда включаются приоритетные. Например, если котел отопления приоритетная цепь, при его включении отключатся силовые розетки комнат или кухни.

Примеры переключателей по приоритету:

• Siemens N5TT6 101- 103,
• ABB E450,
• Stiebel Eltron LR1-A.

Реле нагрузки электрических котлов

Это специальные устройства выпускаемые производителями котлов отопления для своих котлов. Например, реле HJ 103Т для котлов Therm. Это реле следит за общей мощностью сети дома, и в случае её завышения, Не отключает приоритетные цепи, а регулирует мощность котла отопления, обычно ступенями.

Еще раз повторюсь, эти реле работают только со «своими» котлами отопления, на которых есть клеммы для их подключения.

Общий принцип подключения приборов управления нагрузкой

Реле, следящие за общей нагрузкой сети, подключатся после вводного автомата защиты и нагрузками.

Переключатели по приоритету включаются между основной и неосновной нагрузками.

Реле HJ 103Т котлов Therm монтируется на ДИН-рейку. По ширине это 6 модулей. Ставится реле после входного автомата защиты. Для подключения есть клеммы L1, L2 и L3. На котле есть контакты 5, 6, 7.

Контакты котла 3 и 4 подключаются к пусковому реле, отключающему еще одну нагрузку, работающую с котлом, например, бойлер. Контакты 1, 2 это фаза и ноль, идущие от вводного автомата.

Твердотельное реле или электромагнитный контактор. Что выбрать?

С появлением полупроводниковых (твердотельных) реле, нередко стало озвучиваться мнение, что дни обычных электромеханических реле сочтены, что их удельный вес в общем объеме выпускаемых радиоэлектронных компонентов сойдет на нет и вскорости они совершенно исчезнут. Чтобы понять так это или нет и почему казалось бы устаревшие электромеханиче реле по прежнему широко используются необходимо разобраться, в чем функциональное сходство, а в чем различие тех и других.

Особенности электромагнитных реле

Электромагнитное нейтральное реле – это самый старый по происхождению, самый простой и самый распространенный тип реле. Магнитная система обычных низковольтных ЭМ реле включает в себя, прежде всего, обмотку управления, выполненную в виде катушки с изолированным проводом, магнитопровод, ярмо и подвижный якорь. Она служит для преобразования электрического тока входного сигнала в механическое перемещение якоря, необходимое для переключения контактов.

С энергией механического перемещения якоря связана крайне важная техническая характеристика любого ЭМ реле. Речь идет о коэффициенте возврата, который равен отношению напряжения (тока) притяжения якоря к напряжению (току) его отпускания. Совершенно естественно, что величины напряжения (тока) притяжения якоря и напряжения (тока) отпускания якоря реле не могут быть равными, так как энергия, затрачиваемая на механическое перемещение якоря, всегда больше энергии его удержания, и зависит она напрямую от конструкции и массы магнитопровода, якоря, зазора между ними в обесточенном состоянии и еще некоторых второстепенных факторов.

Контактная система, как указывалось выше, преобразовывает сообщенную ей механическую энергию в коммутацию цепей электрических сигналов.

Контактная пара реле обладает уникальными электрическими характеристиками, не воспроизводимыми в полном объеме ни одним элементом твердотельной электроники. Основные из них – возможность коммутации цепей, работающих как на переменном, так и на постоянном токе, крайне малое переходное сопротивление замкнутых контактов (десятые и сотые доли Ом), высокое электрическое сопротивление изоляции между управляющими и исполнительными цепями. Необходимо уточнить, что переходное сопротивление замкнутых контактов – величина отчасти нестабильная и зависит от многих факторов, которые будут рассмотрены ниже.

ЭМ реле практически не искажает сетевую синусоиду, ему не требуются радиаторы, так как, с одной стороны, магнитопровод в некотором смысле сам является радиатором для обмотки, а с другой стороны, при правильной эксплуатации и правильно рассчитанной схеме температурный режим обмоток и контактов реле не нарушается. Визуально можно проконтролировать размыкание (или неразмыкание) контактов, а иногда это очень важно.

Единственным отрицательным моментом в работе ЭМ реле является электрическая эрозия, которая разрушает соприкасающиеся поверхности контактов, но проявляется она лишь только при размыкании цепей со значительной индуктивной нагрузкой или при коротком замыкании в цепи контактов.

Эрозия основана на явлении разрушения контактов при электрическом разряде между ними и сопровождается переносом материала с одного контакта на другой. В этом явлении наименее исследован механизм выброса металла.

Направление переноса зависит от полярности напряжения на контактах. Если контакты коммутируют переменное напряжение, то изнашиваются, как правило, оба контакта одинаково. В результате многочисленных разрядов на них появляются углубления, при этом площадь соприкосновения уменьшается, а скорость износа увеличивается. При возникновении электрической дуги образуется озон – газ, который является активным окислителем. При этом на контактах появляется оксидная пленка, возрастает переходное сопротивление – и процесс становится лавинообразным.

Учитывая, что величина эрозионного разрушения уменьшается с ростом температуры плавления металла, то при использовании в качестве материала для изготовления контактов тугоплавких металлов, например вольфрама и его сплавов, их эрозия, при прочих равных условиях, понижается, и контакты оказываются более долговечными.

Выше указывалось, что причиной эрозии является дуга, возникающая при разрыве контактов, которая является проводящим каналом, возникающим в воздухе. Для того чтобы предотвратить эрозию и погасить дугу, используют схемы дугогашения. При невозможности их применения контакты помещают в среду инертных газов, вакуум, масло или воздействуют на дугу, которая является проводником, постоянным магнитным полем (магнитное дутье).

Еще одно неприятное явление, влияющее на надежность и безотказность устройств, содержащих ЭМ реле, является сваривание контактов, в ответственных цепях, связанных с безопасностью, такое явление недопустимо. Совершенно недопустимо и мостовое сваривание, когда свариваются общий, фронтовой и тыловой контакты. Чтобы этого избежать, общие и тыловые контакты для реле ответственных цепей (реле 1-го класса надежности) изготавливают из серебряного сплава, а фронтовые контакты – из графито-серебряного композита, увеличивают зазор между контактами, находящимися в крайних положениях, устанавливают на якоре антимагнитный штифт и т.д.

Но все же, несмотря на малую надежность механических контактов, электромагнитные реле остаются основным элементом коммутации в аппаратуре связи, устройствах автоматики и полностью оправдывают себя при редком переключении.

Особенности твердотельных реле

В последнее время все более широкое распространение получает новый тип коммутатора – твердотельное реле включающее в себя оптоэлектронное реле состоящее из светодиода, свет которого падает на линейку последовательно соединенных фотодиодов, и элементов коммутации, образующих выходную ступень прибора.

Поскольку транзистор МОП конструктивно содержит в себе встроенный диод, для обеспечения «разомкнутого состояния контактов» выключенного реле при любой полярности коммутируемого напряжения, то необходима пара транзисторов, соединенных встречно. Для надежной гальванической развязки между светодиодом и линейкой фотодиодов помещают изолирующую прокладку из оптически прозрачного компаунда. Фотодиодную матрицу и устройство ускорения разрядки выполняют, как правило, на одном кристалле. Фотодиоды один от другого изолируют слоем диэлектрика, например двуокиси кремния. Это предотвращает паразитные утечки между отдельными фотодиодами, которые могут привести к снижению суммарной фотоЭДС.

Классифицируют твердотельные реле по следующим признакам:

• по типу нагрузки: одно- и трёхфазные, с диапазоном регулируемого напряжения от 40 до 440 В;
• по способу управления: постоянным напряжением (от 3 до 32 В), переменным напряжением (от 90 до 250 В) и ручному управлению переменным резистором;
• по методу коммутации:

а) с контролем перехода через ноль. Используются для коммутации емкостных (сглаживающие помехоподавляющие фильтры, содержащие конденсаторы), резистивных (лампы накаливания, электрические нагреватели) и слабоиндуктивных (катушки клапанов, соленоидов) нагрузок.

б) случайного (мгновенного) включения. Употребляются для коммутации индуктивных (трансформаторы, маломощные двигатели) и резистивных (лампы накаливания, электрические нагреватели) нагрузок при возникновении потребности в мгновенном включении нагрузки.

в) с фазовым управлением. Они меняют выходное напряжение на нагрузке и регулируют нагревательные элементы (управление мощностью), лампы накаливания (управление уровнем освещенности).

Преимуществами твердотельных реле перед электромагнитными аналогами состоят в следующем:

• включение цепи без электромагнитных помех и дребезга контактов (как известно, замыкание любых контактов сопровождается явлением дребезга; ТТ реле свободны от этого недостатка);
• высокое быстродействие (быстродействие ЭМ реле ограничено и напрямую связано с конструкцией магнитопровода, массой якоря и контактной системы, т.е. реле для коммутации больших токов не может быть быстродействующим);
• отсутствие шума (ЭМ реле при срабатывании издает акустический шум, который зависит от конструкции, точности изготовления деталей и их сборки, массы подвижных частей магнитопровода и наличия защитного колпака);
• продолжительный период работы (для ТТ реле производители гарантируют свыше 109 переключений, для ЭМ реле их количество значительно меньше);
• возможность работы во взрывоопасной среде, так как нет дугового разряда;
• низкое энергопотребление, на 95% меньше, чем у обычных реле (однако реальная картина такова, что энергопотребление ЭМ реле зависит от многих факторов, в том числе от массы якоря и подвижных контактов, но известно множество малогабаритных реле, которые в энергопотреблении могут посоревноваться со своими твердотельными собратьями, но при этом они заметно уступают им в мощности коммутируемой нагрузки);
• компактная герметичная конструкция, стойкая к вибрации и ударным нагрузкам, что снижает внутрисхемный уровень помех в аппаратуре и обеспечивает стабильность ее работы (это одно из очевидных достоинств ТТ реле, так как, например, повышенные уровни вибрации могут привести к ложным срабатываниям ЭМ реле);
• возможность низкоуровневых сигналов управления, что существенно упрощает схему включения ТТ реле в отличие от электромагнитного, для управления работой которого, как правило, необходим электронный ключ с защитой от выбросов напряжения, совместимость по входу с логическими микросхемами, обеспечивающая простоту интеграции ТТ реле в цифровые устройства ;
• отсутствие индуктивности – причины возникновения нежелательных выбросов напряжения при переключении электромагнитных реле;
• неизменное контактное сопротивление в течение всего срока службы (однако это утверждение не учитывает, что сопротивление способно изменяться при увеличении температуры кристалла, о чем говорится ниже);
• высокую устойчивость к воздействию внешних электромагнитных полей;
• возможность создания более компактных и легких устройств по сравнению с аналогичными на ЭМ реле, при прочих равных условиях;
• коэффициент возврата ТТ реле практически равен 1, в то время как для ЭМ реле получить такой коэффициент конструктивными методами невозможно.
• со свертыванием производства ЭМ реле значительно экономится медь, запасы которой в природе довольно ограничены. Основным же материалом для производства полупроводниковой продукции является кремний, который по распространённости в земной коре занимает второе место после кислорода.

Отметим, что явным недостатком ТТ реле является их большая подверженность повреждениям от всякого рода перенапряжений и сверхтоков, к тому же они боятся коротких замыканий в нагрузке.

При выборе твердотельного реле следует знать, что оно нагревается при коммутации из-за потерь электроэнергии на силовых управляющих элементах. При этом рост температуры корпуса реле ограничивает величину регулируемого тока (чем больше нагрелся корпус, тем меньший ток можно коммутировать). При температуре в 40°С параметры реле остаются в норме, а при повышении температуры более 60°С величина коммутируемого тока заметно снижается. При этом ТТ реле может отключать нагрузку не полностью, перейти в неуправляемый режим и «сгореть».

Поэтому при расчетах схем, содержащих ТТ реле, в условиях коммутации токов, превышающих 5 А, необходимо предусматривать запас по номинальному току в 2–4 раза и охлаждающие радиаторы. При регулировке асинхронных двигателей запас по току нужно увеличить до 6–10 раз, так как способность твердотельного реле выдерживать перегрузки определяется уровнем «ударного тока».

Основными сферами применения твердотельных реле являются системы температурного контроля, промышленного нагрева, управления трансформаторами и электродвигателями, стабилизированного и бесперебойного электропитания, освещения промышленных и общественных объектов.

При выборе твердотельные реле следует учесть три фактора, из-за которых реле могут выйти из строя:

1. перенапряжение;
2. перегрузки по току (в том числе короткое замыкание);
3. перегрев из-за недостаточного отвода тепла.

В качестве защиты от перенапряжения реле следует ставить варисторы, особенно при применении ТТ реле для пуска электродвигателей.

Для большинства твердотельных реле действует требование, что температура основания не должна превышать 50 оС. Для этого могут потребоваться дополнительные теплоотводящие устройства.

Так, например, при токе нагрузки более 5 А, твердотельные реле должны устанавливаться на радиатор с использованием теплопроводящей пасты, заполняющей воздушные пустоты между поверхностью радиатора и основанием твердотельного реле. При токе нагрузки более 20÷25А может потребоваться использование вентилятора. Применяется также защита от превышения температуры, которая отключает твердотельное реле при температуре свыше рекомендуемой. Броски тока являются наиболее частой причиной отказа ТТР. Кроме того, из-за броска тока может быть потеряно управление реле.

Единственным надежным средством защиты твердотельных реле от перегрузок по току являются быстродействующие полупроводниковые предохранители.

Сравнение ТТ и ЭМ реле

Теперь необходимо сказать несколько слов об аналогиях и противоречиях главных героев нашего исследования. Выше говорилось о конструкции управляющей цепи ЭМ реле. Для ТТ реле управляющей цепью являются фотодиоды, которые освещают кристаллы силовых элементов при подаче на них постоянного напряжения определенной полярности. Поэтому аналогия в конструкции управляющих цепей не является тождеством, так как для электромеханических реле возможно любое напряжение управления – от напряжения срабатывания до напряжения, при котором происходит повреждение обмотки (перегрузки могут быть 3–5-кратными), все зависит от массы контактной системы и толщины провода, полярность напряжения для нейтральных реле также роли не играет. Для твердотельных реле диапазон напряжений управления гораздо уже и ограничен сверху током пробоя кристаллов светодиодов, который на 10…30% выше их номинальной величины. К тому же, приходится, безусловно, соблюдать полярность напряжения, подаваемого на светодиод.

Следующим пунктом в поисках аналогий являются исполнительные цепи. Контакты ЭМ реле представляют собой изделия из металла, графита или металлокерамики. Они способны без искажения формы пропускать электрические токи напряжением от долей вольта до тысяч вольт (хотя это уже не является реле в обычном понимании) и с частотой от нуля до сотен килогерц. ТТ реле подобный универсализм, увы, недоступен.

Полупроводниковых реле, которые могут коммутировать напряжения в тысячи вольт, не существует. Также довольно проблематично создание структур, способных коммутировать напряжения от долей вольта до сотен вольт. Виной этому является пресловутый пороговый эффект на границах p-n-переходов и электрическая прочность кристаллов.

Если для обычного ЭМ реле напряжение пробоя определяется электрической прочностью среды между физически разорванными контактами, то для ТТ реле физического разрыва не существует, а существует отсутствие тока между запертыми структурами. Электрическая прочность их не может быть слишком высокой. К тому же, площадь соприкосновения контактов электромеханических реле гораздо меньше площади p-n-перехода твердотельных реле при одинаковых номинальных токах коммутации.

Если коммутирующим элементом ТТ реле являются тиристоры (симисторы), то коммутировать постоянный ток они не могут, а при коммутации переменного тока сильно искажают синусоиду. Частотные свойства их также ограничены. К тому же для полупроводниковых приборов характерен «симметричный отказ», когда выход из строя сопровождается переходом в неуправляемое состояние с коротким замыканием внутри кристалла или с полным обрывом. В ответственных схемах оба вида отказа, особенно первый, могут быть просто опасными.

Практические схемы на ЭМ и ТТ реле

Немаловажный фактор, определяющий универсальность ЭМ реле — это наличие нормально замкнутых (НЗ) контактов. Когда на обмотку реле не подано напряжение, т.е. реле обесточено, при этом замкнуты контакты НЗ. Через эти замкнутые контакты может собираться какая-либо цепочка, например, с помощью НЗ контактов в ответственных случаях возможно контролировать размыкание (или не размыкание) НР контактов.

Выше уже говорилось о «симметричных отказах», которые в ответственных схемах могут привести к опасным ситуациям. Если для ЭМ реле контроль размыкания фронтового контакта сделать довольно просто, путем контроля замыкания контактов НЗ, то для ТТ реле приходится применять специальные методы проверки их состояния основанные на анализе микропроцессором тока и напряжения на силовых выходах устройства.

Проще говоря если на твердотельном реле произойдет пробой (например при тепловом пробое или коротком замыкании в нагрузке), то оно становится постоянно включеным — т.е. проводником. У электромагнитных контакторов все наоборот — при коротком замыкании в нагрузке контакты реле подгорают и становится изолятором, размыкая при этом аварийную цепь, а приваривание контактов легко контролировать при помощи механически жестко связанных с ними НЗ контактов. Это значит контактор с точки зрения электробезопасность гораздо надежнее.