Твердотельное реле в автомобиле

Твердотельное реле

Доброго времени суток!
После переезда у меня появилась помещение, которое используется под кладовку. И часто я там забывал выключить свет. Лампочка, хоть и энергосберегающая, но электрический счетчик ее все равно исправно считал, и рублики в счете за электричество так же увеличивались. Хоть и немного, но тем не менее. Если этого можно избежать, то почему бы и нет. И здесь мне вспомнилась аналогия с автомобильной «незабудкой», которая, наоборот, делала так, что свет не выключался бы тогда, когда надо.

И загорелось мне сделать аналог этой незабудки, но для включение света в маленькой кладовочке. Да не простое, а автоматическое. Т.е, открыл дверь, свет загорелся. Закрыл — свет погас. Собственно, первое, что просилось на ум — реле с датчиком движения. Потом подумал, что дороговато будет. Потом смотрел на разные микропереключатели, которые могут сразу коммутировать 220-ти вольтную нагрузку. Но здесь будут идти силовые провода к микрику. Откинул вариант.
Решил разделить задачу на две части — датчик на дверь и силовую часть. В качестве силовой части почти сразу же решил использовать твердотельное реле. Например, что-то вроде подобного:

Штука компактная, достаточно мощная, чтобы не думать о том, что будет греться от потребления обычной лампы накаливания, будучи установленной прямо в корпус включателя света на стене. Гальваническая развязка от сети в уже есть, так что, все красиво и благородно.

Начал искать в магазинах города. В чипе-дейле за него просили сумму 1000+ рублей. Показалось не сильно здорово платить более килорубля за пару симисторов в одном корпусе. И вот тут я плотно подошел к вопросу о изготовлении твердотельного реле из желудей и спичек.

Итак, для того, чтобы изготовить реле из желудей и спичек нам понадобится, как это ни странно, желуди и спички. Шутка, конечно же. Нам понадобится симистор, оптопара, пара резисторов, моток проводов, геркон и магнит (ах, забегаю вперед!), отсек для двух или трех батареек, полевой транзистор. Симистор был куплен там же, где не куплено настоящее твердотельное реле, цена его от 20 до 50 рублей, я взял 16-ти амперное, за 34. Оптопата и того дешевле, рублей 22, батарейный отсек тоже не дорог. Полевой N-канальный транзистор, если есть желание сэкономить 3 рубля, отрывается от неисправной (или исправной, но ненужной материнской платы). Дальше читается мурзилка про симисторы и рисуется такая схема:

На схеме 2 квадрата с цифрами «1» и «2». Первая цифра — это «драйвер геркона». Вторая — «драйвер лампочки», силовая исполнительная часть. Решил датчик открытия двери сделать на герконе и магните от жесткого диска.

На картинке геркон на переключение (трехногий), а у меня был только на замыкание (т.н. с «нормально разомкнутыми контактами»), с двумя ножками. Если бы был в наличии на переключение, то квадратик с цифрой «1» можно было бы вообще упразднить за ненужностью. Но было то, что было, поэтому и левый квадрат. Как это работает. Когда дверь закрыта, магнит давит на геркон, геркон замнут. Затвор транзистора жестко замкнут на землю через замкнутый геркон, следовательно, транзистор закрыт, ток через светодиод оптопары во втором квадрате не течет.
Как только магнит посредством двери начинает отодвигаться от геркона, его контакты размыкаются, тут же транзистор отпирается через резистор R1, светодиод в оптопаре начинает светить в инфракрасном диапазоне спектра. Далее, этим светом отпирается оптосимистор в той же оптопате, начинает работать схема Z-перехода, и в момент пересечения переменным током оси «Х» открывается силовой симистор во втором квадрате. Лампочка в кладовке начинает гореть.
При закрывании двери все в обратной последовательности. Геркон замыкается, запирает транзистор, гаснет светодиод в оптопаре, симистор закрывается, лампочка освещения гаснет.

Питание драйвера геркона осуществляется от двух пальчиковых батареек, которые упакованы в батарейный отсек.

Монтаж всего этого был сделан навесной (городить ПП под полторы детали было лень).

Ресурса батареек хватит очень надолго. В ждущем, так сказать, режиме потребление определяется резистором R1, и составит 90 мкА. Не всякий миллиамперметр это сможет измерить ).
В рабочем режиме потребление будет зависеть от оптопары. Хоть в даташите на оптопару и написано, что она начинает работать от 15мА при напряжении 1.3 Вольта, т.е, по сути, как обычный корпусной сигнальный светодиод, но по факту при сильно меньшем токе. С учетом того, что стоит токоограничительный резистор на 330 Ом, и при питании 2,2 Вольта (разряженные аккумуляторы-пальцы) наблюдалось стабильное включении, то это где-то меньше 5 мА. Батарейки быстрее помрут от саморазряда ).

В итоге, свет работает так, как и хотелось. Зажигается при открытии, гаснет при закрытии. Чистой экономии больше 1000 рублей.
И посему, всем мира и поменьше ненужных трат.

Источник

Электрические компоненты для самоделкиных — часть 2.1 Реле

Часть 2.1 Устройства коммутации. Реле.

Электрические цепи, в основном, делятся на силовые и сигнальные (они же слаботочные, они же контрольные). Первые переносят энергию к потребителям, вторые — информацию или команды(приказы).
Сейчас речь про силовые цепи. У них есть неудобное свойство — искрение при замыкании и размыкании силовых контактов. На токах более 5-10 ампер этот эффект становится достаточно ощутимым, чтобы с ним считаться.
Способов коммутации цепей, в целом два — непосредственное — как выключатель освещения в квартире, и через промежуточное реле.
Непосредственная коммутация проще — тянешь провода, в разрыв плюса или минуса выключатель, и вперёд. Но мало какие выключатели успешно переносят замыкание-размыкание больших токов. Для нормальных аппаратов максимально допустимые токи указывает производитель.
Так что более грамотно использовать для коммутации силовых цепей второй способ — через промежуточное реле.
В этом случае в разрыв силового провода включают контакты реле, а на его управляющий вход подают команду с помощью выключателя.
Реле специально предназначены для такой работы, имеют специально выполненные контакты и предусматривают большое число отключений за время службы.
По физике процесса реле бывают двух видов — электромеханические и твердотельные (статические, они же полупроводниковые).
Электромеханические — это группа контактов, управляемая с помощью электромагнита. На катушку электромагнита подаём напряжение — реле срабатывает. Фактически это основная масса доступных на рынке реле.
Достоинства — когда цепь замкнута, на реле практически нет падения напряжения и выделения тепла, потому что сопротивление контактов очень мало.
Недостатки — как всё механическое, больше боится вибрации, имеет меньший ресурс, требует герметичного корпуса, если стоит в неудобных условиях. Срабатывает медленнее.
Твердотельное — состоит из полупроводниковых элементов — тиристоров, MOSFET транзисторов или симисторов.

Достоинства — почти мгновенное бесшумное срабатывание, не имеет движущихся частей, ресурс зависит в основном от теплового режима эксплуатации, в холоде и при адекватной нагрузке может жить сколько позволят материалы корпуса и присоединительных контактов.
Кроме того, при отключении большого тока, на который реле не рассчитано, у механических могут свариться контакты, и никакого отключения не будет, пока оно не расплавится целиком.
Твердотельные реле отключают ток всегда. Если он слишком большой — сгорит полупроводник и разомкнёт цепь навеки. Бывает, в таких реле функция плавного пуска, когда нагрузка «выходит на режим» за время, к примеру, 0,1 или 1с.
Такие реле потребляют очень маленький ток в цепи управления — это важно, если цепь замкнута длительное время при выключенном двигателе. Например, самодельная охранная система.
Коммутация твердотельных реле вносит минимум помех в бортовую сеть автомобиля, что может положительно сказаться на радиопринимающих и передающих устройствах.
Недостатки — многие модели сравнительно большое собственное сопротивление, от этого высокое тепловыделение. Более совершенные греются только в момент коммутации, но довольно ощутимо. При этом боятся высоких температур, особенно на длительное время, и соответственно, не везде под капотом смогут выжить. От того же сопротивления другая беда — на них падают драгоценные вольты, и если дома, где 230В, это почти пофиг, в машине даже 0,5В уже жалко. Поэтому перед использованием лучше глянуть документацию. Твердотельные реле боятся скачков напряжения, но иногда имеют встроенную защиту от этой беды. Терпеть не могут короткие замыкания.
По исполнению контактов реле бывают нормально разомкнутые (самые простые и распространённые), нормально замкнутые и перекидные. Существует также большое количество специализированных реле, предназначенных для конкретной нагрузки — поворотников, дворников, и т.п. Они могут сами отсчитывать временные интервалы и коммутировать нагрузку по определённому сценарию.
Если реле управляется электронным устройством (контроллером), то лучше использовать модели, где параллельно катушке установлен диод, это спасает от бросков напряжения в цепи управления. Бывают также варианты с резистором — тоже защита от бросков напряжения, но похуже, зато в отличие от диода, такому реле пофигу полярность управляющих контактов.
При выборе реле, особенно электромеханических, надо учитывать тип нагрузки, которой будете управлять. Индуктивная нагрузка — любые электродвигатели, блоки розжига ксеноновых ламп, компрессорные холодильники. Активная нагрузка — галогенные лампочки, любые электронагреватели. Емкостная нагрузка — драйверы светодиодов, некоторая электроника.
Засада в том, что реле может быть рассчитано на 30А активной нагрузки, но при этом нормально переваривать ток индуктивной нагрузки до 20А (цепь с таким током тяжелее разомкнуть). Так что внимательно читайте описания реле.
Присоединение реле выполняется через установочное гнездо/разъём, либо провода цепляются напрямую с помощью резьбовых зажимов.
Разъём выглядит страшно, и наводит на мысли о колхозном присоединении отдельных проводков, но на самом деле всё просто и сравнительно ремонтопригодно.
Когда выбираете реле — смотрите на расположение «ног» и размер присоединяемых контактов. Стандартные размеры — 4,8мм, 6.3мм, 9.5мм.
Существует несколько типов колодок(разъёмов-держателей) для реле. Сперва хотел привести их классификацию — А, B и т.д., но не обнаружил чёткой кодировки, каждый производитель по-своему пишет, так что глядите на расположение выводов и размер подключаемых клемм.
Из интересных образцов — реле со встроенными предохранителями — H+B 75613113 или Hella 4RA 003 530-041.

Хочется подешевле — вот «Энергомаш» 404.3787-10 реле 12В 40А с предохранителем 4-х контактное, за 90 руб.
На большие токи — есть H+B 75613100 на 200А, или Bosch 0 332 002 156 на 75А с винтовыми контактами.

Твердотельные реле H+B и Hella дорогие шописец, но на помощь опять придёт Энергомаш со своей моделькой 405.3787-02 на 12В/25А за 420 руб, да ещё с функцией плавного включения. Вариант 405.3787-03 аналогичен по функциям, но имеет противоположную полярность контактов «30» и «87».

Продукция «илитных брендов» нынче недёшева, но для общего применения самые доступные варианты: На 30А — реле — Flosser 2242, Bosch 0 332 019 110, или H+B 75613121. На 40А — Flosser 2245 или H+B 75613187. Есть Bosch 30A с диодиком — 033 201 4112.

Буду благодарен за любые добрые советы по содержанию текста, и особенно если кто натолкнёт на нормальную классификацию установочных колодок реле.

Источник

Что такое твердотельное реле, назначение, принцип работы

В сфере электротехники набирают популярности устройства, построенные на базе полупроводников и обеспечивающие бесконтактную коммутацию силовых цепей. Одним из таких изделий является твердотельное реле, которое применяется в промышленной сфере и быту.

Что это такое? В каких случаях рекомендуется его использование? О каких конструктивных особенностях важно знать? Как осуществляется подключение и управление устройством? Эти и другие нюансы рассмотрим в статье.

Определение

Твердотельное реле — устройство электронного типа, один из видов реле, в котором нет движущихся элементов. Изделие применяется для подачи тока или разрыва цепи путем внешнего управления (действием небольшого напряжения).

Твердотельное реле (сокращено — ТТР) имеет внутри датчик, реагирующий на подачу управляющего сигнала. Кроме того, в составе изделия имеется твердотельная электроника, в том числе включающая цепочка, способная коммутировать большие I.

Устройство может устанавливаться в цепях переменного и постоянного тока, часто применяется как обычное реле. Главная разница в том, что в ТТР нет механических контактов.

Показания к применению

Твердотельные реле рекомендуются к применению в случаях, когда стандартные устройства не справляются с обязательствами. К примеру, когда в процессе коммутации они плавятся или сгорают.

С помощью ТТР гарантируется надежность цепи и своевременная подача напряжения к нагрузке. В отличие от простых устройств, для ТТР не проблема справиться с нагрузкой индукционного характера.

Кроме того, твердотельное устройство стоит использовать при дефиците места в процессе монтажа и при высоких требованиях надежности цепи.

Где используются?

Твердотельные реле — уникальные устройства, которые после монтажа не требуют особого обслуживания. Здесь работает принцип «установил и забыл». К примеру, в простых моделях очистка контактной группы осуществляется с определенной периодичностью — как правило, через определенное число циклов. Если изделие работает редко, это не вызывает проблем.

Но как быть с аппаратурой, для работы которой требуется частое срабатывание — один раз в секунду или даже чаще? Пример такой техники — станок с клапанами соленоидного типа.

Подача напряжения происходит через реле, которому приходится разрывать до десяти ампер индуктивного I. Если поставить контактное устройство, его замену придется осуществлять раз в 1-2 месяца. Если поставить твердотельный аналог, об этом можно забыть на долгие годы.

Несмотря на надежность работы, ТТР требуют периодического осмотра. Базовые рекомендации в этом вопросе дает производитель изделия. Как правило, речь идет о проверке факта замыкания контактов, целостности корпуса и изоляции.

Виды твердотельных реле

ТТР условно разделяются по двум критериям — принципу действия и конструктивным особенностям. Чтобы упростить классификацию, выделим следующие варианты:

Внутривидовые отличия

Кроме основной классификации, стоит выделить отличия внутри существующих видов ТТР.

Выделяются такие типы:

В чем особенности?

При создании твердотельного реле удалось исключить появление дуги или искр в процессе замыкания/размыкания контактной группы. В результате срок службы прибора увеличился в несколько раз. Для сравнения лучшие варианты стандартных (контактных) изделий выдерживают до 500 000 коммутаций. В рассматриваемых ТТР такие ограничения отсутствуют.

Стоимость твердотельных реле выше, но простейший расчет показывает выгоду их применения. Это обусловлено следующими факторами — экономией электроэнергии, продолжительным ресурсом работы (надежностью) и наличием управления с помощью микросхем.

Выбор достаточно широк, чтобы подобрать устройство с учетом поставленных задач и текущей стоимости. В продаже имеются как небольшие приборы для установки в бытовых цепях, так и мощные устройства, используемые для управления двигателями.

Как отмечалось ранее, ТТР отличаются по типу коммутируемого напряжения — они могут быть рассчитаны на постоянный или переменный I. Этот нюанс требуется учесть при выборе.

К особенностям твердотельных моделей стоит отнести чувствительность прибора к нагрузочным токам. Чтобы избежать такой проблемы в процессе эксплуатации, важно внимательно подойти к процессу монтажа и установить в цепи ключа защитные устройства.

Кроме того, важно отдавать предпочтение ключам, имеющим рабочий ток в два или три раза превышающий коммутируемую нагрузку. Но и это не все.

Для дополнительной защиты рекомендуется предусмотреть в схеме предохранители или автоматические выключатели (подойдет класс «В»).

Конструктивные особенности

В основе твердотельного реле лежит электронная плата, в состав которой входит три главных элемента — узлы управления и развязки, а также силовой ключ. В роли силовых элементов применяются такие детали:

Развязка цепи обеспечивается оптронами — изделиями, состоящими из излучающего и принимающего свет устройства. Между ними установлен диэлектрик, имеющий прозрачную структуру.

Управляющий узел выполнен в виде стабилизирующей схемы, обеспечивающей оптимальные уровни тока и напряжения для излучающего свет элемента. Напряжение на входе схемы должно быть от 70 до 280 Вольт.

Что касается напряжения нагрузки, его величина — до 480 Вольт. Расположение электроприбора (до или после ТТР) не имеет значения.

Как правило, устройство монтируется после нагрузки с последующим подключением к «земле». При таком варианте схемы удается защитить внутренние элементы от протекания тока КЗ (он потечет через заземляющий провод).

Принцип действия

Зная конструктивные особенности твердотельного реле, легче понять принцип его действия. В приборе взаимодействуют два сигнала — управляющий и управляемый, что обеспечивается благодаря гальванической развязке.

В некоторых моделях ТТР эту функцию берет на себя оптрон. Напряжение, обеспечивающее управление устройством, подается и на светодиод.

Свечение последнего поступает на фотодиод, что приводит к появлению тока, включению МОП или тиристора для управления подключенным аппаратом.

Кроме того, в процессе создания схемы допускается применение специальных оптоэлектронных устройств — опто- и фототиристоров.

Отличия и плюсы твердотельных реле (в сравнении с электромеханическими)

При выборе ТТР у покупателя возникает ряд вопросов — зачем переплачивать за твердотельное реле, в чем его преимущества перед стандартными электромеханическими устройствами. Выделим главные плюсы:

Недостатки

Кроме положительных качеств твердотельных реле, стоит выделить и ряд недостатков:

Выбор твердотельного реле

При покупке ТТР стоит учесть ряд особенностей устройства, что поможет сделать правильный выбор. Для сравнения классические устройства способны выдерживать перегрузки, возникающие на небольшое время и не превышающие полутора или двукратного номинального тока.

Если правильно подойти к вопросу эксплуатации, хватит обычной чистки контактов.

В случае с твердотельными реле ситуация обстоит хуже. Если номинальный параметр тока превышен в 1,5 и более раз, прибор можно выбросить. Вот почему при выборе ТТР для питания активной нагрузки стоит брать запас по току в два-четыре крата.

Если изделие планируется применять в цепи пуска АД, этот показатель стоит увеличить в шесть-десять раз. При таком подходе придется переплатить, но зато повышается срок службы подключенного прибора и надежность его работы.

Параметры выбора

Покупая твердотельное реле, стоит обращать внимание на следующие параметры:

Рекомендации по выбору

Чтобы правильно выбрать твердотельное реле, а также быть уверенным в его качественной и надежной работе в течение продолжительного срока службы, важно ориентироваться на следующие аспекты.

СПОСОБЫ КОММУТАЦИИ

Спросом пользуются приборы, в которых управление происходит при переходе через ноль. Плюс метода заключается в том, чтобы исключить помехи, которые создаются в процессе включения.

Минус варианта заключается в прерывании сигнала на выходе и недоступности применения ТТР в цепи с высокоиндуктивной нагрузкой. Главное применение этого тип коммутации подходит для нагрузки резистивного типа.

Кроме того, ТТР используются применительно к слабоиндуктивным и емкостным нагрузкам.

ФАЗОВОЕ УПРАВЛЕНИЕ

Плюс фазовой методики в том, что процесс регулирования проходит плавно и без разрывов. Благодаря этому удается менять напряжение на выходе (корректировать параметр мощности). Минус способа — в появлении помех в момент переключения.

Метод подходит для резистивных схем управления, подразумевающих нагрев, для переменных резистивных и индуктивных нагрузок (ИФ излучателей и трансформаторов соответственно). Сюда же стоит отнести управление освещением (подключение ламп накаливания).

ПАРАМЕТРЫ НАГРУЗКИ (ХАРАКТЕР И ТИП)

При выборе стоит обращать внимание на нагрузочный ток. От него зависит надежность и продолжительность эксплуатации установленного ТТР. Важно, чтобы устройство имело запас по I.

При покупке стоит учесть не только рабочий ток, но и токи, возникающие в процессе пуска и превышающие номинальный параметр в несколько раз. По заявлению производителей ТТР выдерживает десятикратную токовую перегрузку кратковременно — до 10 мс.

Если твердотельное реле устанавливается для подачи напряжения на нагреватель (активный тип нагрузки), I должен превышать номинальный нагрузочный ток на 35-40%.

Если планируется подключение нагрузки, имеющей индуктивный характер (электрический двигатель), стоит учесть пусковые токи, которые в этом случае превышают номинальный на 600-1000 процентов.

Подведем краткие итоги по рекомендуемому току:

НАЛИЧИЕ ОХЛАЖДЕНИЯ

В процессе выбора стоит учесть фактор снижения температуры. Выше отмечалось, что твердотельное реле имеет свойство перегреваться при прохождении больших токов. Лишнее тепло, которое выделяется в процессе работы, отводится на специальные радиаторы охлаждения.

ТТР способно проводить указанный производителем ток в случае, если температура не превышает 40 градусов Цельсия. В случае роста параметра уменьшается способность пропускать I — на 20-25 процентов при нагреве на каждые десять градусов. Следовательно, при нагреве ТТР до 80 градусов Цельсия оно не способно пропускать ток — изделие ломается.

На температуру прибора влияет множество факторов, среди которых место монтажа, сезон, нагрузка, наличие обдува воздухом и другие. Если устройство применяется для подключения мощного оборудования, например, для пуска АД, рекомендуется предусмотреть дополнительное охлаждение.

Для решения этой задачи ставится радиатор с большими габаритами. Для повышения эффективности обдува устанавливается вентилятор.

ЗАЩИТА

Еще один нюанс, который должен быть учтен в процессе покупки твердотельной модели — наличие необходимой защиты. Здесь возможны следующие варианты:

Надстройки для корректной работы

Если в процессе работы имеет место взаимодействие с индуктивной нагрузкой, возможны проблемы. Вот почему при использовании твердотельных реле в комплексе с трансформаторами, звонками, электрическими катушками и иными подобными приборами требуется параллельное включение R-C цепочки для снижения воздействия противо-ЭДС.

Кроме того, наличие такой цепи снижет суммарную индуктивность подключенного прибора и облегчает работу ТТР.

Защита от коротких замыканий

В случае повреждения изоляции в цели и по другим причинам может возникнуть КЗ. Чтобы избежать повреждения ТТР используются специальные предохранители. Они разработаны для применения в комплексе с твердотельными изделиями.

Их легко распознать по следующим спецификациям:

Подключение твердотельного реле

Принцип подключения прост. В приборе предусмотрены управляющие входы (на них подается напряжение с четким соблюдением полярности) и выход для подключения нагрузки. Важный момент — качество соединения. Здесь применяется винтовой способ (пайка исключена).

Чтобы избежать повреждения ТТР, важно исключить попадание на контакты пыли, а также посторонних механических элементов. Стоит предусмотреть меры, препятствующие негативному воздействию на кожух прибора (во включенном или отключенном состоянии).

После включения запрещено прикасаться к корпусу, который может быть горячим. Обратите внимание, чтобы ТТР не располагалось вблизи легковозгораемых материалов. Кроме того, в процессе подключения убедитесь, что коммутация выполнена без ошибок.

Если после включения изделие набирает температуру выше 60 градусов Цельсия, установите на него радиатор для охлаждения (причины и особенности этой защитной меры рассмотрены выше).

Если ничего не предпринять, при достижении 80 градусов Цельсия прибор перестанет работать. Управление осуществляется при помощи цепочки с различными вариантами исполнения.

Твердотельные реле серий SSR и TSR

Сегодня в продаже встречаются модели TSR и SSR. Рассмотрим их подробнее.

Особенности

Изделия имеют сопротивление изоляции от 50 Мом и более при проверке мегаомметром на напряжение 500 Вольт. Изоляция на входе и выходе отличается прочностью, равной 2 500 Вольт. Мощность управления небольшая — 12 Вольт*7,5А.

Стоит выделить минимальное излучение ЭМ помех, что гарантируется коммутацией при переходе через ноль, а также высокий параметр перегрузки по I. Допускается превышение номинального I в десять крат на время до одного периода.

Расшифровка

Название изделия имеет следующий вид — SSR (1) — 40 (2) D (3) A (4) — Н (5). Цифры в скобках соответствуют номеру расшифровки:

Популярные модели

Выделим популярные модели твердотельных реле для каждой из серий:

Варианты управления мощностью в нагрузке

Сегодня выделяется два основных варианта управления мощностью. Рассмотрим каждый и них подробнее:

Несмотря на более высокую цену, твердотельные реле постепенно вытеснят стандартные устройства с контактами. Это объясняется их надежностью, отсутствием шума, легкостью обслуживания и продолжительным сроком службы.

Имеющие недостатки не оказывают негативного влияния, если правильно подойти к выбору и установке прибора.

Источник