Что такое твердотельное реле
Твердотельное реле (SSR, solid state relay) включает и выключает силовую цепь переменного тока по слабому управляющему сигналу, как электромеханическое реле или контактор, но без подвижных контактов. Нагрузку коммутирует полупроводниковый ключ, поэтому реле не искрит, не изнашивается от частых включений и работает беззвучно. Однофазные реле в корпусе с металлическим основанием рассчитаны на нагрузку 24-380 В переменного тока и номинальный ток 25, 40, 60, 80 или 100 А.
В станках и оборудовании мастерской такие реле включают нагрузки на 220 В по сигналу контроллера, терморегулятора или кнопки: помпу охлаждения, пылесос или вытяжку, компрессор, подсветку, нагреватели. Контроллер станка выдаёт сигнал 5 или 24 В и маленький ток, а реле превращает его в включение нагрузки на десятки ампер.
Как работает твердотельное реле
У реле две цепи, которые разделены гальванически. Входная цепь со светодиодом оптрона получает управляющий сигнал, свет оптрона открывает силовой ключ выходной цепи. Электрическая прочность изоляции между входом и выходом 2500 В переменного тока, сопротивление изоляции больше 50 МОм при 500 В постоянного тока, поэтому низковольтная электроника станка не связана с сетью 220 В. Отдельного питания реле не требует: входная цепь питается от самого управляющего сигнала, а красный светодиод на корпусе горит, пока сигнал подан.
Силовой ключ однофазного реле для переменного тока построен на тиристорах. Реле серий DA и AA включаются при переходе напряжения сети через ноль, а выключаются, когда через ноль проходит ток нагрузки. Отсюда время включения и выключения до 10 мс: при частоте сети 50 Гц полупериод длится 1 / 50 / 2 = 0.01 с. Включение в нуле напряжения не даёт броска тока в момент коммутации и снижает помехи от реле.
Из того же принципа следует главное ограничение: ключ закрывается только тогда, когда ток проходит через ноль, а у постоянного тока такого момента нет. Реле для переменного тока не выключит нагрузку постоянного тока, например двигатель на 24 В или светодиодную ленту от блока питания. Для таких цепей нужны реле другого типа, с транзисторным ключом.
Типы реле по управлению: DA и AA
Буквы в маркировке показывают род тока на входе и выходе. Первая буква относится к управлению, вторая к нагрузке: D означает постоянный ток, A переменный.
| Тип | Управление | Нагрузка | Ток входа | Откуда сигнал |
|---|
| DA | 3-32 В постоянного тока, клеммы 3 (+) и 4 (-) | 24-380 В переменного тока | 15 мА при 5 В | выход контроллера ЧПУ, ПЛК или терморегулятора с выходом на твердотельное реле |
| AA | 80-250 В переменного тока, клеммы 3 и 4 | 24-380 В переменного тока | от сети 220 В | кнопка, выключатель, терморегулятор с релейным выходом, контакт другого реле |
Для станка с ЧПУ подходит тип DA: его включает выход контроллера на 5 или 24 В. Выход должен отдавать ток не меньше тока входа реле, 15 мА при 5 В. Если выход контроллера слабее, между ним и реле ставят транзисторный каскад или промежуточное реле. Тип AA удобен там, где управляющий сигнал уже на 220 В: реле включается от простой кнопки или контакта терморегулятора, и нагрузку на десятки ампер не нужно пропускать через эти контакты.
Нагрев реле и расчёт радиатора
Открытый тиристорный ключ не похож на замкнутый контакт: на нём падает до 1.6 В. Мощность, которая превращается в тепло, равна этому падению, умноженному на ток, и формула P = 1.6 x I даёт её верхнюю оценку. На полном номинальном токе реле выделяет:
| Номинальный ток реле | Тепло на номинальном токе |
|---|
| 25 А | 1.6 x 25 = 40 Вт |
| 40 А | 1.6 x 40 = 64 Вт |
| 60 А | 1.6 x 60 = 96 Вт |
| 80 А | 1.6 x 80 = 128 Вт |
| 100 А | 1.6 x 100 = 160 Вт |
Корпус реле сам по себе отводит такую мощность плохо. Без радиатора реле работает только на малых токах, уже при токе больше 8 А нужен дополнительный теплоотвод. Номинальный ток указан для реле на радиаторе: при перегреве ключ теряет способность держать нагрузку и выходит из строя. Поэтому выбор реле всегда идёт вместе с выбором радиатора.
Пример: нагреватель 3 кВт на 220 В берёт 3000 / 220 = 13.6 А, реле выделяет 1.6 x 13.6 = 21.8 Вт. Это реле на 25 А на алюминиевом радиаторе 80 x 50 x 50 мм, его пассивного охлаждения хватает до 25 А. Для токов до 60 А берут радиатор 125 x 100 x 50 мм с двумя блоками рёбер, а при токе выше 40 А или в закрытом шкафу добавляют обдув вентилятором.
Основание реле и площадку радиатора очищают, наносят тонкий слой термопасты и притягивают реле винтами равномерно. Радиатор ставят рёбрами вертикально, чтобы тёплый воздух поднимался вдоль них, и оставляют свободное место сверху и снизу. После первых часов работы под нагрузкой проверяют температуру: если радиатор нельзя держать рукой, нужен радиатор крупнее, обдув или реле с большим запасом по току.
Как выбрать ток реле
Для нагревателей и других активных нагрузок ток считают по мощности: I = P / U. Реле выбирают с номиналом выше этого тока и сразу считают его нагрев по формуле P = 1.6 x I. Чем больше разница между номиналом и рабочим током, тем холоднее работает реле и тем меньше нужен радиатор.
С индуктивной нагрузкой, такой как двигатели, трансформаторы и катушки, реле работает тяжелее: при включении ток в несколько раз выше рабочего, а при выключении индуктивность даёт выброс напряжения. Для такой нагрузки допустимый ток реле в 8 раз меньше номинального. Реле на 40 А подходит для двигателя с рабочим током 5 А, реле на 100 А для двигателя с током 12 А. Лампы накаливания и нагрузки с большим пусковым током тоже требуют запаса по току.
Пример для мастерской: пылесос 1.4 кВт на 220 В берёт 1400 / 220 = 6.4 А. Двигатель пылесоса индуктивная нагрузка, поэтому реле на 40 А с допустимым током 5 А уже мало, нужно реле на 60 А и выше. Нагреватель того же тока 6.4 А обходится реле на 25 А.
Подключение и защита
Клеммы 1 и 2 включают последовательно с нагрузкой в разрыв фазного провода, полярность для них не имеет значения. Управляющий сигнал подают на клеммы 3 и 4: у реле DA с соблюдением полярности, плюс на клемму 3, у реле AA полярности нет. Для трёхфазной нагрузки ставят реле в каждую фазу и управляют всеми реле одним сигналом.
Закрытое реле не разрывает цепь полностью: через ключ проходит ток утечки до 2 мА. Этого достаточно, чтобы слабо светилась светодиодная лампа или на клеммах нагрузки оставалось опасное напряжение. Поэтому реле не заменяет выключатель для безопасности: перед работами с нагрузкой её обесточивают автоматом. Перед реле ставят автомат или предохранитель по току нагрузки, а корпус радиатора соединяют с защитным заземлением.
Силовые провода затягивают в клеммах до упора: слабый контакт под током десятков ампер греется и подгорает. Управляющие провода прокладывают отдельно от силовых. Рабочая температура окружающего воздуха для реле от -30 до +75 °C, но чем горячее воздух в шкафу, тем меньший ток реле держит на том же радиаторе.
Твердотельное реле или контактор
| Параметр | Твердотельное реле | Контактор или электромеханическое реле |
|---|
| Коммутация | без искры и дуги, включение в нуле напряжения | искра и дуга на контактах, контакты обгорают |
| Ресурс | не зависит от числа включений | ограничен износом контактов |
| Шум | бесшумно | щелчок при каждом срабатывании |
| Время срабатывания | до 10 мс | десятки миллисекунд |
| Тепло | 1.6 В на ключе, нужен радиатор | потери в контактах малы |
| Выключенное состояние | ток утечки до 2 мА | полный разрыв цепи |
| Постоянный ток нагрузки | реле DA и AA не коммутируют | коммутирует, если контакты на это рассчитаны |
| Где лучше | частые включения, нагреватели с терморегулятором, бесшумная работа | редкие включения, двигатели, нагрузка постоянного тока |
Для нагревателя, которым терморегулятор управляет десятки раз в минуту, твердотельное реле подходит лучше: контактор при такой частоте быстро изнашивается. Для помпы или пылесоса, которые включаются несколько раз за смену, работают оба варианта, и выбор решают ток двигателя, место в шкафу и нагрев.
Типичные ошибки
- Ставить реле на 25 А без радиатора на нагрузку 20 А: реле выделяет 32 Вт и перегревается.
- Выбирать реле для двигателя по рабочему току двигателя, без запаса для индуктивной нагрузки.
- Пытаться выключать реле DA или AA нагрузку постоянного тока: ключ не закроется.
- Подавать на вход реле DA напряжение выше 32 В, например от блока питания 36 В.
- Путать реле DA и AA: реле AA не включится от выхода контроллера на 5 или 24 В.
- Считать закрытое реле разрывом цепи и работать с нагрузкой без отключения автомата.
- Ставить реле на радиатор без термопасты или с перекосом основания.
- Включать нагрузку на 12 В переменного тока: нижний предел реле 24 В.
- Подключать к выходу контроллера реле без проверки тока входа 15 мА.
