Що таке твердотільне реле
Твердотільне реле (SSR, solid state relay) вмикає і вимикає силове коло змінного струму за слабким керувальним сигналом, як електромеханічне реле або контактор, але без рухомих контактів. Навантаження комутує напівпровідниковий ключ, тому реле не іскрить, не зношується від частих увімкнень і працює безшумно. Однофазні реле в корпусі з металевою основою розраховані на навантаження 24-380 В змінного струму і номінальний струм 25, 40, 60, 80 або 100 А.
У верстатах і обладнанні майстерні такі реле вмикають навантаження на 220 В за сигналом контролера, терморегулятора або кнопки: помпу охолодження, пилосос або витяжку, компресор, підсвічування, нагрівачі. Контролер верстата видає сигнал 5 або 24 В і малий струм, а реле перетворює його на вмикання навантаження на десятки ампер.
Як працює твердотільне реле
У реле два кола, розділені гальванічно. Вхідне коло зі світлодіодом оптрона отримує керувальний сигнал, світло оптрона відкриває силовий ключ вихідного кола. Електрична міцність ізоляції між входом і виходом 2500 В змінного струму, опір ізоляції понад 50 МОм за 500 В постійного струму, тому низьковольтна електроніка верстата не пов’язана з мережею 220 В. Окремого живлення реле не потребує: вхідне коло живиться від самого керувального сигналу, а червоний світлодіод на корпусі світиться, поки сигнал подано.
Силовий ключ однофазного реле для змінного струму побудований на тиристорах. Реле серій DA і AA вмикаються під час переходу напруги мережі через нуль, а вимикаються, коли через нуль проходить струм навантаження. Звідси час увімкнення і вимкнення до 10 мс: за частоти мережі 50 Гц півперіод триває 1 / 50 / 2 = 0.01 с. Увімкнення в нулі напруги не дає кидка струму в момент комутації і зменшує завади від реле.
З того самого принципу випливає головне обмеження: ключ закривається лише тоді, коли струм проходить через нуль, а в постійного струму такого моменту немає. Реле для змінного струму не вимкне навантаження постійного струму, наприклад двигун на 24 В або світлодіодну стрічку від блока живлення. Для таких кіл потрібні реле іншого типу, з транзисторним ключем.
Типи реле за керуванням: DA і AA
Літери в маркуванні показують рід струму на вході й виході. Перша літера стосується керування, друга навантаження: D означає постійний струм, A змінний.
| Тип | Керування | Навантаження | Струм входу | Звідки сигнал |
|---|
| DA | 3-32 В постійного струму, клеми 3 (+) і 4 (-) | 24-380 В змінного струму | 15 мА за 5 В | вихід контролера ЧПУ, ПЛК або терморегулятора з виходом на твердотільне реле |
| AA | 80-250 В змінного струму, клеми 3 і 4 | 24-380 В змінного струму | від мережі 220 В | кнопка, вимикач, терморегулятор з релейним виходом, контакт іншого реле |
Для верстата з ЧПУ підходить тип DA: його вмикає вихід контролера на 5 або 24 В. Вихід має віддавати струм не менший за струм входу реле, 15 мА за 5 В. Якщо вихід контролера слабший, між ним і реле ставлять транзисторний каскад або проміжне реле. Тип AA зручний там, де керувальний сигнал уже на 220 В: реле вмикається від звичайної кнопки або контакту терморегулятора, і навантаження на десятки ампер не потрібно пропускати через ці контакти.
Нагрів реле і розрахунок радіатора
Відкритий тиристорний ключ не схожий на замкнений контакт: на ньому падає до 1.6 В. Потужність, яка перетворюється на тепло, дорівнює цьому спаду, помноженому на струм, і формула P = 1.6 x I дає її верхню оцінку. На повному номінальному струмі реле виділяє:
| Номінальний струм реле | Тепло на номінальному струмі |
|---|
| 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 собі відводить таку потужність погано. Без радіатора реле працює лише на малих струмах, уже за струму понад 8 А потрібен додатковий тепловідвід. Номінальний струм указано для реле на радіаторі: у разі перегріву ключ втрачає здатність тримати навантаження і виходить з ладу. Тому вибір реле завжди йде разом із вибором радіатора.
Приклад: нагрівач 3 кВт на 220 В бере 3000 / 220 = 13.6 А, реле виділяє 1.6 x 13.6 = 21.8 Вт. Це реле на 25 А на алюмінієвому радіаторі 80 x 50 x 50 мм, його пасивного охолодження вистачає до 25 А. Для струмів до 60 А беруть радіатор 125 x 100 x 50 мм із двома блоками ребер, а за струму понад 40 А або в закритій шафі додають обдув вентилятором.
Основу реле і площадку радіатора очищують, наносять тонкий шар термопасти і притягують реле гвинтами рівномірно. Радіатор ставлять ребрами вертикально, щоб тепле повітря піднімалося вздовж них, і залишають вільне місце зверху і знизу. Після перших годин роботи під навантаженням перевіряють температуру: якщо радіатор не можна тримати рукою, потрібен більший радіатор, обдув або реле з більшим запасом за струмом.
Як вибрати струм реле
Для нагрівачів та інших активних навантажень струм рахують за потужністю: I = P / U. Реле вибирають з номіналом, вищим за цей струм, і одразу рахують його нагрів за формулою P = 1.6 x I. Що більша різниця між номіналом і робочим струмом, то холодніше працює реле і то менший потрібен радіатор.
З індуктивним навантаженням, таким як двигуни, трансформатори і котушки, реле працює важче: під час увімкнення струм у кілька разів вищий за робочий, а під час вимкнення індуктивність дає викид напруги. Для такого навантаження допустимий струм реле у 8 разів менший за номінальний. Реле на 40 А підходить для двигуна з робочим струмом 5 А, реле на 100 А для двигуна зі струмом 12 А. Лампи розжарювання і навантаження з великим пусковим струмом теж потребують запасу за струмом.
Приклад для майстерні: пилосос 1.4 кВт на 220 В бере 1400 / 220 = 6.4 А. Двигун пилососа індуктивне навантаження, тому реле на 40 А з допустимим струмом 5 А вже замало, потрібне реле на 60 А і вище. Нагрівачу з тим самим струмом 6.4 А вистачає реле на 25 А.
Підключення і захист
Клеми 1 і 2 вмикають послідовно з навантаженням у розрив фазного проводу, полярність для них не має значення. Керувальний сигнал подають на клеми 3 і 4: у реле DA з дотриманням полярності, плюс на клему 3, у реле AA полярності немає. Для трифазного навантаження ставлять реле в кожну фазу і керують усіма реле одним сигналом.
Закрите реле не розриває коло повністю: через ключ проходить струм витоку до 2 мА. Цього досить, щоб слабко світилася світлодіодна лампа або на клемах навантаження залишалася небезпечна напруга. Тому реле не замінює вимикач для безпеки: перед роботами з навантаженням його знеструмлюють автоматом. Перед реле ставлять автомат або запобіжник за струмом навантаження, а корпус радіатора з’єднують із захисним заземленням.
Силові проводи затягують у клемах до упору: слабкий контакт під струмом у десятки ампер гріється і підгоряє. Керувальні проводи прокладають окремо від силових. Робоча температура навколишнього повітря для реле від -30 до +75 °C, але що гарячіше повітря в шафі, то менший струм реле тримає на тому самому радіаторі.
Твердотільне реле чи контактор
| Параметр | Твердотільне реле | Контактор або електромеханічне реле |
|---|
| Комутація | без іскри і дуги, увімкнення в нулі напруги | іскра і дуга на контактах, контакти обгоряють |
| Ресурс | не залежить від кількості увімкнень | обмежений зносом контактів |
| Шум | безшумно | клацання під час кожного спрацювання |
| Час спрацювання | до 10 мс | десятки мілісекунд |
| Тепло | 1.6 В на ключі, потрібен радіатор | втрати в контактах малі |
| Вимкнений стан | струм витоку до 2 мА | повний розрив кола |
| Постійний струм навантаження | реле DA і AA не комутують | комутує, якщо контакти на це розраховані |
| Де краще | часті увімкнення, нагрівачі з терморегулятором, безшумна робота | рідкі увімкнення, двигуни, навантаження постійного струму |
Для нагрівача, яким терморегулятор керує десятки разів на хвилину, твердотільне реле підходить краще: контактор за такої частоти швидко зношується. Для помпи або пилососа, які вмикаються кілька разів за зміну, працюють обидва варіанти, і вибір вирішують струм двигуна, місце в шафі і нагрів.
Типові помилки
- Ставити реле на 25 А без радіатора на навантаження 20 А: реле виділяє 32 Вт і перегрівається.
- Вибирати реле для двигуна за робочим струмом двигуна, без запасу для індуктивного навантаження.
- Намагатися вимикати реле DA або AA навантаження постійного струму: ключ не закриється.
- Подавати на вхід реле DA напругу понад 32 В, наприклад від блока живлення 36 В.
- Плутати реле DA і AA: реле AA не ввімкнеться від виходу контролера на 5 або 24 В.
- Вважати закрите реле розривом кола і працювати з навантаженням без вимкнення автомата.
- Ставити реле на радіатор без термопасти або з перекосом основи.
- Вмикати навантаження на 12 В змінного струму: нижня межа реле 24 В.
- Підключати до виходу контролера реле без перевірки струму входу 15 мА.
