Что такое твёрдотельное реле?

Устройство и параметры твёрдотельных реле

Радиоэлектроника развивается стремительными темпами и то, что совсем недавно использовалось повсеместно, в настоящее время кажется пережитком далёкой старины. Электромеханическое реле ещё активно используется, но на смену ему идёт принципиально новый электронный прибор – твёрдотельное реле.

В англоязычной технической литературе твердотельное реле (ТТР), имеет сокращённое обозначение SSR (Solid State Relays).

Твёрдотельное реле служит для управления силовыми цепями с помощью низковольтной цепи управления. В качестве коммутатора силовой цепи используются мощные ключи на полупроводниковых структурах, выполненных по типу: транзистора, тиристора или симистора.



По сути, твёрдотельное реле является аналогом всем знакомого электромеханического, но выполненного по полупроводниковой технологии.

Такие реле, в зависимости от типа, могут работать как в цепях переменного, так и постоянного тока.

Принцип работы твёрдотельного реле.

Работает твердотельное реле следующим образом: управляющий сигнал подаётся на светодиод. Оптическое излучение вызывает на фотоприёмнике (фотодиоде) появление ЭДС. Это напряжение подаётся на управляющую схему, которая вырабатывает сигнал для управления выходным ключом.



Таким образом, вся работа твёрдотельного реле осуществляется в нескольких ступенях разделённых между собой:

• Входная цепь (излучающий диод).
  
  
• Оптическая развязка.
  
  
• Фотодиод с триггером управления (схема управления).
  
  
• Цепь коммутации (симистор).
  
  
• Цепь защиты выходного ключа (варистор и т.п.).
  
  

В зависимости от назначения и параметров твёрдотельного реле оно может иметь различное устройство. Как уже говорилось, в качестве силового ключевого элемента, который коммутирует ток нагрузки, может быть использован симистор, МДП-транзистор, тиристор, диод, биполярный транзистор или IGBT-транзистор. Благодаря этому в продаже можно найти твёрдотельное реле под любую задачу.

Основных параметров у твёрдотельного реле немного:

• Коммутируемое напряжение U_макс;
  
  
• Коммутируемый ток I_макс;
  
  
• Управляющий сигнал;
  
  
• Скорость переключения.
  
  

Качественные отличия твёрдотельных реле от электромеханических.

Почему твёрдотельные полупроводниковые реле всё активней занимают место «классических» электромеханических? Как известно, у электромеханических реле недостатков много: большое время срабатывания, подгорание контактов (как следствие, низкая надёжность), дребезг контактов, искрение (вызывает помехи в работе аппаратуры).

По сравнению с электромагнитными реле, твёрдотельные обладают рядом несомненных преимуществ:

• Допускается не менее миллиарда переключений, что в тысячу раз превышает этот показатель у обычных электромеханических.
  
  
• Совместимость с уровнями логических микросхем. То есть SSR можно управлять прямо с выхода микросхем.
  
  
• Отсутствие контактов а, следовательно, и дребезга.
  
  
• Бесшумная работа, вибростойкость, высокое быстродействие.
  
  
• Очень малое энергопотребление.
  
  

Следует отметить, что твёрдотельные реле очень чувствительны к превышению, как напряжения, так и тока. Поэтому, выбирая твердотельное реле необходимо всегда учитывать запас минимум в 20 %. Есть ещё два очень важных момента, на которые необходимо обращать внимание. Эти устройства очень боятся перегрева, а при работе полупроводниковая структура сильно нагревается, поэтому наличие радиатора необходимо. Очень часто коммутируемую цепь шунтируют варистором для защиты от импульсных выбросов.

Маломощные твёрдотельные реле.

Существует целая серия твердотельных реле рассчитанных на работу с небольшими токами и напряжениями. Их принято называть телекоммуникационными реле или MER (MicroElectronic Relay). Как правило, они рассчитаны на коммутацию нагрузки небольшой мощности.

Маломощные полупроводниковые реле имеют очень небольшие размеры и прекрасно зарекомендовали себя, работая в многофункциональных телефонных аппаратах, контрольно-измерительной аппаратуре, модемах, приёмно-контрольных приборах систем охранной и пожарной сигнализации.

Поскольку они работают в слаботочных системах, их внутренняя схемотехника заметно упрощена с целью снижения себестоимости. Особенно удобно их использование в системах оповещения о пожаре или несанкционированном проникновении. В этих системах требуется очень высокий уровень надёжности, который далеко не всегда могут обеспечить электромагнитные реле. Рассмотрим устройство слаботочного реле CPC1035.



Как видно из рисунка, такое реле представляет собой комбинированное устройство. В его составе есть высокоэффективный излучающий AsGaAl-инфракрасный диод. Он является управляющей цепью (Control). Нагрузку (Load) коммутирует сдвоенный MOSFET транзистор. Благодаря сдвоенному MOSFET транзистору реле допускает коммутацию переменного тока. Как только на инфракрасный диод подаётся напряжение, он начинает излучать. Излучение принимается фотодиодной матрицей, в которой создаётся фото-ЭДС. Далее, полученное от фотоматрицы напряжение (фото-ЭДС), подаётся на управляющую схему. Та в свою очередь управляет ключом из полевых транзисторов. Цепь нагрузки начинает пропускать ток. Как видим, в основе любого твёрдотельного реле лежит полупроводниковая технология.

Основные параметры CPC1035:

• Коммутируемое переменное напряжение (Blocking Voltage) — 0…350 В;
  
  
• Максимальный ток нагрузки (Load Current) — 100 мА;
  
  
• Максимальное сопротивление ключа во включенном состоянии (Max On-resistance) — 35 Ом;
  
  
• Величина управляющего тока — 2…50 мА (Ток управления — постоянный).
  
  

Такие маломощные и миниатюрные реле активно используются в охранных датчиках. Вот, например, реле COSMO типа CPC1008 на плате датчика движения "Фотон-Ш". Оно подключается в охранный шлейф приёмно-контрольного прибора (например, ППКОП "Гранит") или к линии, которая подключена к пульту центрального наблюдения (ПЦН).



Твёрдотельные реле серии CPC10xx также есть в составе охранного датчика "Астра-621". Это многофункциональный датчик. Он контролирует движение в охраняемой зоне за счёт пироэлектрического датчика и осуществляет контроль разбития окон за счёт чувствительного микрофона. На печатной плате прибора расположено два полупроводниковых реле типа CPC1016N. Одно срабатывает при детектировании движения в охранной зоне, а другое срабатывает при разбитии окон.



Если приглядеться, то можно увидеть, что на печатной плате твёрдотельное реле обозначается как DA4 и DA5. Как известно, сокращением DA обычно указывают на схемах аналоговые микросхемы. Поэтому стоит понимать, что твёрдотельное реле это не отдельный электронный компонент, а по своей сути специализированная микросхема, наподобие ИК-приёмника.