Solid state-relä: typer, praktisk tillämpning, anslutningsscheman

Klassiska startmotorer och kontaktorerna försvinner gradvis. Deras plats inom bilelektronik, hushållsapparater och industriell automation tas över av solid state-reläer – en halvledarenhet som saknar några rörliga delar.

Enheterna har olika konstruktioner och kopplingsscheman som bestämmer deras användningsområden. Innan du använder enheten måste du förstå dess funktionsprincip och lära dig om funktionerna och anslutningen av olika typer av reläer. Svar på dessa frågor ges i detalj i den presenterade artikeln.

Solid state-reläets uppbyggnad

Moderna solid state-reläer (SSR) är modulära halvledarenheter som fungerar som elektriska strömbrytare.

De viktigaste arbetsenheterna i dessa enheter är triac, tyristorer eller transistorer. SSR har inga rörliga delar, vilket skiljer dem från elektromekaniska reläer.

Storleken på ett solid state-relä beror till stor del på den maximalt tillåtna belastningen och möjligheten att avleda värme genom värmeöverföring och konvektion (+)

Den interna uppbyggnaden av dessa enheter kan variera mycket beroende på typen av reglerad last och elektriska krets.

De enklaste solid state-reläerna omfattar följande komponenter:

• ingångsenhet med säkringar;
• triggkrets;
• optisk (galvanisk) isolering;
• omkopplingsenhet;
• skyddskretsar;
• utgångsenhet till last.

SSR:s ingångsenhet är en primärkrets med ett seriekopplat motstånd. En säkring kan valfritt integreras i denna krets. Ingångsenhetens uppgift är att ta emot styrsignalen och överföra kommandot till lastomkopplarna.

Vid växelström används galvanisk isolering för att skilja styrkretsen från huvudkretsen. Reläets funktionsprincip beror till stor del på dess konstruktion. Triggkretsen som ansvarar för bearbetning av ingångssignalen kan ingå i den optiska isoleringsenheten eller placeras separat.

Skyddskretsen förhindrar överbelastningar och fel, eftersom i händelse av enhetsfel kan även den anslutna utrustningen skadas.

Halvledarreläernas huvudsakliga syfte är att sluta/öppna ett elektriskt nätverk med hjälp av en svag styrsignal. Till skillnad från elektromekaniska motsvarigheter har de en mer kompakt form och ger inga karakteristiska klickljud under drift.

SSR:s funktionsprincip

Arbetet med ett halvledarrelä är ganska enkelt. De flesta SSR är avsedda för styrning av automation i nätverk på 20-480 V.

Optisk isolering gör det möjligt att skapa styrsignaler med minimal effekt, vilket är kritiskt för sensorer som drivs av oberoende strömkällor (+).

I klassisk utförande ingår två kontakter för den kopplade kretsen och två styrledningar i enhetens hölje. Deras antal kan ändras när antalet anslutna faser ökar. Beroende på om spänning finns i styrkretsen, slås huvudlasten på eller av med hjälp av halvledarelement.

En egenskap hos halvledarreläer är att de har en ändlig resistans. Medan kontakterna i elektromekaniska enheter bryts helt, så åstadkoms strömlöshet i kretsen hos halvledarreläer av halvledarmaterialens egenskaper.

Därför kan små läckströmmar uppstå vid förhöjda spänningar, vilket kan påverka den anslutna utrustningens funktion negativt.

Klassificering av solid state-reläer

Tillämpningsområdena för reläer är varierande, därför kan deras konstruktionsegenskaper också skilja sig mycket, beroende på behoven i en specifik automatikkrets. SSR klassificeras efter antalet anslutna faser, typ av arbetsström, konstruktionsegenskaper och typ av styrkrets.

Efter antal anslutna faser

Halvledarreläer används både i hushållsapparater och i industriell automation med driftspänning 380 V.

Därför delas dessa halvledarenheter, beroende på antalet faser, in i:

• enfasiga;
• trefasiga.

Enfasiga SSR kan arbeta med strömmar på 10-100 eller 100-500 A. De styrs med hjälp av en analog signal.

Till ett trefasrelä rekommenderas att ansluta ledningar i olika färger, så att de kan kopplas korrekt vid installation av utrustningen.

Trefasiga halvledarreläer kan leda ström i intervallet 10-120 A. Deras konstruktion förutsätter en reversibel funktionsprincip, som säkerställer tillförlitlig reglering av flera elektriska kretsar samtidigt.

Trefasiga SSR används ofta för att driva en asynkronmotor. I dess styrkrets måste snabba säkringar inkluderas på grund av höga startströmmar.

Efter typ av arbetsström

Solid state-reläer kan inte justeras eller omprogrammeras, så de fungerar normalt endast inom ett specifikt intervall av elektriska nätverksparametrar.

Beroende på behoven kan solid state-reläer styras av elektriska kretsar med två typer av ström:

• likström;
• växelström.

På samma sätt kan solid state-reläer klassificeras efter typen av spänning för den aktiva lasten. De flesta reläer i hushållsapparater arbetar med växelspänningsparametrar.

Likström används inte som primär elkälla i något land, så reläer av denna typ har ett snävt användningsområde.

Enheter med likströmsstyrström kännetecknas av hög tillförlitlighet och använder en styrspänning på 3-32 V. De tål ett brett temperaturområde (-30..+70°C) utan betydande förändring av egenskaperna.

Reläer som styrs av växelström har en styrspänning på 3-32 V eller 70-280 V. De kännetecknas av låga elektromagnetiska störningar och hög omkopplingshastighet.

Efter konstruktionsdetaljer

Solid state-reläer installeras ofta i lägenhetens gemensamma elskåp, därför har många modeller en monteringsplint för infästning på DIN-skena.

Dessutom finns det speciella kylflänsar som placeras mellan SSR och monteringsytan. De gör det möjligt att kyla enheten vid höga belastningar och bibehålla dess prestanda.

Reläet monteras på DIN-skenan främst via en speciell konsol, som även har en extra funktion – att leda bort överskottsvärme under drift.

Det rekommenderas att applicera ett lager termisk pasta mellan reläet och kylflänsen, vilket ökar kontaktytan och förbättrar värmeavledningen. Det finns även SSR avsedda för väggmontering med vanliga skruvar.

Efter typ av styrschema

Arbetsprincipen för styrd reläutrustning kräver inte alltid omedelbar omkoppling.

Därför har tillverkare utvecklat flera styrkretsar för SSR, som används inom olika områden:

1. Nollgenomgångsstyrning. Denna typ av SSR-styrning aktiveras endast när spänningen är noll. Används i enheter med kapacitiv, resistiv (värmare) och svag induktiv (transformatorer) belastning.
2. Omedelbar. Används när omedelbar reläaktivering behövs vid applicering av styrsignal.
3. Fasstyrning. Innebär reglering av utgångsspänningen genom att ändra styrströmmens parametrar. Används för jämn justering av värme eller belysning.

Solid state-reläer skiljer sig även i många andra, mindre betydande parametrar. Därför är det viktigt vid köp av SSR att förstå driftschemat för den anslutna utrustningen för att köpa den mest lämpliga styrenheten.

En effektreserv måste alltid finnas, eftersom reläet har en livslängd som snabbt förbrukas vid frekventa överbelastningar.

Fördelar och nackdelar med SSR

Halvledarreläer tränger inte utan anledning bort vanliga startmotorer och kontaktorer från marknaden. Dessa halvledarkomponenter har många fördelar jämfört med elektromekaniska motsvarigheter, vilket får användare att välja just dem.

Reläet för mikrokretsar har kompakta mått och är kraftigt begränsat i maximal strömstyrka. Det monteras främst genom att löda fast speciella ben.

Till dessa fördelar räknas:

1. Låg energiförbrukning (90 % mindre).
2. Kompakta mått som gör det möjligt att montera enheter i begränsade utrymmen.
3. Hög start- och avstängningshastighet
4. Minskad ljudnivå, inga karakteristiska klickljud från elektromekaniska reläer.
5. Inget underhåll krävs.
6. Lång livslängd tack vare en livslängd på hundratals miljoner omkopplingar.
7. Tack vare de breda möjligheterna att modifiera elektroniska enheter har SSR utökade användningsområden.
8. Inga elektromagnetiska störningar vid omkoppling.
9. Kontaktskada på grund av mekanisk stöt undviks.
10. Ingen direkt fysisk kontakt mellan styr- och kopplingskretsar.
11. Möjlighet att reglera lasten.
12. Förekomst av automatiska skyddskretsar i puls-SSR som skyddar mot överbelastning.
13. Möjlighet att använda i explosiva miljöer.

De nämnda fördelarna med halvledarreläer är inte alltid tillräckliga för normal drift av utrustning. Det är därför de ännu inte helt har ersatt elektromekaniska kontaktorer.

För stabil drift av kraftfulla halvledarreläer är effektiv värmeavledning viktig, eftersom lastspänningen kraftigt förvrängs vid förhöjda temperaturer (+).

SSR har även nackdelar som hindrar deras användning i många fall.

Till nackdelarna räknas:

1. De flesta enheter kan inte arbeta med spänningar över 0,5 kV.
2. Hög kostnad.
3. Känslighet för höga strömmar, särskilt i startkretsar för elmotorer.
4. Begränsningar vid användning i fuktiga miljöer.
5. Kritisk försämring av prestanda vid temperaturer under -30°C frost och över +70°C värme.
6. Den kompakta kåpan leder till överhettning av enheten vid konstant höga laster, vilket kräver användning av speciella passiva eller aktiva kylningsanordningar.
7. Risk för smältning av enheten på grund av värme vid kortslutning.
8. Mikroströmmar i reläets avstängda tillstånd kan vara kritiska för utrustningens funktion. Till exempel kan anslutna lysrörslampor periodvis blinka.

Sålunda har halvledarreläer vissa tillämpningsområden. I högspänningsindustriella utrustningskretsar är deras användning kraftigt begränsad på grund av ofullkomliga fysikaliska egenskaper hos halvledarmaterial.

Men inom hushållsapparater och fordonsindustrin har halvledarreläer en stark ställning tack vare sina positiva egenskaper.

Möjliga kopplingsscheman

Anslutningsscheman för halvledarreläer kan vara mycket varierande. Varje elektrisk krets byggs utifrån den anslutna lastens egenskaper. I schemat kan ytterligare säkringar, styrenheter och reglerenheter läggas till.

Tack vare att styr- och lastkretsarna i enheten inte överlappar, kan deras elektriska egenskaper skilja sig med valfria parametrar (+).

Därefter presenteras de enklaste och vanligaste anslutningsscheman för halvledarreläer:

• normalt öppen;
• med kopplad krets;
• normalt stängd;
• trefas;
• reversibel.

Normalt öppen (bruten) krets – relä där lasten är spänningssatt när en styrsignal finns. Det vill säga den anslutna utrustningen är i avstängt tillstånd när ingångarna 3 och 4 är spänningslösa.

Innan köp av relä måste man bestämma vilken typ av dess initiala tillstånd (slutet eller öppet) som krävs för att säkerställa korrekt funktion av den anslutna utrustningen (+).

Normalt stängd krets – avser ett relä där lasten är spänningssatt när ingen styrsignal finns. Det vill säga den anslutna utrustningen är i fungerande tillstånd när ingångarna 3 och 4 är spänningslösa.

Det finns ett anslutningsschema för halvledarreläet där styrspänningen och lastspänningen är densamma. Denna metod kan användas samtidigt för drift i både lik- och växelströmsnät.

Trefasreläer ansluts enligt något annorlunda principer. Kontakterna kan kopplas i alternativen «Stjärna», «Triangel» eller «Stjärna med nolla».

Valet av trefasanslutningsschema för reläet beror till stor del på egenskaperna hos den utrustning som är ansluten till det som last.

Reversibla halvledarreläer används i elmotorer i motsvarande läge. De tillverkas i trefasutförande och inkluderar två styrkretsar.

Om det är viktigt för reläet att polariteten vid anslutning av kontakterna iakttas, kommer det alltid att anges på märkningen var fas och nolla ska anslutas.

Elektriska kretsar med SSR får endast monteras efter att de först ritats upp på papper, eftersom felaktigt anslutna enheter kan förstöras på grund av kortslutning.

Praktisk tillämpning av enheter

Användningsområdet för halvledarrelän är ganska omfattande. På grund av hög tillförlitlighet och avsaknad av behov av regelbundet underhåll installeras de ofta på svåråtkomliga platser i utrustning.

I många relän kräver anslutning av styrkretsens ledningar att polariteten följs, vilket måste beaktas vid installation av utrustningen.

De främsta tillämpningsområdena för SSR är:

• termoregleringssystem med värmeelement;
• upprätthållande av stabil temperatur i industriella processer;
• övervakning av transformatorer;
• ljusreglering;
• kretsar för rörelsesensorer, belysningssensorer, fotoceller för gatubelysning etc.;
• styrning av elmotorer;
• avbrottsfria strömkällor (UPS).

I takt med ökad automatisering av hushållsapparater blir halvledarrelän allt mer utbredda, och den ständigt utvecklande halvledartekniken öppnar ständigt nya användningsområden.

Om man vill kan man bygga ett halvledarrelä själv. Detaljerad instruktion finns i den här artikeln.

Slutsatser och användbar video om ämnet

De presenterade videoklippen hjälper dig att bättre förstå hur halvledarrelän fungerar och lära dig hur de ansluts.

Praktisk demonstration av ett enkelt halvledarreläs funktion:

Genomgång av varianter och egenskaper hos halvledarrelän:

Testning av funktion och uppvärmningsgrad för SSR:

Nästan vem som helst kan montera en elektrisk krets av ett halvledarrelä och en sensor.

Men att planera arbetskretsen kräver grundläggande kunskaper inom elektroteknik, eftersom felaktig anslutning kan leda till elstöt eller kortslutning. Däremot kan man genom korrekta åtgärder få många användbara apparater för hemmet.

Har du något att tillägga eller frågor om anslutning och användning av halvledarrelän? Du kan lämna kommentarer till inlägget, delta i diskussioner och dela din egen erfarenhet av att använda sådana enheter. Kontaktformuläret finns i det nedre blocket.