Polovodičové relé: typy, praktické využitie, schémy zapojenia

Klasické spúšťače a kontraktory postupne odchádzajú do minulosti. Ich miesto v automobilovej elektronike, domácich spotrebičoch a priemyselnej automatike zaujíma polovodičové relé – polovodičové zariadenie, ktoré nemá žiadne pohyblivé časti.

Prístroje majú rôzne konštrukcie a schémy zapojenia, od ktorých závisia oblasti ich použitia. Pred použitím zariadenia je potrebné pochopiť jeho princíp činnosti, dozvedieť sa o špecifikách fungovania a zapojenia rôznych typov relé. Odpovede na uvedené otázky sú podrobne vysvetlené v predloženom článku.

Konštrukcia polovodičového relé

Moderné polovodičové relé (SSR) predstavujú modulové polovodičové prístroje, ktoré sú silovými elektrickými spínačmi.

Kľúčové pracovné uzly týchto zariadení tvoria triaky, tyristory alebo tranzistory. SSR nemajú pohyblivé časti, čím sa líšia od elektromechanických relé.

Veľkosť polovodičového relé do značnej miery závisí od maximálneho prípustného zaťaženia a možnosti odvádzať teplo prostredníctvom prenosu tepla a konvekcie (+)

Vnútorné usporiadanie týchto prístrojov sa môže výrazne líšiť v závislosti od typu regulovanej záťaže a elektrickej schémy.

Najjednoduchšie polovodičové relé zahŕňajú tieto uzly:

• vstupný uzol s poistkami;
• spúšťací obvod;
• optické (galvanické) oddelenie;
• prepínací uzol;
• ochranné obvody;
• uzol výstupu na záťaž.

Vstupný uzol SSR predstavuje primárny obvod so sériovo zapojeným rezistorom. Poistka je do tohto obvodu vložená voliteľne. Úlohou vstupného uzla je prijatie riadiaceho signálu a odovzdanie príkazu spínačom, ktoré spínajú záťaž.

Pri striedavom prúde sa na oddelenie riadiaceho a hlavného obvodu používa galvanické oddelenie. Od jeho konštrukcie do značnej miery závisí princíp činnosti relé. Spúšťací obvod zodpovedný za spracovanie vstupného signálu môže byť zahrnutý do uzla optického oddelenia alebo umiestnený samostatne.

Ochranný uzol zabraňuje vzniku preťažení a chýb, pretože v prípade poruchy prístroja môže dôjsť k poškodeniu aj pripojeného zariadenia.

Hlavným účelom polovodičových relé je zapínanie/vypínanie elektrickej siete pomocou slabého riadiaceho signálu. Na rozdiel od elektromechanických analógov majú kompaktnejšiu formu a pri prevádzke nevydávajú charakteristické cvakanie.

Princíp činnosti SSR

Činnosť polovodičového relé je pomerne jednoduchá. Väčšina TTR je určená na riadenie automatizácie v sieťach 20-480 V.

Optická izolácia umožňuje vytvárať riadiace signály minimálneho výkonu, čo je kriticky dôležité pre snímače napájané z autonómnych zdrojov (+)

Pri klasickom prevedení sú v tele prístroja dva kontakty spínaného obvodu a dva riadiace vodiče. Ich počet sa môže meniť pri zvýšení počtu pripojených fáz. V závislosti od prítomnosti napätia v riadiacom obvode dochádza k zapínaniu alebo vypínaniu hlavného zaťaženia polovodičovými prvkami.

Zvláštnosťou polovodičových relé je prítomnosť konečného odporu. Zatiaľ čo kontakty elektromechanických zariadení sú úplne oddelené, v polovodičových relé je neprítomnosť prúdu v obvode zabezpečená vlastnosťami polovodičových materiálov.

Preto sa pri zvýšených napätiach môžu objaviť malé unikajúce prúdy, ktoré môžu negatívne ovplyvniť činnosť pripojenej techniky.

Klasifikácia polovodičových relé

Oblasti použitia relé sú rôznorodé, preto sa ich konštrukčné vlastnosti môžu výrazne líšiť v závislosti od potrieb konkrétnej automatickej schémy. TTR sa klasifikujú podľa počtu pripojených fáz, druhu pracovného prúdu, konštrukčných vlastností a typu riadiacej schémy.

Podľa počtu pripojených fáz

Polovodičové relé sa používajú ako v domácich spotrebičoch, tak aj v priemyselnej automatizácii s pracovným napätím 380 V.

Preto sa tieto polovodičové zariadenia v závislosti od počtu fáz delia na:

• jednofázové;
• trojfázové.

Jednofázové TTR umožňujú prácu s prúdmi 10-100 alebo 100-500 A. Ich riadenie sa vykonáva pomocou analógového signálu.

K trojfázovému relé sa odporúča pripojiť vodiče rôznych farieb, aby sa pri montáži zariadenia dali správne pripojiť

Trojfázové polovodičové relé sú schopné viesť prúd v rozsahu 10-120 A. Ich konštrukcia predpokladá reverzný princíp fungovania, ktorý zabezpečuje spoľahlivosť regulácie niekoľkých elektrických obvodov súčasne.

Trojfázové TTR sa často používajú na zaistenie činnosti asynchrónneho motora. Do jeho riadiacej elektrickej schémy musia byť zahrnuté rýchle poistky kvôli vysokým štartovacím prúdom.

Podľa druhu pracovného prúdu

Polovodičové relé nie je možné nastaviť ani preprogramovať, preto môžu správne fungovať iba v určitom rozsahu elektrických parametrov siete.

V závislosti od potrieb môžu byť SSR riadené elektrickými obvodmi s dvoma druhmi prúdu:

• jednosmerným;
• striedavým.

Podobne možno klasifikovať SSR aj podľa druhu napätia aktívnej záťaže. Väčšina relé v domácich spotrebičoch pracuje so striedavými parametrami.

Jednosmerný prúd sa v žiadnej krajine sveta nepoužíva ako hlavný zdroj elektrickej energie, preto relé tohto typu majú úzku oblasť použitia.

Zariadenia s jednosmerným riadiacim prúdom sa vyznačujú vysokou spoľahlivosťou a na reguláciu používajú napätie 3-32 V. Znesú široký teplotný rozsah (-30..+70°C) bez výraznej zmeny charakteristík.

Relé riadené striedavým prúdom majú riadiace napätie 3-32 V alebo 70-280 V. Vyznačujú sa nízkym elektromagnetickým rušením a vysokou rýchlosťou spínania.

Podľa konštrukčných vlastností

Polovodičové relé sa často inštalujú do spoločného elektrického rozvádzača bytu, preto mnohé modely majú montážnu pätku na upevnenie na DIN lištu.

Okrem toho existujú špeciálne chladiče, umiestnené medzi SSR a nosnú plochu. Umožňujú chladiť zariadenie pri vysokom zaťažení pri zachovaní jeho prevádzkových vlastností.

Relé sa upevňuje na DIN lištu prevažne pomocou špeciálneho držiaka, ktorý má aj dodatočnú funkciu – odvádza prebytočné teplo pri prevádzke zariadenia.

Medzi relé a chladič sa odporúča naniesť vrstvu tepelnej pasty, ktorá zväčšuje plochu kontaktu a zvyšuje odvod tepla. Existujú aj SSR určené na upevnenie na stenu bežnými skrutkami.

Podľa typu riadiacej schémy

Princíp činnosti riadeného relé nie vždy vyžaduje jeho okamžité zopnutie.

Preto výrobcovia vyvinuli niekoľko riadiacich schém SSR, ktoré sa používajú v rôznych oblastiach:

1. Riadenie cez nulu. Táto možnosť riadenia polovodičového relé predpokladá zopnutie len pri hodnote napätia rovnajúcej sa 0. Používa sa v zariadeniach s kapacitnou, rezistívnou (ohrievače) a slabou indukčnou (transformátory) záťažou.
2. Okamžité. Používa sa pri potrebe prudkého zopnutia relé po privedení riadiaceho signálu.
3. Fázové. Predpokladá reguláciu výstupného napätia zmenou parametrov riadiaceho prúdu. Používa sa na plynulú zmenu stupňa vykurovania alebo osvetlenia.

Polovodičové relé sa líšia aj v mnohých iných, menej dôležitých parametroch. Preto je pri kúpe SSR dôležité porozumieť schéme činnosti pripájaného zariadenia, aby ste si zakúpili čo najviac vyhovujúce regulačné zariadenie.

Musí byť zabezpečená rezerva výkonu, pretože relé má prevádzkovú životnosť, ktorá sa rýchlo spotrebúva pri častých preťaženiach.

Výhody a nevýhody SSR

Polovodičové relé nie náhodou vytláčajú z trhu bežné štartéry a stykače. Tieto polovodičové zariadenia majú oproti elektromechanickým analógom množstvo výhod, ktoré nútia spotrebiteľov zastaviť výber práve na nich.

Relé pre mikroobvody má kompaktné rozmery a je silne obmedzené maximálnym prechádzajúcim prúdom. Upevňujú sa prevažne prispájkovaním špeciálnych vývodov.

K takýmto výhodám patrí:

1. Nízka spotreba elektrickej energie (o 90 % menej).
2. Kompaktné rozmery umožňujúce montáž zariadení v obmedzenom priestore.
3. Vysoká rýchlosť zapnutia a vypnutia
4. Znížená hlučnosť prevádzky, chýbajú charakteristické cvakania elektromechanického relé.
5. Nevyžaduje sa technická údržba.
6. Dlhá životnosť vďaka životnosti stoviek miliónov spínaní.
7. Vďaka širokým možnostiam modifikácie elektronických uzlov majú SSR rozšírené oblasti použitia.
8. Absencia elektromagnetického rušenia pri spínaní.
9. Vylučuje sa poškodenie kontaktov v dôsledku mechanického nárazu.
10. Absencia priameho fyzického kontaktu medzi riadiacimi a spínacími obvodmi.
11. Možnosť regulácie záťaže.
12. Prítomnosť automatických obvodov v impulzných SSR chrániace pred preťažením.
13. Možnosť použitia vo výbušnom prostredí.

Uvedené výhody polovodičových relé nie vždy postačujú na normálnu prevádzku zariadenia. Práve preto ešte úplne nevytlačili elektromechanické stykače.

Pre stabilnú prevádzku výkonných polovodičových relé je dôležitý efektívny odvod tepla, pretože pri zvýšených teplotách sa prudko skresľuje napätie záťaže (+)

SSR majú aj nevýhody, ktoré im neumožňujú použitie v mnohých prípadoch.

K mínusom patrí:

1. Nemožnosť prevádzky väčšiny zariadení s napätiami nad 0,5 kV.
2. Vysoká cena.
3. Citlivosť na vysoké prúdy, najmä v štartovacích obvodoch elektromotorov.
4. Obmedzenia pri použití v podmienkach zvýšenej vlhkosti.
5. Kritický pokles pracovných charakteristík pri teplotách pod 30 °C mrazu a nad 70 °C tepla.
6. Kompaktné puzdro vedie k nadmernému zahrievaniu zariadenia pri stabilne vysokých záťažiach, čo vyžaduje použitie špeciálnych zariadení pasívneho alebo aktívneho chladenia.
7. Možnosť roztavenia zariadenia od zahrievania pri skrate.
8. Mikroprúdy v uzavretom stave relé môžu byť kritické pre prevádzku zariadenia. Napríklad pripojené žiarivkové svetlá môžu periodicky blikať.

Teda, polovodičové relé majú určité oblasti použitia. V obvodoch vysokonapäťového priemyselného zariadenia je ich použitie výrazne obmedzené kvôli nedokonalým fyzikálnym vlastnostiam polovodičových materiálov.

Avšak v domácich spotrebičoch a automobilovom priemysle majú SSR pevné postavenie vďaka svojim pozitívnym vlastnostiam.

Možné schémy zapojenia

Schémy zapojenia polovodičových relé môžu byť veľmi rôznorodé. Každý elektrický obvod sa zostavuje na základe vlastností pripájanej záťaže. Do schémy sa môžu pridávať dodatočné poistky, regulátory a riadiace zariadenia.

Vďaka tomu, že riadiace a záťažové obvody v prístroji nie sú prepojené, ich elektrické charakteristiky sa môžu líšiť akýmikoľvek parametrami (+)

Ďalej budú uvedené najjednoduchšie a najbežnejšie schémy zapojenia SSR:

• normálne otvorená;
• so spojeným obvodom;
• normálne uzavretá;
• trojfázová;
• reverzibilná.

Normálne otvorená (rozpojená) schéma – – relé, v ktorom je záťaž pod napätím, keď je prítomný riadiaci signál. To znamená, že pripojené zariadenie je v odpojenom stave, keď sú vstupy 3 a 4 bez napätia.

Pred kúpou relé je potrebné určiť požadovaný typ jeho počiatočného stavu (uzavretý alebo rozpojený), aby sa zaistila správna činnosť pripojeného zariadenia (+)

Normáne uzavretá schéma – predpokladá sa relé, v ktorom je záťaž pod napätím pri neprítomnosti riadiaceho signálu. To znamná, že pripojené zariadenie je v pracovnom stave, keď sú vstupy 3 a 4 bez napätia.

Existuje schéma zapojenia polovodičového relé, v ktorom sú riadiace a záťažové napätie rovnaké. Tento spôsob možno použiť súčasne pre prácu v sieťach jednosmerného a striedavého prúdu.

Trocfázové relé sa pripájajú trochu inými princípmi. Kontakty sa môžu spájať v variantoch «Hviezda», «Trojuhelník» alebo «Hviezda s neutrálnym».

Výber trojfázovej schémy zapojenia relé do značnej miery závisí od osobitostí práce zariadenia, ktoré je k nemu pripojené ako záťaž

Reverzibilné polovodičové relé sa používajú v elektromotoch v príslušnom režime. Vyrábajú sa v trojfázovej varante a obsaujú dva riadiace obvody.

Ak je pre relé dôležité dodržanie polarity pripojenia kontaktov, tak na označení bude vždy uvedené, kam pripojiť fázu a nulu

Zostavovať elektrické obvody s TTR je potrebné až po ich predbežnom zakreslení na papieri, pretože nesprávne pripojené zariadenia môžu zlyhať v dôsledku skratu.

Praktické použitie zariadení

Oblasť používania polovodičových relé je pomerne rozsiahla. Vďaka vysokej spoľahlivosti a absencii potreby pravidelnej údržby sa často inštalujú na ťažko dostupných miestach zariadení.

V mnohých relé vyžaduje pripojenie vodičov riadiaceho obvodu dodržanie polarity, čo je potrebné zohľadniť v procese montáže zariadenia

Hlavnými oblasťami použitia TTR sú:

• systém termoregulácie s použitím TENov;
• udržiavanie stabilnej teploty v technologických procesoch;
• kontrola činnosti transformátorov;
• regulácia osvetlenia;
• schémy senzorov pohybu, osvetlenia, fotosenzorov pre vonkajšie osvetlenie a pod.;
• riadenie elektromotorov;
• zdroje neprerušiteľného napájania.

S nárastom automatizácie domácich spotrebičov získavajú polovodičové relé čoraz väčšie rozšírenie a rozvíjajúce sa polovodičové technológie neustále otvárajú nové oblasti ich použitia.

Ak chcete, polovodičové relé si môžete zostaviť aj svojpomocne. Podrobný návod je uvedený v tomto článku.

Závery a užitočné video k téme

Prezentované videá pomôžu lepšie pochopiť fungovanie polovodičových relé a zoznámiť sa so spôsobmi ich pripojenia.

Praktická ukážka činnosti najjednoduchšieho polovodičového relé:

Rozbor druhov a vlastností činnosti polovodičových relé:

Testovanie činnosti a stupňa zahrievania TTR:

Zmontovať elektrický obvod z polovodičového relé a snímača môže prakticky každý človek.

Avšak plánovanie pracovnej schémy vyžaduje základné znalosti v elektrotechnike, pretože nesprávne pripojenie môže viesť k úrazu elektrickým prúdom alebo skratu. Naopak, v dôsledku správneho konania možno získať množstvo užitočných spotrebičov do domácnosti.

Máte čo doplniť, alebo máte otázky k téme pripojenia a použitia polovodičových relé? Môžete zanechať komentáre k publikácii, zúčastniť sa diskusií a podeliť sa o vlastné skúsenosti s používaním takýchto zariadení. Kontaktný formulár sa nachádza v dolnom bloku.