Przekaźnik półprzewodnikowy: rodzaje, zastosowanie praktyczne, schematy połączeń

Klasyczne rozruszniki i styczniki powoli odchodzą w przeszłość.Ich miejsce w elektronice samochodowej, sprzęcie AGD i automatyce przemysłowej zajmują przekaźniki półprzewodnikowe – urządzenie półprzewodnikowe nie posiadające żadnych ruchomych części.

Urządzenia różnią się wykonaniem i schematami połączeń, które określają zakres ich zastosowania. Przed użyciem urządzenia należy zrozumieć jego zasadę działania, poznać funkcje działania i podłączenia różnych typów przekaźników. Odpowiedzi na powyższe pytania zostały szczegółowo opisane w prezentowanym artykule.

Urządzenie przekaźnikowe półprzewodnikowe

Nowoczesne przekaźniki półprzewodnikowe (SSR) to modułowe urządzenia półprzewodnikowe, które działają jako przełączniki elektryczne mocy.

Kluczowymi jednostkami operacyjnymi tych urządzeń są triaki, tyrystory lub tranzystory. SSR nie mają ruchomych części, co odróżnia je od przekaźników elektromechanicznych.

Rozmiar SSR w dużej mierze zależy od maksymalnej nośności i zdolności do rozpraszania ciepła poprzez wymianę ciepła i konwekcję (+)

Elementy wewnętrzne tych urządzeń mogą się znacznie różnić w zależności od rodzaju regulowanego obciążenia i obwodu elektrycznego.

Najprostsze przekaźniki półprzewodnikowe obejmują następujące elementy:

• jednostka wejściowa z bezpiecznikami;
• obwód wyzwalający;
• izolacja optyczna (galwaniczna);
• jednostka przełączająca;
• obwody ochronne;
• węzeł wyjściowy obciążenia.

Węzeł wejściowy SSR jest obwodem pierwotnym z rezystorem połączonym szeregowo. Opcjonalnie w ten obwód wbudowany jest bezpiecznik. Zadaniem węzła wejściowego jest odebranie sygnału sterującego i przesłanie polecenia do przełączników przełączających obciążenie.

W przypadku prądu przemiennego izolacja galwaniczna służy do oddzielenia obwodów sterujących i głównych. Zasada działania przekaźnika w dużej mierze zależy od jego konstrukcji. Obwód wyzwalający odpowiedzialny za przetwarzanie sygnału wejściowego może być umieszczony w jednostce izolacji optycznej lub umieszczony osobno.

Jednostka zabezpieczająca zapobiega występowaniu przeciążeń i błędów, ponieważ w przypadku awarii urządzenia, podłączony sprzęt może również ulec awarii.

Głównym celem przekaźników półprzewodnikowych jest zamykanie/otwieranie sieci elektrycznej przy użyciu słabego sygnału sterującego. W przeciwieństwie do analogów elektromechanicznych mają bardziej zwarty kształt i nie wytwarzają charakterystycznych kliknięć podczas pracy.

Zasada działania TTP

Działanie przekaźnika półprzewodnikowego jest dość proste. Większość przekaźników SSR jest przeznaczona do sterowania automatyką w sieciach 20-480 V.

Izolacja optyczna pozwala na tworzenie sygnałów sterujących o minimalnej mocy, co jest krytyczne w przypadku czujników pracujących z autonomicznych źródeł zasilania (+)

W wersji klasycznej korpus urządzenia zawiera dwa styki obwodu przełączającego i dwa przewody sterujące. Ich liczba może się zmieniać wraz ze wzrostem liczby podłączonych faz. W zależności od obecności napięcia w obwodzie sterującym, obciążenie główne jest włączane lub wyłączane za pomocą elementów półprzewodnikowych.

Cechą przekaźników półprzewodnikowych jest obecność nieskończonej rezystancji.Jeśli styki w urządzeniach elektromechanicznych są całkowicie rozłączone, wówczas w urządzeniach półprzewodnikowych brak prądu w obwodzie zapewniają właściwości materiałów półprzewodnikowych.

Dlatego przy podwyższonych napięciach mogą pojawić się niewielkie prądy upływowe, które mogą negatywnie wpłynąć na pracę podłączonego sprzętu.

Klasyfikacja przekaźników półprzewodnikowych

Obszary zastosowań przekaźników są różnorodne, dlatego ich cechy konstrukcyjne mogą się znacznie różnić w zależności od potrzeb konkretnego obwodu automatycznego. SSR są klasyfikowane według liczby podłączonych faz, rodzaju prądu roboczego, cech konstrukcyjnych i rodzaju obwodu sterującego.

Według liczby podłączonych faz

Przekaźniki półprzewodnikowe znajdują zastosowanie zarówno w sprzęcie AGD jak i w automatyce przemysłowej o napięciu pracy 380 V.

Dlatego te urządzenia półprzewodnikowe, w zależności od liczby faz, dzielą się na:

• jednofazowy;
• trójfazowy.

Jednofazowe SSR pozwalają na pracę z prądami 10-100 lub 100-500 A. Sterowanie odbywa się za pomocą sygnału analogowego.

Do przekaźnika trójfazowego zaleca się podłączenie przewodów o różnych kolorach, aby można było je prawidłowo podłączyć podczas montażu urządzenia

Trójfazowe przekaźniki półprzewodnikowe są w stanie przepuszczać prąd w zakresie 10-120 A. Ich urządzenie zakłada odwracalną zasadę działania, co zapewnia niezawodność jednoczesnej regulacji kilku obwodów elektrycznych.

Często stosuje się trójfazowe przekaźniki SSR, aby zapewnić działanie silnika asynchronicznego. Ze względu na wysokie prądy rozruchowe w elektrycznym obwodzie sterującym należy uwzględnić szybkie bezpieczniki.

Według rodzaju prądu roboczego

Przekaźników półprzewodnikowych nie można konfigurować ani przeprogramowywać, dlatego mogą działać normalnie tylko w określonym zakresie parametrów elektrycznych sieci.

W zależności od potrzeb SSR mogą być sterowane obwodami elektrycznymi z dwoma rodzajami prądu:

• stały;
• zmienne.

Podobnie przekaźniki SSR można klasyfikować według rodzaju aktywnego napięcia obciążenia. Większość przekaźników w sprzęcie AGD pracuje ze zmiennymi parametrami.

Prąd stały nie jest stosowany jako główne źródło energii elektrycznej w żadnym kraju na świecie, dlatego przekaźniki tego typu mają wąski zakres zastosowania

Urządzenia o stałym prądzie sterującym charakteryzują się dużą niezawodnością i do regulacji wykorzystują napięcie 3-32 V. Wytrzymują szeroki zakres temperatur (-30..+70°C) bez znaczących zmian charakterystyki.

Przekaźniki regulowane AC posiadają napięcie sterujące w zakresie 3-32 V lub 70-280 V. Charakteryzują się niskim poziomem zakłóceń elektromagnetycznych i dużą szybkością działania.

Według cech konstrukcyjnych

Przekaźniki półprzewodnikowe są często instalowane w ogólnym panelu elektrycznym mieszkania, dlatego wiele modeli ma blok montażowy do montażu na szynie DIN.

Ponadto pomiędzy TSR a powierzchnią nośną znajdują się specjalne grzejniki. Umożliwiają chłodzenie urządzenia przy dużych obciążeniach, zachowując jego właściwości użytkowe.

Przekaźnik montowany jest na szynie DIN głównie poprzez specjalny wspornik, który pełni także dodatkową funkcję - usuwa nadmiar ciepła podczas pracy urządzenia

Zaleca się nałożenie warstwy pasty termoprzewodzącej pomiędzy przekaźnik a chłodnicę, co zwiększy powierzchnię styku i zwiększy przenikanie ciepła. Istnieją również TTP przeznaczone do mocowania do ściany za pomocą zwykłych śrub.

Według rodzaju schematu kontroli

Zasada działania regulowanego przekaźnika urządzenia nie zawsze wymaga jego natychmiastowego działania.

Dlatego producenci opracowali kilka schematów sterowania SSR, które są stosowane w różnych dziedzinach:

1. Sterowanie „do zera”. Ten rodzaj sterowania przekaźnikiem półprzewodnikowym polega na pracy tylko przy wartości napięcia 0. Stosowany jest w urządzeniach z obciążeniami pojemnościowymi, rezystancyjnymi (grzejniki) i słabo indukcyjnymi (transformatory).
2. Natychmiastowy. Używane, gdy konieczne jest gwałtowne zadziałanie przekaźnika po doprowadzeniu sygnału sterującego.
3. Faza. Polega na regulacji napięcia wyjściowego poprzez zmianę parametrów prądu sterującego. Służy do płynnej zmiany stopnia ogrzewania lub oświetlenia.

Przekaźniki półprzewodnikowe różnią się także wieloma innymi, mniej istotnymi parametrami. Dlatego przy zakupie TSR ważne jest zrozumienie schematu działania podłączonego sprzętu, aby kupić dla niego najodpowiedniejsze urządzenie sterujące.

Należy zapewnić rezerwę mocy, ponieważ żywotność przekaźnika szybko się zużywa przy częstych przeciążeniach.

Zalety i wady TTP

Przekaźniki półprzewodnikowe nie na próżno zastępują na rynku konwencjonalne rozruszniki i styczniki. Te urządzenia półprzewodnikowe mają wiele zalet w porównaniu ze swoimi elektromechanicznymi odpowiednikami, co zmusza konsumentów do ich wyboru.

Przekaźniki do mikroukładów mają niewielkie rozmiary i bardzo ograniczone pod względem maksymalnego przepływu prądu. Mocuje się je głównie poprzez lutowanie specjalnych nóżek

Te zalety obejmują:

1. Niski pobór mocy (90% mniej).
2. Kompaktowe wymiary pozwalają na montaż urządzeń w ograniczonych przestrzeniach.
3. Wysoka prędkość uruchamiania i wyłączania
4. Zredukowany hałas podczas pracy, brak charakterystycznych kliknięć charakterystycznych dla przekaźnika elektromechanicznego.
5. Nie przewiduje się konserwacji.
6. Długa żywotność dzięki zasobom setek milionów operacji.
7. Dzięki szerokim możliwościom modyfikacji podzespołów elektronicznych, TSR rozszerzyły obszary zastosowań.
8. Brak zakłóceń elektromagnetycznych podczas pracy.
9. Uszkodzenia styków spowodowane wstrząsem mechanicznym są wyeliminowane.
10. Brak bezpośredniego kontaktu fizycznego pomiędzy obwodami sterującymi i przełączającymi.
11. Możliwość regulacji obciążenia.
12. Obecność automatycznych obwodów w impulsowych SSR, które chronią przed przeciążeniami.
13. Możliwość stosowania w środowiskach zagrożonych wybuchem.

Wskazane zalety przekaźników półprzewodnikowych nie zawsze wystarczają do normalnej pracy sprzętu. Dlatego nie zastąpiły jeszcze całkowicie styczników elektromechanicznych.

Dla stabilnej pracy wydajnych przekaźników półprzewodnikowych ważne jest efektywne odprowadzanie ciepła, ponieważ w podwyższonych temperaturach napięcie obciążenia jest gwałtownie zniekształcane (+)

TTP mają również wady, które uniemożliwiają ich użycie w wielu przypadkach.

Wady obejmują:

1. Brak możliwości obsługi większości urządzeń o napięciu powyżej 0,5 kV.
2. Wysoka cena.
3. Wrażliwość na wysokie prądy, szczególnie w obwodach rozruchowych silników.
4. Ograniczenia w użytkowaniu w warunkach dużej wilgotności.
5. Krytyczny spadek charakterystyki działania w temperaturach poniżej 30°C poniżej zera i powyżej 70°C powyżej 70°C.
6. Kompaktowa obudowa prowadzi do nadmiernego nagrzewania się urządzenia przy stale dużych obciążeniach, co wymaga zastosowania specjalnych pasywnych lub aktywnych urządzeń chłodzących.
7. Możliwość stopienia urządzenia pod wpływem ciepła podczas zwarcia.
8. Mikroprądy w stanie zamkniętym przekaźnika mogą mieć krytyczne znaczenie dla działania sprzętu. Na przykład świetlówki podłączone do sieci mogą okresowo migać.

Zatem przekaźniki półprzewodnikowe mają określone zastosowania. W obwodach urządzeń przemysłowych wysokiego napięcia ich zastosowanie jest znacznie ograniczone ze względu na niedoskonałe właściwości fizyczne materiałów półprzewodnikowych.

Jednakże w branży AGD i motoryzacji TTP zajmują silną pozycję ze względu na swoje pozytywne właściwości.

Możliwe schematy połączeń

Schematy połączeń przekaźników półprzewodnikowych mogą być bardzo różnorodne. Każdy obwód elektryczny jest zbudowany w oparciu o charakterystykę podłączonego obciążenia. Do obwodu można dodać dodatkowe bezpieczniki, sterowniki i urządzenia regulacyjne.

Ze względu na to, że obwody sterujące i obciążeniowe w urządzeniu nie pokrywają się, ich charakterystyki elektryczne mogą różnić się dowolnymi parametrami (+)

Poniżej przedstawiono najprostsze i najczęstsze schematy połączeń SSR:

• normalnie otwarte;
• z powiązanym konturem;
• zwykle zamknięte;
• trójfazowy;
• odwracalny.

Normalnie otwarty (otwarty) obwód - przekaźnik, w którym obciążenie jest zasilane w obecności sygnału sterującego. Oznacza to, że podłączony sprzęt jest wyłączany, gdy wejścia 3 i 4 nie są pod napięciem.

Przed zakupem przekaźnika należy określić wymagany typ jego stanu początkowego (zamknięty lub otwarty), aby zapewnić poprawną pracę podłączanego sprzętu (+)

Normalnie zamknięty obwód — oznacza przekaźnik, w którym obciążenie jest zasilane w przypadku braku sygnału sterującego. Oznacza to, że podłączony sprzęt jest sprawny, gdy wejścia 3 i 4 są odłączone od zasilania.

Istnieje schemat połączeń przekaźnika półprzewodnikowego, w którym napięcia sterujące i obciążenia są takie same. Metodę tę można stosować jednocześnie do pracy w sieciach prądu stałego i przemiennego.

Przekaźniki trójfazowe są połączone według nieco innych zasad. Styki można łączyć w konfiguracji „Gwiazda”, „Trójkąt” lub „Gwiazda i Neutralny”.

Wybór trójfazowego obwodu przyłączeniowego przekaźnika zależy w dużej mierze od charakterystyki działania sprzętu podłączonego do niego jako obciążenie

Odwracanie przekaźników półprzewodnikowych stosowany w silnikach elektrycznych w odpowiednim trybie. Produkowane są w wersji trójfazowej i zawierają dwie pętle sterujące.

Jeżeli ważne jest aby przekaźnik zachował polaryzację podłączenia styków to oznaczenie zawsze wskaże gdzie podłączyć fazę i neutralny

Montaż obwodów elektrycznych z SSR jest konieczny dopiero po wstępnym narysowaniu ich na papierze, ponieważ nieprawidłowo podłączone urządzenia mogą ulec awarii z powodu zwarcia.

Praktyczne zastosowanie urządzeń

Zakres zastosowania przekaźników półprzewodnikowych jest dość szeroki. Ze względu na wysoką niezawodność i brak konieczności regularnej konserwacji, często instaluje się je w trudno dostępnych miejscach na sprzęcie.

W wielu przekaźnikach podłączenie przewodów obwodu sterującego wymaga polaryzacji, co należy uwzględnić podczas montażu sprzętu

Główne obszary zastosowań TTP to:

• system termoregulacji za pomocą elementów grzejnych;
• utrzymywanie stabilnych temperatur w procesach technologicznych;
• kontrola transformatorów;
• regulacja oświetlenia;
• obwody czujników ruchu, oświetlenia, fotoczujniki do oświetlenia ulicznego i tak dalej.;
• sterowanie silnikiem elektrycznym;
• zasilacze bezprzerwowe.

Wraz z rosnącą automatyzacją urządzeń gospodarstwa domowego przekaźniki półprzewodnikowe stają się coraz powszechniejsze, a rozwijające się technologie półprzewodnikowe stale otwierają nowe obszary ich zastosowań.

W razie potrzeby możesz samodzielnie zmontować przekaźnik półprzewodnikowy. Szczegółowe instrukcje znajdują się w Ten artykuł.

Wnioski i przydatne wideo na ten temat

Prezentowane filmy pomogą Państwu lepiej zrozumieć działanie przekaźników półprzewodnikowych oraz zapoznać się ze sposobem ich podłączenia.

Praktyczna demonstracja działania prostego przekaźnika półprzewodnikowego:

Analiza typów i cech przekaźników półprzewodnikowych:

Testowanie działania i stopnia nagrzania SSR:

Prawie każdy może zainstalować obwód elektryczny składający się z przekaźnika półprzewodnikowego i czujnika.

Jednak zaplanowanie obwodu roboczego wymaga podstawowej wiedzy z zakresu elektrotechniki, ponieważ nieprawidłowe połączenia mogą skutkować porażeniem prądem lub zwarciem. Ale w wyniku właściwych działań możesz zdobyć wiele przydatnych urządzeń w życiu codziennym.

Czy masz coś do dodania lub masz pytania dotyczące podłączania i stosowania przekaźników półprzewodnikowych? Można zostawiać komentarze pod publikacją, brać udział w dyskusjach i dzielić się własnymi doświadczeniami z użytkowania tego typu urządzeń. Formularz kontaktowy znajduje się w dolnym bloku.