Solid state relæ: typer, praktisk anvendelse, tilslutningsdiagrammer

Klassiske startere og kontaktorer forsvinder gradvist. Deres plads i bilelektronik, husholdningsapparater og industriel automatik overtages af solid state relæet – en halvlederanordning uden nogen bevægelige dele.

Instrumenterne har forskellige konstruktioner og tilslutningsdiagrammer, som bestemmer deres anvendelsesområder. Før man bruger enheden, skal man forstå dens funktionsprincip, lære om funktions- og tilslutningsegenskaber for forskellige typer relæer. Svar på de nævnte spørgsmål gives detaljeret i den præsenterede artikel.

Solid state relæets opbygning

Moderne solid state relæer (SSR) er modulære halvlederenheder, der fungerer som strømafbrydere.

De vigtigste arbejdsenheder i disse enheder består af triacer, tyristorer eller transistorer. SSR har ingen bevægelige dele, hvilket adskiller dem fra elektromekaniske relæer.

Størrelsen af et solid state relæ afhænger i høj grad af den maksimalt tilladte belastning og evnen til at aflede varme gennem varmeoverførsel og konvektion (+)

Den interne opbygning af disse enheder kan variere meget afhængigt af typen af reguleret belastning og elektrisk kredsløb.

De enkleste solid state relæer omfatter følgende enheder:

• indgangsenhed med sikringer;
• triggerkredsløb;
• optisk (galvanisk) isolation;
• omskiftningsenhed;
• beskyttelseskredsløb;
• udgangsenhed til belastning.

Indgangsenheden i SSR er et primærkredsløb med en seriel modstand. En sikring kan valgfrit indbygges i dette kredsløb. Indgangsenhedens opgave er at modtage styresignalet og sende kommandoen til de belastningsomskiftende kontakter.

Ved vekselstrøm bruges galvanisk isolation til at adskille kontrolkredsløbet og hovedkredsløbet. Relæets funktionsprincip afhænger i høj grad af dens opbygning. Triggerkredsløbet, der er ansvarligt for behandling af indgangssignalet, kan indgå i den optiske isolationsenhed eller placeres separat.

Beskyttelsesenheden forhindrer overbelastninger og fejl, da en fejl i enheden også kan beskadige tilsluttet udstyr.

Hovedformålet med solid-state-relæer er at lukke/åbne det elektriske netværk ved hjælp af et svagt styresignal. I modsætning til elektromekaniske modparter har de en mere kompakt form og laver ikke karakteristiske kliklyde under drift.

Funktionsprincip for SSR

Driften af et solid-state-relæ er ret enkel. De fleste SSR er beregnet til styring af automatik i netværk på 20-480 V.

Optisk isolation gør det muligt at generere styresignaler med minimal effekt, hvilket er kritisk for sensorer, der drives af autonome strømkilder (+)

I klassisk udførelse indeholder enhedens hus to kontakter for den omskiftede kreds og to styreledninger. Antallet kan ændres, når antallet af tilsluttede faser øges. Afhængigt af spændingen i styrekredsen tændes eller slukkes hovedbelastningen af halvlederelementerne.

En særegenhed ved solid-state-relæer er, at de har en ikke-uendelig modstand. Hvis kontakterne i elektromekaniske enheder er fuldstændigt adskilt, sikres fraværet af strøm i kredsen i solid-state-relæer af halvledermaterialernes egenskaber.

Derfor kan der ved høje spændinger opstå små lækstrømme, som kan påvirke den tilsluttede tekniks funktion negativt.

Klassifikation af solid state relæer

Anvendelsesområderne for relæer er forskellige, og deres konstruktionsmæssige træk kan variere meget afhængigt af behovene i den specifikke automatiske kreds. SSR klassificeres efter antallet af tilsluttede faser, typen af driftsstrøm, konstruktionsmæssige træk og typen af styrekreds.

Efter antal tilsluttede faser

Solid-state-relæer bruges både i husholdningsapparater og i industriel automatik med en driftsspænding på 380 V.

Derfor opdeles disse halvlederenheder, afhængigt af antallet af faser, i:

• enfasede;
• trefasede.

Enfasede SSR gør det muligt at arbejde med strømme på 10-100 eller 100-500 A. De styres ved hjælp af et analogt signal.

Det anbefales at tilslutte ledninger i forskellige farver til det trefasede relæ, så de kan tilsluttes korrekt under installation af udstyret.

Trefasede solid-state-relæer er i stand til at føre strøm i området 10-120 A. Deres konstruktion forudsætter et reversibelt funktionsprincip, som sikrer pålidelig regulering af flere elektriske kredsløb samtidigt.

Trefasede SSR bruges ofte til at drive en asynkronmotor. Hurtige sikringer skal altid inkluderes i dens styrekreds på grund af de høje startstrømme.

Efter type af driftsstrøm

Solid state relæer kan ikke indstilles eller omprogrammeres, så de kan kun fungere normalt inden for et bestemt område af netværkets elektriske parametre.

Afhængigt af behovet kan SSR styres af elektriske kredsløb med to typer strøm:

• jævnstrøm;
• vekselstrøm.

Tilsvarende kan SSR også klassificeres efter typen af aktiv belastningsspænding. De fleste relæer i husholdningsapparater arbejder med variable parametre.

Jævnstrøm bruges ikke som primær elektrisk kilde i noget land i verden, så relæer af denne type har et snævert anvendelsesområde.

Enheder med jævnstrømsstyring kendetegnes ved høj pålidelighed og bruger en spænding på 3-32 V til regulering. De tåler et bredt temperaturområde (-30..+70°C) uden væsentlig ændring af egenskaberne.

Relæer, der styres med vekselstrøm, har en styrespænding på 3-32 V eller 70-280 V. De er kendetegnet ved lav elektromagnetisk støj og høj reaktionshastighed.

Efter konstruktionsmæssige egenskaber

Solid state relæer installeres ofte i lejlighedens hovedtavle, så mange modeller har en monteringsskinne til fastgørelse på DIN-skinne.

Derudover findes der specielle køleplader, der placeres mellem SSR og monteringsfladen. De gør det muligt at køle enheden under høje belastninger og bevare dens driftsegenskaber.

Relæet fastgøres på DIN-skinne primært via en speciel beslag, som også har en ekstra funktion – at lede overskudsvarme væk under enhedens drift.

Mellem relæet og kølepladen anbefales det at påføre et lag termisk pasta, som øger kontaktfladen og forbedrer varmeafledningen. Der findes også SSR, der er designet til vægmontering med almindelige skruer.

Efter type af styrekredsløb

Ikke altid kræver funktionsprincippet for et reguleret relæ øjeblikkelig aktivering.

Derfor har producenterne udviklet flere styrekredsløb til SSR, som anvendes inden for forskellige områder:

1. Nulgennemgangskontrol. Denne styringsmetode for solid state relæet indebærer aktivering kun når spændingen er 0. Bruges i enheder med kapacitiv, resistiv (varmeapparater) og svag induktiv (transformere) belastning.
2. Øjeblikkelig. Bruges ved behov for hurtig aktivering af relæet ved påføring af styresignal.
3. Fasekontrol. Det involverer regulering af udgangsspændingen ved at ændre parametrene for styrestrømmen. Anvendes til jævn ændring af varme- eller lysstyrke.

Solid state relæer varierer også i mange andre, mindre vigtige parametre. Derfor er det vigtigt ved køb af SSR at forstå funktionsskemaet for det tilsluttede udstyr for at købe det mest passende reguleringsapparat.

Der skal nødvendigvis være en effektreserve, da relæet har en driftslevetid, der hurtigt opbruges ved hyppige overbelastninger.

Fordele og ulemper ved SSR

Det er ikke uden grund, at faststofrelæer erstatter almindelige startere og kontaktorer på markedet. Disse halvlederenheder har mange fordele i forhold til elektromekaniske alternativer, som får forbrugerne til at vælge netop dem.

Relæer til mikrochips har kompakte dimensioner og er stærkt begrænset med hensyn til maksimal gennemgangsstrøm. De monteres hovedsageligt ved at lodde specielle ben.

Til disse fordele hører:

1. Lavt elforbrug (90 % mindre).
2. Kompakte dimensioner, der gør det muligt at montere enhederne på begrænset plads.
3. Høj start- og slukkehastighed
4. Reduceret støjniveau under drift, ingen karakteristiske klik som fra elektromekaniske relæer.
5. Ingen vedligeholdelse påkrævet.
6. Lang levetid takket være en holdbarhed på hundreder af millioner af koblinger.
7. Takket være de omfattende muligheder for at modificere elektroniske moduler har faststofrelæer udvidede anvendelsesområder.
8. Ingen elektromagnetisk støj ved aktivering.
9. Ingen beskadigelse af kontakterne på grund af mekanisk slag.
10. Ingen direkte fysisk kontakt mellem styre- og koblingskredsløb.
11. Mulighed for belastningsregulering.
12. Tilstedeværelse af automatiske beskyttelseskredsløb mod overbelastning i impuls-SSR'er.
13. Mulighed for brug i eksplosive miljøer.

De nævnte fordele ved faststofrelæer er ikke altid tilstrækkelige til normal drift af udstyret. Derfor har de endnu ikke helt erstattet elektromekaniske kontaktorer.

For stabil drift af kraftige faststofrelæer er effektiv varmeafledning vigtig, fordi belastningsspændingen forvrænges kraftigt ved forhøjede temperaturer (+).

Faststofrelæer har også ulemper, der forhindrer deres anvendelse i mange tilfælde.

Til ulemperne hører:

1. De fleste enheder kan ikke arbejde med spændinger over 0,5 kV.
2. Høj pris.
3. Følsomhed over for høje strømme, især i startkredsløb til elektriske motorer.
4. Begrænsninger i brug under høj luftfugtighed.
5. Kritisk nedsættelse af driftsegenskaberne ved temperaturer under 30 °C frost og over 70 °C varme.
6. Det kompakte kabinet fører til overophedning af enheden ved konstant høje belastninger, hvilket kræver brug af specielle passive eller aktive køleenheder.
7. Mulighed for, at enheden smelter på grund af opvarmning ved kortslutning.
8. Mikrostrømme i relæets blokerede tilstand kan være kritiske for udstyrets drift. For eksempel kan tilsluttede lysstofrør periodisk blinke.

Således har solid state-relæer bestemte anvendelsesområder. I kredsløb med højspændingsindustriudstyr er deres brug stærkt begrænset på grund af ufuldkomne fysiske egenskaber ved halvledermaterialer.

Men i husholdningsapparater og bilindustrien har SSR (solid state-relæer) en stærk position på grund af deres positive egenskaber.

Mulige tilslutningsdiagrammer

Tilslutningsdiagrammer for solid state-relæer kan være meget forskellige. Hvert elektrisk kredsløb konstrueres ud fra den tilsluttede belastnings egenskaber. Der kan tilføjes ekstra sikringer, controllere og reguleringsenheder til diagrammet.

Takket være at styre- og belastningskredsløbene i enheden ikke overlapper, kan deres elektriske egenskaber variere med alle parametre (+)

Herefter præsenteres de mest simple og almindelige tilslutningsdiagrammer for SSR:

• normalt åben;
• med sammenkoblet kredsløb;
• normalt lukket;
• tre-faset;
• reversibel.

Normalt åbent (brudt) diagram – relæ, hvor belastningen er under spænding, når der er et styresignal. Det vil sige, at den tilsluttede enhed er i slukket tilstand, når indgangene 3 og 4 er spændingsløse.

Før køb af relæet skal du bestemme den ønskede type af dets oprindelige tilstand (lukket eller åbent) for at sikre korrekt funktion af den tilsluttede enhed (+)

Normalt lukket diagram – et relæ, hvor belastningen er under spænding, når der ikke er et styresignal. Det vil sige, at den tilsluttede enhed er i driftstilstand, når indgangene 3 og 4 er spændingsløse.

Der findes et tilslutningsdiagram for solid state-relæ, hvor styre- og belastningsspændingen er ens. Denne metode kan bruges samtidigt til drift i jævnstrøms- og vekselstrømsnet.

Tre-fasede relæer tilsluttes efter lidt andre principper. Kontakterne kan forbindes i varianterne 'Stjerne', 'Trekant' eller 'Stjerne med nulpunkt'.

Valget af tre-faset tilslutningsdiagram for relæet afhænger i høj grad af egenskaberne ved det udstyr, der er tilsluttet som belastning

Reversible solid state-relæer anvendes i elektriske motorer i den tilsvarende tilstand. De fremstilles i en tre-faset version og inkluderer to styrekredsløb.

Hvis det er vigtigt for relæet at overholde polariteten af kontakttilslutningen, vil markeringen altid angive, hvor fase og nul skal tilsluttes.

Elektriske kredsløb med faststofrelæer må kun samles efter forudgående tegning på papir, fordi forkert tilsluttede enheder kan blive beskadiget på grund af kortslutning.

Praktisk anvendelse af enhederne

Anvendelsesområdet for faststofrelæer er ret omfattende. På grund af deres høje pålidelighed og manglende behov for regelmæssig vedligeholdelse installeres de ofte på svært tilgængelige steder i udstyr.

I mange relæer kræver tilslutning af styrekredsens ledninger overholdelse af polaritet, hvilket skal tages i betragtning under monteringen af udstyret.

De vigtigste anvendelsesområder for faststofrelæer er:

• termoreguleringssystem med brug af varmelegemer;
• opretholdelse af stabil temperatur i industrielle processer;
• overvågning af transformere;
• justering af belysning;
• kredsløb til bevægelsessensorer, lyssensorer, fotosensorer til gadebelysning osv.;
• styring af elektromotorer;
• UPS-systemer.

Med stigende automatisering af husholdningsapparater bliver faststofrelæer mere og mere udbredte, og den udviklende halvlederteknologi åbner konstant nye anvendelsesområder for dem.

Hvis man ønsker det, kan man selv samle et faststofrelæ. En detaljeret vejledning findes i denne artikel.

Konklusioner og nyttig video om emnet

De præsenterede videoer vil hjælpe med bedre at forstå faststofrelæers funktion og lære om metoder til tilslutning af dem.

Praktisk demonstration af et simpelt faststofrelæs funktion:

Gennemgang af typer og funktionsegenskaber for faststofrelæer:

Test af funktion og varmegrader for faststofrelæer:

Næsten enhver kan samle et elektrisk kredsløb med et faststofrelæ og en sensor.

Men planlægning af arbejdsskemaet kræver grundlæggende viden inden for elektroteknik, fordi forkert tilslutning kan føre til elektrisk stød eller kortslutning. Til gengæld kan man ved korrekte handlinger få en masse nyttige husholdningsapparater.

Har du noget at tilføje, eller har du spørgsmål om emnet tilslutning og anvendelse af faststofrelæer? Du kan efterlade kommentarer til artiklen, deltage i diskussioner og dele din egen erfaring med at bruge sådanne enheder. Kontaktformularen findes i det nederste felt.