Лекции ЭУПО / Глава1 / Твердо-реле

1.8. ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ РЕЛЕ

Твердотельные реле как бесконтактный аналог релейно-контак-торной аппаратуры пользуются в программируемых логических контроллеров, драйверов электромагнитов, клапанов, пускателей, электродвигателей, обмоток, индикаторов и дисплеев, в сканерах, мультиплексорах, системах сбора данных, контрольно-измерительном оборудовании в качестве элементов, формирующих на своем выходе напряжение, обладающее релейной характеристикой.

Твердотельное реле ( SSR – solid state relay, или PVR – photovoltaic relay), оптоэлектронное реле, полупроводниковое реле – этими терминами обозначается большой класс модульных полупроводниковых приборов, выполненных по гибридной технологии, содержащих в своем составе мощные силовые ключи на полевых, биполярных, IGBT-транзисторах или на тиристорных (симисторных) структурах, а также оптронную схему управления. Эта аппаратура используется для замены традиционных электромагнитных реле. Низковольтная часть реле с оптронной схемой выполняет роль катушки обычного электромагнитного реле, а высоковольтный полупроводниковый ключ подобен контактам электромагнитного реле. Оптронная схема обеспечивает электрическую изоляцию между управляющей и силовой частью до нескольких тысяч вольт. Выпускаемые в настоящее время промышленностью приборы этого класса можно разделить на несколько базовых типов:

– маломощные приборы с рабочими токами менее 1 А;

– приборы средней мощности с рабочими токами до 10 А;

– приборы большой мощности с рабочими токами до нескольких сотен ампер.

Рассматриваемая аппаратура при работе выделяет теплоту потер, рассеиваемую теплоотводящими пластинами, на которых размещаются полупроводниковые ключи. Высококачественный прибор может быть выполнен только на медном теплоотводе с применением высокотеплопроводного керамического изолятора, что обеспечивает низкие значения теплового сопротивления, а следовательно, отсутствие перегрева силового элемента и его высокую долговечность. Коммутирующим элементом в указанной аппаратуре выступают:

– симистор для коммутации цепей переменного тока (пиковое напряжение до 800 В, рабочий ток до 25 А, низкая устойчивость к скоростям нарастания тока и напряжения);

– пара встречно параллельно включенных тиристоров для коммутации цепей переменного тока (пиковое напряжение до 1200 В, рабочие токи до 250 А для монолитного модуля и до 5000 А для специального исполнения, высокая устойчивость к скоростям нарастания тока и напряжения);

– полевой МОП-транзистор для коммутация цепей постоянного тока (пиковое напряжение с учетом возможных перенапряжений до 600 В, рабочий ток до 200 А);

– IGBT для коммутация цепей постоянного тока (пиковое напряжение с учетом возможных перенапряжений до 1200 В, рабочий ток до 250 А для монолитного модуля и до 2000 А для специального исполнения).

Все типы приборов имеют идентичную входную схему, выполненную на основе инфракрасного светодиода, излучение которого обеспечивает включение соответствующего силового элемента через специальную фоточувствительную схему. Цепи управления светодиодом выполнены или на резисторе соответствующего номинала или с применением токового стабилизатора. Типичный ток управления твердотельным реле – 10…15 мА, что на порядок меньше тока управления электромагнитного реле. Различные типы приборов могут управляться как постоянным, так и переменным напряжением. Между электромагнитными и электромеханическими реле в части коммутируемой цепи различия принципиальны. Коммутирующий элемент электромагнитного реле – металлическая перемычка, через которую может протекать как постоянный, так и переменный ток величины, соответствующей предельной мощности реле. У электромагнитных реле наблюдается быстрый износ механического коммутирующего элемента (реле обеспечивают до 1 млн срабатываний), «пригорание» контактов реле, вследствие неизбежно возникающей при размыкании дуги, и связанная с этим большая вероятность отказа в процессе работы. Полупроводниковые коммутирующие элементы в отличие от контактов электромагнитного типа имеют существенные ограничения, связанные с предельными значениями напряжений, токов, скоростей их изменения, утечками в выключенном состоянии. При функционировании твердотельные реле должны обеспечить надежную электрическую изоляцию входных и выходных электрических цепей друг от друга, и токоведущих цепей от элементов конструкции прибора. Этот показатель определяется тремя параметрами:

– сопротивлением изоляции, определяющим максимально возможную утечку по элементам конструкции при испытательном напряжении 500 В, что составляет 10⁹ Ом.

– напряжением изоляции, определяющим электрическую прочность элементов конструкции реле. Для твердотельных реле гарантируется отсутствие пробоя при напряжениях до 2500 В переменного тока (или 4000 В постоянного тока) в течение 1 минуты.

– трекингостойкость, определяющая способность материала конструкции реле к образованию поверхностных токоведущих мостиков при работе в агрессивных средах. За счет монолитной конструкции и применения специальных стеклонаполненных пластиков твердотельные реле имеют нулевой показатель трекингосгойкости.

Рассмотрим схемы некоторых твердотельных реле. На рис. 1.41. приведена схема однофазного реле переменного тока.

VD

Входное управляющее напряжение схемой, состоящей из выпрямителя UZ и R1C1-фильтра, включает реле, инициируя светодиод, оптопару или оптосимистор. Включение осуществляется подачей схемой управления напряжения на управляющие электроды встречно параллельно включенных тиристоров VS1 и VS2, к которым прикладывается переменное напряжение питания нагрузки. Твердотельные реле на полупроводниковых приборах могут иметь следующие функциональные разновидности:

– включение реле в произвольный момент времени изменения переменного напряжения питания;

– включение реле в момент перехода переменного напряжения питания через ноль;

– включение реле в момент перехода переменного напряжения питания через ноль и на пропускание определенного количества полупериодов переменного напряжения питания;

– включение реле с фазовым (параметрическим) управлением переменного напряжения питания на нагрузке.

Для реле, схема управления которого контролирует момент перехода напряжения питания нагрузки через ноль, под понятием «ноль» понимается некоторое минимальное значение напряжения положительного и отрицательного его полупериодов, при котором оно включается. При больших значениях напряжения реле не включится даже при наличии управляющего сигнала, а схема управления будет ожидать прихода соответствующего напряжения. Значение этого напряжения называется напряжением запрета и составляет 40 В. Первые две разновидности реле аналогичны функциям электромагнитных реле и могут выполнять при подаче напряжения управления функцию замыкания или размыкания электрической цепи. Третья разновидность реле может быть использована в регуляторах мощности, обеспечивая отсечку напряжения питания регулируемой длительности, системах автоматики и т. д. Четвертая разновидность реле позволяет при его включении плавно изменять напряжение на нагрузки, что не порождает помех в сети.

В качестве примера реле постоянного тока рассмотрим его схему, приведенную на рис. 1.42. Силовым коммутирующим напряжением питания элементом может быть полевой или IGB-транзистор. Входные цепи гальванически изолированные от силовой цепи и позволяют включать и выключать силовой элемент. Гальваническая развязка в таких реле может быть выполнена как на оптронной паре, так и с использованием трансформаторной развязки.

Входная цепь реле рассчитана на управление реле от источников постоянного напряжения с широким диапазоном входного напряжения (от единиц до сотен вольт). В реле может быть светодиодная индикация включенного состояния и защита входной цепи от неправильной подачи полярности напряжения управления. Включение твердотельного реле зависит от входного тока. Для этого следует рассчитать сопротивление токоограничительного резистора R_вх. Его значение должно обеспечить ток, достаточный для включения реле, но не превышающий 25 мА. Рассчитывается сопротивление ограничительного резистора по формуле:

,

где I_вкл – ток включения; ΔU_с.д – падение напряжения на светодиоде.

Например, для минимального входного напряжения 4,5 В, при токе включения 5 мА, при температуре 40 ^○С и падении напряжения на светодиоде в 1,6 В получим значение сопротивления R_вх < 580 Ом. Это максимальное значение сопротивления, при котором обеспечивается надежное включение реле. При высоких температурах внешней среды падение напряжения на светодиоде обычно принимают, равным 0,9 В. Рассчитаем значение входного сопротивления, позволяющее избежать выхода светодиода из строя, по формуле

Положим входное напряжение управления равное 6 В, значение входного тока 25 мА, значение максимальной температуры 85 °С и падение напряжения на светодиоде при этом принимаем равным 0,9 В. Тогда сопротивление R_вх ≥ 204 Ом. Следовательно, значение сопротивления резистора R_вх следует выбирать в пределах 204…580 Ом.

Рассмотрим работу оптронной гальванической развязки. К входу реле через токовый стабилизатор с током 15 мА, обеспечивающий устойчивость к помехам и возможность работы в диапазоне температур от – 60 до + 80 °С, подключен инфракрасный светодиод. Свет от него попадает на матрицу инфракрасных фотодиодов, фото-ЭДС которых создает разность потенциалов с уровнем около 10 В, достаточным, чтобы включить полевой МОП-транзистор или IGBT. Однако, вследствие малого выходного тока (5-10 мкА) такой оптопары накопление заряда на затворе транзистора происходит довольно медленно (до 20 мс) и зависит от типа управляемого транзистора – чем более мощный транзистор, чем выше его входная емкость и заряд затвора, тем дольше продолжается процесс включения реле. Это свойство реле с оптронной развязкой накладывает некоторые ограничения на характер нагрузки. Это связано с тем, что в процессе отпирания полевого МОП-транзистора или IGBT, входная цепь которого идентична полевому транзистору, сопротивление канала проводимости изменяется на несколько порядков и в начальный момент включения имеет величину в сотни килоом, поэтому для нагрузок с большими пусковыми токами мощность, выделяемая на силовом ключе реле в процессе его включения, может существенно превысить предельно допустимую для прибора, что приведет к его разрушению, либо к существенным потерям энергии и перегреву прибора, что также снижает его надежность и долговечность. Такая проблема имеет место при работе с высокоиндуктивными нагрузками (двигатели постоянного тока, преобразовательная техника, мощные источники питания). Решается эта проблема твердотельными реле использованием встроенного DC/DC-преобразователя и развязки трансформаторного типа. При этом обеспечиваются время включения реле менее 1 мкс. Такое реле может быть применено в условиях, когда пусковые токи в 10 раз превышают номинальные токи. Затвор полевого МОП-транзистора или IGBT является в общем случае конденсатором, поэтому для выключения реле как с оптронной, так и с трансформаторной развязкой используется специальная схема, обеспечивающая быстрый разряд емкости затвора при снятии сигнала управления.

Одним из представителей твердотельного реле можно считать электронный выключатель, представленный на рис. 1.43.

Это два встречно-параллельно включенных тиристора VS1 и VS2, управляющие электроды которых через диоды присоединены к прикладываемому к выключателю напряжению питания переменного тока. Кроме этого они соединены последовательно между собой управляющим контактом K через резистор R, который определяет значение тока управления тиристорами. Включение тиристоров происходит прямым прикладываемым к выключателю напряжением. Положительный полупериод напряжения, прикладываемый к аноду тиристора VS1, при замкнутом контакте K создает ток, протекающий по диоду VD1, резистору R, управляющему электроду – катоду этого тиристора, который приводит к включению тиристора и подключению нагрузки (обмотка электромеханического реле KV, пускателя KM, электромагнита YA и т. п.) к напряжению питания. Отрицательный полупериод напряжения прикладывается к тиристору VS2 и действует на него аналогичным образом, подключаясь к той же нагрузке. При размыкании управляющего контакта K тиристоры запираются прикладываемым к их анод-катоду противоположного полупериода напряжения, поскольку по управляющему электроду не протекает ток. Например, тиристор VD1 запирается тем полупериодом напряжения, который отпирает тиристор VD2, и наоборот.

6