33. 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,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. Выпускаемые 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. 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.

Входное управляющее напряжение схемой, состоящей из выпрямителя UZи R1C1-фильтра, включает реле, инициируя светодиод, оптопару или оптосимистор. Включение осуществляется подачей схемой управления напряжения на управляющие электроды встречно параллельно включенных тиристоровVS1 иVS2, 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 ходная 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. Рассчитаем значение входного сопротивления, позволяющее избежать выхода светодиода из строя, по формуле 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.