Polprevodniški rele: vrste, praktična uporaba, sheme priključitve

Klasični zaganjalniki in kontaktorji postopoma izginjajo. Njihovo mesto v avtomobilski elektroniki, gospodinjskih aparatih in industrijski avtomatiki prevzema trdostano rele – polprevodniška naprava, v kateri ni nobenih premičnih delov.

Naprave imajo različne konstrukcije in sheme priključitve, od katerih so odvisna njihova področja uporabe. Preden uporabite napravo, je treba razumeti njeno načelo delovanja, spoznati posebnosti delovanja in priključitve različnih vrst relejev. Odgovori na zastavljena vprašanja so podrobno opisani v predstavljenem članku.

Zgradba trdostanega releja

Sodobni trdostani releji (TPR) so modularne polprevodniške naprave, ki so močnostna električna stikala.

Ključna delovna sklopa teh naprav predstavljajo triaki, tiristorji ali tranzistorji. TPR nimajo premičnih delov, po čemer se razlikujejo od elektromehanskih relejev.

Velikost trdostanega releja je v veliki meri odvisna od maksimalno dovoljene obremenitve in možnosti odvajanja toplote s toplotno prevodnostjo in konvekcijo (+)

Notranja zgradba teh naprav se lahko močno razlikuje glede na vrsto regulirane obremenitve in električne sheme.

Najpreprostejši trdostani releji vključujejo naslednje sklope:

• vhodni sklop z varovalkami;
• sprožilno vezje;
• optična (galvanska) ločitev;
• preklopni sklop;
• zaščitna vezja;
• sklop izhoda na obremenitev.

Vhodni sklop TPR predstavlja primarno vezje z zaporedno priključenim uporom. Varovalka se v to vezje vgradi opcijsko. Naloga vhodnega sklopa je sprejem krmilnega signala in posredovanje ukaza preklopnim stikalom, ki komutirajo obremenitev.

Pri izmeničnem toku se za ločitev krmilnega in glavnega vezja uporablja galvanska ločitev. Od njene zgradbe je v veliki meri odvisno načelo delovanja releja. Sprožilno vezje, odgovorno za obdelavo vhodnega signala, je lahko vključeno v sklop optične ločitve ali pa je nameščeno ločeno.

Zaščitni sklop preprečuje nastanek preobremenitev in napak, saj lahko v primeru okvare naprave odpove tudi priključena oprema.

Glavni namen polprevodniških relejev je sklepanje/razklepanje električnega omrežja s pomočjo šibkega krmilnega signala. V nasprotju z elektromehanskimi primerki so bolj kompaktni in med delovanjem ne oddajajo značilnih klikov.

Načelo delovanja trdostanega releja

Delovanje polprevodniškega releja je precej preprosto. Večina TTR je namenjena krmiljenju avtomatike v omrežjih 20–480 V.

Optična ločitev omogoča ustvarjanje krmilnih signalov minimalne moči, kar je ključnega pomena za senzorje, ki delujejo iz avtonomnih virov napajanja (+)

Pri klasični izvedbi v ohišje naprave vstopata dva kontakta komutirane vezave in dva krmilna vodnika. Njihovo število se lahko spreminja s povečanjem števila priključenih faz. Odvisno od napetosti v krmilnem vezju se polprevodniški elementi vklopijo ali izklopijo glavno breme.

Značilnost polprevodniških relejev je prisotnost ne neskončnega upora. Če se kontakti v elektromehanskih napravah popolnoma ločijo, se pri polprevodniških odsotnost toka v vezju zagotovi z lastnostmi polprevodniških materialov.

Zato so pri povišanih napetostih možni majhni uhajalni tokovi, ki lahko negativno vplivajo na delovanje priključene opreme.

Klasifikacija trdostanih relejev

Področja uporabe relejev so raznolika, zato se lahko tudi njihove konstrukcijske lastnosti močno razlikujejo, odvisno od potreb posamezne avtomatske sheme. TTR se klasificirajo po številu priključenih faz, vrsti delovnega toka, konstrukcijskih lastnostih in vrsti krmilne sheme.

Glede na število priključenih faz

Polprevodniški releji se uporabljajo tako v sestavi gospodinjskih aparatov kot v industrijski avtomatiki z delovno napetostjo 380 V.

Zato se ti polprevodniški sistemi glede na število faz delijo na:

• enofazne;
• trifazne.

Enofazni TTR omogočajo delo s tokovi 10–100 ali 100–500 A. Njihovo krmiljenje poteka z analognim signalom.

K trifaznemu releju je priporočljivo priključiti žice različnih barv, da jih je mogoče med montažo opreme pravilno priključiti.

Trifazni polprevodniški releji so sposobni prepuščati tok v območju 10–120 A. Njihova zasnova predvideva reverzibilno načelo delovanja, ki zagotavlja zanesljivo regulacijo več električnih vezij hkrati.

Pogosto se trifazni TTR uporabljajo za zagotavljanje delovanja asinhronskega motorja. V njegovo električno krmilno shemo so obvezno vključene hitre varovalke zaradi visokih zagonskih tokov.

Glede na vrsto delovnega toka

Trdorelejni releji se ne dajo nastaviti ali reprogramirati, zato lahko normalno delujejo le v določenem območju električnih parametrov omrežja.

Glede na potrebe se trdorelejni releji lahko krmilijo z električnimi vezji z dvema vrstama toka:

• enakomernim;
• izmeničnim.

Podobno lahko klasificiramo trdorelejne releje tudi po vrsti napetosti aktivne obremenitve. Večina relejev v gospodinjskih aparatih deluje z izmeničnimi parametri.

Enakomerni tok se ne uporablja kot glavni vir električne energije v nobeni državi na svetu, zato imajo releji tega tipa ozko področje uporabe.

Naprave z enakomernim krmilnim tokom so značilne po visoki zanesljivosti in za regulacijo uporabljajo napetost 3–32 V. Vzdržijo širok temperaturni razpon (−30 do +70 °C) brez večjih sprememb lastnosti.

Releji, ki se krmilijo z izmeničnim tokom, imajo krmilno napetost 3–32 V ali 70–280 V. Odlikujejo se z nizkimi elektromagnetnimi motnjami in visoko hitrostjo delovanja.

Glede na konstrukcijske značilnosti

Trdorelejne releje pogosto vgradijo v skupno električno omarico stanovanja, zato imajo mnogi modeli montažno letvico za pritrditev na DIN letev.

Poleg tega obstajajo posebni radiatorji, ki so nameščeni med trdorelejnim relejem in nosilno površino. Omogočajo hlajenje naprave pri visokih obremenitvah, pri čemer ohranjajo njene delovne značilnosti.

Rele se na DIN letev pritrdi predvsem prek posebnega nosilca, ki ima tudi dodatno funkcijo – odvaja odvečno toploto med delovanjem naprave.

Med relejem in radiatorjem je priporočljivo nanesti plast termične paste, ki poveča kontaktno površino in izboljša odvod toplote. Obstajajo tudi trdorelejni releji, namenjeni pritrditvi na steno z običajnimi vijaki.

Glede na vrsto krmilne sheme

Načelo delovanja krmiljene relejne opreme ne zahteva vedno takojšnjega vklopa.

Zato so proizvajalci razvili več krmilnih shem za trdorelejne releje, ki se uporabljajo na različnih področjih:

1. Krmiljenje skozi ničlo. Takšna možnost krmiljenja trdorelejnega releja predvideva vklop le pri vrednosti napetosti, ki je enaka 0. Uporablja se v napravah s kapacitivno, uporovno (grelniki) in šibko induktivno obremenitvijo (transformatorji).
2. Trenutno. Uporablja se, kadar je potreben takojšen vklop releja ob dovajanju krmilnega signala.
3. Fazno. Predvideva regulacijo izhodne napetosti s spreminjanjem parametrov krmilnega toka. Uporablja se za gladko spreminjanje stopnje segrevanja ali osvetlitve.

Trdorelejni releji se razlikujejo tudi po mnogih drugih, manj pomembnih parametrih. Zato je pri nakupu trdorelejnega releja pomembno razumeti shemo delovanja priključene opreme, da bi kupili čim bolj ustrezno krmilno napravo.

Obvezno je treba zagotoviti rezervo moči, ker ima rele obratovalni vir, ki se hitro porabi ob pogostih preobremenitvah.

Prednosti in pomanjkljivosti trdostanih relejev

Trdnostna releja ne izpodrivajo z trga običajnih zaganjalnikov in kontaktov brez razloga. Te polprevodniške naprave imajo številne prednosti pred elektromehanskimi analogi, zaradi katerih se potrošniki odločajo prav za njih.

Rele za mikročipe ima kompaktne dimenzije in je močno omejen glede največjega prepustnega toka. Pritrjuje se predvsem s spajkanjem posebnih nogic.

Med take prednosti spadajo:

1. Nizka poraba električne energije (za 90 % manj).
2. Kompaktne mere, ki omogočajo montažo naprav v omejenem prostoru.
3. Visoka hitrost zagona in izklopa
4. Zmanjšana hrupnost delovanja, ni značilnih klikov elektromehanskega releja.
5. Vzdrževanje ni predvideno.
6. Dolga življenjska doba zaradi vira v stotinah milijonov vklopov.
7. Zahvaljujoč širokim možnostim spreminjanja elektronskih sklopov imajo TTR razširjena področja uporabe.
8. Odsotnost elektromagnetnih motenj ob vklopu.
9. Izključena je poškodba kontaktov zaradi mehanskega udarca.
10. Odsotnost neposrednega fizičnega stika med krmilnimi in komunikacijskimi vezji.
11. Možnost regulacije obremenitve.
12. Prisotnost samodejnih vezij v impulznih TTR, ki ščitijo pred preobremenitvami.
13. Možnost uporabe v eksplozivnih okoljih.

Navedenih prednosti trdnostnih relejev ni vedno dovolj za normalno delovanje opreme. Prav zato še niso popolnoma izpodrinili elektromehanskih kontaktov.

Za stabilno delovanje močnih trdnostnih relejev je pomemben učinkovit odvod toplote, ker se pri povišanih temperaturah močno popači napetost bremena (+)

TTR imajo tudi pomanjkljivosti, ki jim v mnogih primerih preprečujejo uporabo.

Med slabosti spadajo:

1. Neizvedljivost delovanja večine naprav z napetostmi nad 0,5 kV.
2. Visoka cena.
3. Občutljivost na visoke tokove, zlasti v zagonih vezjih elektromotorjev.
4. Omejitve pri uporabi v pogojih povečane vlažnosti.
5. Kritično zmanjšanje delovnih lastnosti pri temperaturah pod -30 °C in nad +70 °C.
6. Kompaktno ohišje povzroči prekomerno segrevanje naprave pri stalno visokih obremenitvah, kar zahteva uporabo posebnih naprav za pasivno ali aktivno hlajenje.
7. Možnost taljenja naprave zaradi segrevanja ob kratkem stiku.
8. Mikrotoki v zaprtem stanju releja so lahko kritični za delovanje opreme. Na primer, v omrežje priključene fluorescenčne sijalke lahko občasno utripajo.

Tako imajo polprevodniški releji določena področja uporabe. V tokokrogih visokonapetostne industrijske opreme je njihova uporaba močno omejena zaradi nepopolnih fizikalnih lastnosti polprevodniških materialov.

V gospodinjskih aparatih in avtomobilski industriji pa imajo polprevodniški releji trdne položaje zaradi svojih pozitivnih lastnosti.

Možne sheme priključitve

Sheme priključitve polprevodniških relejev so lahko zelo raznolike. Vsak električni tokokrog se zgradi na podlagi značilnosti priključene obremenitve. V shemo se lahko dodajo dodatne varovalke, krmilniki in regulacijske naprave.

Zaradi tega, da se krmilni in obremenitveni tokokrogi v napravi ne prekrivajo, se lahko njihove električne karakteristike razlikujejo v poljubnih parametrih (+)

V nadaljevanju bodo predstavljene najpreprostejše in najpogostejše sheme priključitve polprevodniških relejev:

• normalno odprta;
• s povezanim tokokrogom;
• normalno zaprta;
• trifazna;
• reverzibilna.

Normalno odprta (razklenjena) shema – rele, pri katerem je obremenitev pod napetostjo ob prisotnosti krmilnega signala. To pomeni, da je priključena oprema v izklopljenem stanju, ko sta vhoda 3 in 4 brez napajanja.

Pred nakupom releja se je treba odločiti za zahtevani tip njegovega začetnega stanja (zaprto ali odprto), da se zagotovi pravilno delovanje priključene opreme (+)

Normalno zaprta shema – gre za rele, pri katerem je obremenitev pod napetostjo ob odsotnosti krmilnega signala. To pomeni, da je priključena oprema v delovnem stanju, ko sta vhoda 3 in 4 brez napajanja.

Obstaja shema priključitve polprevodniškega releja, pri kateri sta krmilna in obremenitvena napetost enaki. Ta način je mogoče uporabiti hkrati za delo v omrežjih enosmernega in izmeničnega toka.

Trifazni releji se priključujejo po nekoliko drugačnih načelih. Kontakti so lahko povezani v različicah »Zvezda«, »Trikotnik« ali »Zvezda z nevtralnim vodom«.

Izbira trifazne sheme priključitve releja je v veliki meri odvisna od značilnosti delovanja opreme, ki je nanj priključena kot obremenitev.

Reverzibilni polprevodniški releji se uporabljajo v elektromotorjih v ustreznem načinu. Izdelani so v trifazni različici in vključujejo dva krmilna tokokroga.

Če je za rele pomembno upoštevanje polarnosti priključitve kontaktov, bo na oznaki vedno navedeno, kam priključiti fazo in ničlo.

Sestaviti električna vezja s SSR je treba šele po njihovem predhodnem risanju na papir, saj lahko nepravilno priključene naprave odpovejo zaradi kratkega stika.

Praktična uporaba naprav

Področje uporabe SSR (polprevodniških relejev) je precej obsežno. Zaradi visoke zanesljivosti in brez potrebe po rednem vzdrževanju se pogosto nameščajo na težko dostopnih mestih opreme.

Pri mnogih relejih priključitev vodnikov krmilnega tokokroga zahteva upoštevanje polarnosti, kar je treba upoštevati med montažo opreme.

Glavna področja uporabe SSR so:

• sistem termoregulacije z uporabo grelnih teles (grelcev);
• vzdrževanje stabilne temperature v tehnoloških procesih;
• nadzor delovanja transformatorjev;
• regulacija osvetlitve;
• vezja senzorjev gibanja, osvetlitve, fotosenzorjev za zunanjo razsvetljavo in podobno;
• krmiljenje elektromotorjev;
• viri neprekinjenega napajanja.

Z naraščajočo avtomatizacijo gospodinjskih aparatov SSR pridobivajo vedno večjo razširjenost, razvijajoče se polprevodniške tehnologije pa nenehno odpirajo nova področja njihove uporabe.

Po želji lahko SSR sestavite sami. Podrobna navodila so na voljo v tem članku.

Zaključki in koristen video na to temo

Predstavljeni videoposnetki bodo pomagali bolje razumeti delovanje SSR in se seznaniti z načini njihove priključitve.

Praktična demonstracija delovanja najpreprostejšega SSR:

Pregled različic in značilnosti delovanja SSR:

Testiranje delovanja in stopnje segrevanja SSR:

Sestaviti električno vezje iz SSR in senzorja lahko praktično vsakdo.

Vendar načrtovanje delovne sheme zahteva osnovno znanje elektrotehnike, ker lahko nepravilna priključitev povzroči električni udar ali kratek stik. Po drugi strani pa lahko s pravilnimi dejanji dobite veliko uporabnih naprav za gospodinjstvo.

Imate kaj dodati ali vprašanja o priključitvi in uporabi SSR? Lahko pustite komentarje k objavi, sodelujete v razpravah in delite lastne izkušnje z uporabo takšnih naprav. Obrazec za stik je v spodnjem bloku.