Kietojo kūno relė: rūšys, praktinis taikymas, prijungimo schemos

Klasikiniai paleidikliai ir kontaktoriai palaipsniui tampa praeitimi. Jų vietą automobilių elektronikoje, buitinėje technikoje ir pramoninėje automatikoje užima kietojo kūno relė – puslaidininkinis įrenginys, kuriame nėra jokių judančių dalių.

Prietaisai turi skirtingas konstrukcijas ir prijungimo schemas, nuo kurių priklauso jų taikymo sritys. Prieš naudojant įrenginį, būtina suprasti jo veikimo principą, sužinoti apie skirtingų relių tipų veikimo ir prijungimo ypatumus. Atsakymai į išvardintus klausimus išsamiai pateikiami pateiktame straipsnyje.

Kietojo kūno relės struktūra

Šiuolaikinės kietojo kūno relės (KKR) yra moduliniai puslaidininkiniai prietaisai, veikiantys kaip galios elektros jungikliai.

Pagrindiniai šių prietaisų darbiniai mazgai yra triakiai, tiristoriai arba tranzistoriai. KKR neturi judančių dalių, kuo skiriasi nuo elektromechaninių relių.

Kietojo kūno relės dydis daugiausia priklauso nuo didžiausios leistinos apkrovos ir galimybės atiduoti šilumą šilumos perdavimo ir konvekcijos būdu (+)

Vidinė šių prietaisų struktūra gali labai skirtis priklausomai nuo reguliuojamos apkrovos tipo ir elektros schemos.

Paprasčiausios kietojo kūno relės apima šiuos mazgus:

• įvesties mazgas su saugikliais;
• trigerio grandinė;
• optinė (galvaninė) izoliacija;
• perjungimo mazgas;
• apsauginės grandinės;
• apkrovos išėjimo mazgas.

KKR įvesties mazgas yra pirminė grandinė su nuosekliai prijungtu rezistoriumi. Saugiklis į šią grandinę įdedamas pasirinktinai. Įvesties mazgo užduotis – priimti valdymo signalą ir perduoti komandą apkrovą perjungiantiems jungikliams.

Kintamajai srovei atskirti valdymo ir pagrindinę grandinę naudojama galvaninė izoliacija. Nuo jos struktūros daugiausia priklauso relės veikimo principas. Už įvesties signalo apdorojimą atsakinga trigerio grandinė gali būti įtraukta į optinės izoliacijos mazgą arba būti atskirai.

Apsauginis mazgas neleidžia atsirasti perkrovoms ir klaidoms, nes įrenginio gedimo atveju gali sugesti ir prijungta technika.

Pagrindinis kietojo kūno relių tikslas – elektros tinklo uždarymas/atidarymas naudojant silpną valdymo signalą. Skirtingai nuo elektromechaninių analogų, jie yra kompaktiškesnės formos ir darbo metu neskleidžia būdingų spragtelėjimų.

Kietojo kūno relės veikimo principas

Kietojo kūno relės veikimas yra gana paprastas. Dauguma TTR yra skirtos automatikos valdymui 20-480 V tinkluose.

Optinė izoliacija leidžia sukurti minimalios galios valdymo signalus, o tai yra kritiškai svarbu jutikliams, veikiantiems iš autonominių maitinimo šaltinių (+)

Klasikiniame vykdyme į prietaiso korpusą įeina du perjungiamos grandinės kontaktai ir du valdymo laidai. Jų skaičius gali keistis didėjant prijungtų fazių skaičiui. Priklausomai nuo įtampos buvimo valdymo grandinėje, puslaidininkiniai elementai įjungia arba išjungia pagrindinę apkrovą.

Kietojo kūno relių ypatybė yra nebegalinė varža. Jei elektromechaniniuose įrenginiuose kontaktai visiškai atsijungia, tai kietojo kūno reliose srovės nebuvimą grandinėje užtikrina puslaidininkinių medžiagų savybės.

Todėl esant padidintoms įtampoms gali atsirasti nedideli nuotėkio srovės, kurios gali neigiamai paveikti prijungtos įrangos darbą.

Kietojo kūno relių klasifikacija

Relių taikymo sritys yra įvairios, todėl jų konstrukcinės ypatybės gali labai skirtis, priklausomai nuo konkrečios automatikos schemos poreikių. TTR klasifikuojamos pagal prijungtų fazių skaičių, darbinės srovės tipą, konstrukcines ypatybes ir valdymo schemos tipą.

Pagal prijungtų fazių skaičių

Kietojo kūno relės naudojamos tiek namų prietaisuose, tiek pramoninėje automatikoje, kurios darbinė įtampa yra 380 V.

Todėl šie puslaidininkiniai įrenginiai, priklausomai nuo fazių skaičiaus, skirstomi į:

• vienfazes;
• trifazes.

Vienfazės TTR leidžia dirbti su 10-100 arba 100-500 A srovėmis. Jos valdomos analoginiu signalu.

Prie trifazės relės rekomenduojama jungti įvairių spalvų laidus, kad montuojant įrangą būtų galima juos teisingai prijungti

Trifazės kietojo kūno relės gali praleisti 10-120 A diapazono srovę. Jų konstrukcija numato reversinį veikimo principą, kuris užtikrina kelių elektros grandinių vienu metu reguliavimo patikimumą.

Dažnai trifazės TTR naudojamos asinchroninio variklio darbui užtikrinti. Į jo valdymo elektros schemą būtinai įtraukiami greiti saugikliai dėl aukštų paleidimo srovių.

Pagal darbo srovės tipą

Tvirtosios būsenos relių negalima nustatyti ar perprogramuoti, todėl jos gali normaliai veikti tik esant tam tikram tinklo elektrinių parametrų diapazonui.

Priklausomai nuo poreikių, TTR gali būti valdomos dviejų rūšių srovės elektros grandinėmis:

• nuolatine;
• kintamąja.

Panašiai TTR galima klasifikuoti pagal aktyviosios apkrovos įtampos tipą. Dauguma relių buitiniuose prietaisuose veikia su kintamaisiais parametrais.

Nuolatinė srovė nenaudojama kaip pagrindinis elektros energijos šaltinis nė vienoje pasaulio šalyje, todėl tokio tipo relės turi siaurą pritaikymo sritį.

Įrenginiai su nuolatine valdymo srove pasižymi dideliu patikimumu ir reguliavimui naudoja 3-32 V įtampą. Jie atlaiko platų temperatūrų diapazoną (-30..+70°C) be reikšmingo charakteristikų pokyčio.

Relės, reguliuojamos kintamąja srove, turi 3-32 V arba 70-280 V valdymo įtampą. Jos pasižymi mažais elektromagnetiniais trikdžiais ir dideliu veikimo greičiu.

Pagal konstrukcijos ypatumus

Kietojo kūno relės dažnai montuojamos bendrame buto elektros skydelyje, todėl daugelis modelių turi montavimo bloką tvirtinimui ant DIN bėgelio.

Be to, yra specialūs radiatoriai, esantys tarp TTR ir atraminio paviršiaus. Jie leidžia aušinti prietaisą esant didelėms apkrovoms, išlaikant jo darbines charakteristikas.

Relė tvirtinama ant DIN bėgelio daugiausia per specialų laikiklį, kuris turi ir papildomą funkciją – šalina šilumos perteklių prietaiso veikimo metu.

Tarp relės ir radiatoriaus rekomenduojama tepti termopastos sluoksnį, kuris padidina sąlyčio plotą ir pagerina šilumos atidavimą. Taip pat yra TTR, skirtų tvirtinti prie sienos paprastais varžtais.

Pagal valdymo schemos tipą

Ne visada reguliuojamos relės technikos veikimo principas reikalauja momentinio jos suveikimo.

Todėl gamintojai sukūrė keletą TTR valdymo schemų, kurios naudojamos įvairiose srityse:

1. Valdymas „per nulį“. Toks kietojo kūno relės valdymo variantas numato suveikimą tik tada, kai įtampos vertė lygi 0. Naudojamas įrenginiuose su talpine, varžine (šildytuvai) ir silpna indukcine (transformatoriai) apkrova.
2. Momentinis. Naudojamas, kai reikia staigaus relės suveikimo padavus valdymo signalą.
3. Fazinis. Numato išėjimo įtampos reguliavimą keičiant valdymo srovės parametrus. Taikomas sklandžiam šildymo ar apšvietimo laipsnio keitimui.

Kietojo kūno relės skiriasi ir pagal daugelį kitų, mažiau reikšmingų parametrų. Todėl perkant TTR svarbu suprasti prijungiamos technikos darbo schemą, kad būtų įsigytas kuo labiau jai tinkamas reguliavimo įrenginys.

Būtinai turi būti numatytas galios rezervas, nes relė turi eksploatacinį išteklių, kuris greitai išeikvojamas dažnų perkrovų metu.

KKR privalumai ir trūkumai

Kietojo kūno relės ne veltui išstumia iš rinkos įprastus paleidiklius ir kontaktorius. Šie puslaidininkiniai prietaisai turi daug privalumų, palyginti su elektromechaniniais analogais, kurie verčia vartotojus rinktis būtent juos.

Relės mikroschemoms yra kompaktiškos ir labai ribotos pagal maksimalų praleidžiamą srovę. Jos tvirtinamos daugiausia lituojant specialias kojeles.

Tokiems privalumams priskiriami:

1. Mažas energijos suvartojimas (90 % mažiau).
2. Kompaktiški matmenys, leidžiantys montuoti įrenginius ribotoje erdvėje.
3. Didelis įjungimo ir išjungimo greitis
4. Sumažintas darbo triukšmingumas, nėra elektromechaninei relei būdingų spragtelėjimų.
5. Nereikalaujama techninės priežiūros.
6. Ilgas tarnavimo laikas dėl šimtų milijonų perjungimų resurso.
7. Dėl plačių elektroninių mazgų modifikavimo galimybių TTR turi išplėstas taikymo sritis.
8. Elektromagnetinių trukdžių nebuvimas perjungimo metu.
9. Išvengiama kontaktų pažeidimo dėl mechaninio smūgio.
10. Nėra tiesioginio fizinio kontakto tarp valdymo ir komutavimo grandinių.
11. Galimybė reguliuoti apkrovą.
12. Impulsiniuose TTR yra automatinės grandinės, apsaugančios nuo perkrovų.
13. Galimybė naudoti sprogioje aplinkoje.

Išvardytų kietojo kūno relių privalumų ne visada pakanka normaliam įrangos darbui. Būtent todėl jos dar nevisiškai išstūmė elektromechaninius kontaktorius.

Stabiliam galingų kietojo kūno relių darbui svarbus efektyvus šilumos atidavimas, nes esant padidintai temperatūrai smarkiai iškraipoma apkrovos įtampa (+).

TTR taip pat turi trūkumų, kurie neleidžia jų naudoti daugeliu atvejų.

Prie minusų priskiriami:

1. Daugumos įrenginių negalėjimas veikti esant aukštesnei nei 0,5 kV įtampai.
2. Didelė kaina.
3. Jautrumas didelėms srovėms, ypač elektros variklių paleidimo grandinėse.
4. Apribojimai naudoti padidintos drėgmės sąlygomis.
5. Kritinis darbo charakteristikų sumažėjimas esant žemesnei nei -30 °C ir aukštesnei nei 70 °C temperatūrai.
6. Kompaktiškas korpusas lemia pernelyg didelį įrenginio įkaitimą esant stabilioms didelėms apkrovoms, todėl reikia naudoti specialius pasyviojo arba aktyviojo aušinimo įrenginius.
7. Galimybė, kad įrenginys išsilydys dėl įkaitimo trumpojo jungimo metu.
8. Mikrosrovės uždarytos relės būsenoje gali būti kritinės įrangos darbui. Pavyzdžiui, prie tinklo prijungtos liuminescencinės lempos gali periodiškai blykčioti.

Taigi, kietojo kūno relės turi tam tikras taikymo sritis. Aukštos įtampos pramoninės įrangos grandinėse jų naudojimas yra smarkiai apribotas dėl netobulų puslaidininkinių medžiagų fizinių savybių.

Tačiau buitinėje technikoje ir automobilių pramonėje TTR užima tvirtas pozicijas dėl savo teigiamų savybių.

Galimos prijungimo schemos

Kietojo kūno relių prijungimo schemos gali būti labai įvairios. Kiekviena elektros grandinė sudaroma atsižvelgiant į prijungiamos apkrovos ypatumus. Į schemą gali būti įtraukiami papildomi saugikliai, valdikliai ir reguliavimo įtaisai.

Dėl to, kad valdymo ir apkrovos grandinės įrenginyje nesutampa, jų elektrinės charakteristikos gali skirtis bet kokiais parametrais (+)

Toliau pateikiamos paprasčiausios ir dažniausiai naudojamos TTR prijungimo schemos:

• normaliai atidaryta;
• su susietu kontūru;
• normaliai uždaryta;
• trifazė;
• reversinė.

Normaliai atidaryta (atjungta) schema – relė, kurios apkrova yra įtampa, kai yra valdymo signalas. Tai reiškia, kad prijungta įranga yra išjungtoje būsenoje, kai įėjimai 3 ir 4 yra be įtampos.

Prieš perkant relę, būtina nustatyti reikiamą jos pradinės būsenos tipą (uždaryta arba atidaryta), kad būtų užtikrintas teisingas prijungtos įrangos veikimas (+)

Normaliai uždaryta schema – turima omenyje relė, kurios apkrova yra įtampa, kai nėra valdymo signalo. Tai reiškia, kad prijungta įranga yra darbinėje būsenoje, kai įėjimai 3 ir 4 yra be įtampos.

Egzistuoja kietojo kūno relės prijungimo schema, kurioje valdymo ir apkrovos įtampa yra vienoda. Tokį būdą galima naudoti vienu metu darbui nuolatinės ir kintamos srovės tinkluose.

Trifazės relės jungiamos kiek kitais principais. Kontaktai gali būti sujungti variantais „Žvaigždė“, „Trikampis“ arba „Žvaigždė su neutraliu laidu“.

Trifazės relės prijungimo schemos pasirinkimas daugiausia priklauso nuo prie jos kaip apkrovos prijungtos technikos darbo ypatumų

Reversinės kietojo kūno relės naudojamos elektros varikliuose atitinkamu režimu. Jos gaminamos trifaziu variantu ir apima du valdymo kontūrus.

Jei relei svarbu laikytis kontaktų prijungimo poliškumo, tai ant žymėjimo visada bus nurodyta, kur prijungti fazę ir nulį

Elektros grandines su TTR reikia rinkti tik po to, kai jos iš anksto nupieštos ant popieriaus, nes neteisingai prijungti įrenginiai gali sugesti dėl trumpojo jungimo.

Praktinis prietaisų taikymas

Kietojo kūno relių naudojimo sritis yra gana plati. Dėl didelio patikimumo ir nereikalavimo reguliarios priežiūros jie dažnai montuojami sunkiai pasiekiamose įrangos vietose.

Daugelyje relių valdymo grandinės laidų prijungimas reikalauja laikytis poliškumo, į ką būtina atsižvelgti montuojant įrangą.

Pagrindinės TTR taikymo sritys yra:

• termoreguliacijos sistema naudojant kaitinimo elementus;
• stabilios temperatūros palaikymas technologiniuose procesuose;
• transformatorių darbo kontrolė;
• apšvietimo reguliavimas;
• judesio, apšvietimo jutiklių, fotojutiklių lauko apšvietimui ir pan. schemos;
• elektros variklių valdymas;
• nepertraukiamo maitinimo šaltiniai.

Didėjant buitinės technikos automatizavimui, kietojo kūno relės tampa vis labiau paplitusios, o besivystančios puslaidininkių technologijos nuolat atranda naujas jų taikymo sritis.

Jei norite, kietojo kūno relę galima surinkti patiems. Išsami instrukcija pateikta šiame straipsnyje.

Išvados ir naudingas vaizdo įrašas šia tema

Pateikti vaizdo įrašai padės geriau suprasti kietojo kūno relių darbą ir susipažinti su jų prijungimo būdais.

Praktinis paprasčiausios kietojo kūno relės veikimo demonstravimas:

Kietojo kūno relių rūšių ir darbo ypatumų analizė:

TTR veikimo ir įkaitimo laipsnio testavimas:

Sumontuoti elektros grandinę iš kietojo kūno relės ir jutiklio gali praktiškai kiekvienas žmogus.

Tačiau darbinės schemos planavimas reikalauja pagrindinių elektrotechnikos žinių, nes neteisingas prijungimas gali sukelti elektros smūgį ar trumpąjį jungimą. Už teisingus veiksmus galima gauti daugybę kasdieniame gyvenime naudingų prietaisų.

Ar turite ką pridurti, ar kilo klausimų apie kietojo kūno relių prijungimą ir taikymą? Galite palikti komentarus prie publikacijos, dalyvauti diskusijose ir pasidalinti savo patirtimi naudojant tokius įrenginius. Kontaktinė forma yra apatiniame bloke.