Pevnofázové relé: druhy, praktické použití, schémata zapojení

Klasické spouštěče a stykače postupně mizí do minulosti. Jejich místo v automobilové elektronice, domácích spotřebičích a průmyslové automatizaci zaujímá polovodičové relé – polovodičové zařízení, ve kterém chybí jakékoli pohyblivé části.

Přístroje mají různé konstrukce a schémata zapojení, na kterých závisí jejich oblasti použití. Než začnete zařízení používat, je nutné porozumět jeho principu činnosti, dozvědět se o zvláštnostech fungování a zapojení různých typů relé. Odpovědi na uvedené otázky jsou podrobně popsány v předloženém článku.

Konstrukce polovodičového relé

Moderní polovodičová relé (SSR) představují modulární polovodičové přístroje, které jsou výkonovými elektrickými spínači.

Klíčové pracovní uzly těchto zařízení jsou tvořeny triaky, tyristory nebo tranzistory. SSR nemají pohyblivé části, čímž se liší od elektromechanických relé.

Velikost polovodičového relé do značné míry závisí na maximálním povoleném zatížení a možnosti odvádět teplo pomocí přenosu tepla a konvekce (+)

Vnitřní konstrukce těchto přístrojů se může výrazně lišit v závislosti na typu regulované zátěže a elektrického schématu.

Nejjednodušší polovodičová relé zahrnují tyto uzly:

• vstupní uzel s pojistkami;
• triggrový obvod;
• optické (galvanické) oddělení;
• přepínací uzel;
• ochranné obvody;
• uzel výstupu na zátěž.

Vstupní uzel SSR představuje primární obvod s rezistorem zapojeným v sérii. Pojistka se do tohoto obvodu vkládá volitelně. Úkolem vstupního uzlu je přijetí řídicího signálu a předání příkazu na přepínače spínající zátěž.

Při střídavém proudu se pro oddělení řídicího a hlavního obvodu používá galvanické oddělení. Na jeho uspořádání do značné míry závisí princip činnosti relé. Triggrový obvod odpovědný za zpracování vstupního signálu může být součástí uzlu optického oddělení nebo umístěn samostatně.

Ochranný uzel zabraňuje vzniku přetížení a chyb, protože v případě poruchy přístroje může dojít k poškození i připojeného zařízení.

Hlavním účelem polovodičových relé je sepnutí/rozepnutí elektrické sítě pomocí slabého řídicího signálu. Na rozdíl od elektromechanických analogů mají kompaktnější tvar a během provozu nevydávají charakteristické cvakání.

Princip činnosti SSR

Práce polovodičového relé je poměrně jednoduchá. Většina TTR je určena pro řízení automatizace v sítích 20-480 V.

Optické oddělení umožňuje vytvářet řídicí signály minimálního výkonu, což je kriticky důležité pro senzory napájené z autonomních zdrojů (+)

V klasickém provedení obsahuje těleso přístroje dva kontakty spínaného obvodu a dva řídicí vodiče. Jejich počet se může měnit při zvýšení počtu připojených fází. V závislosti na přítomnosti napětí v řídicím obvodu dochází k zapnutí nebo vypnutí hlavní zátěže polovodičovými prvky.

Zvláštností polovodičových relé je přítomnost konečného odporu. Zatímco kontakty u elektromechanických zařízení se zcela rozpojí, u polovodičových je absence proudu v obvodu zajištěna vlastnostmi polovodičových materiálů.

Proto se při zvýšených napětích mohou objevit malé svodové proudy, které mohou negativně ovlivnit činnost připojeného zařízení.

Klasifikace polovodičových relé

Oblasti použití relé jsou různorodé, proto se jejich konstrukční vlastnosti mohou značně lišit v závislosti na potřebách konkrétního automatického schématu. TTR se klasifikují podle počtu připojených fází, druhu pracovního proudu, konstrukčních vlastností a typu řídicího obvodu.

Podle počtu připojených fází

Polovodičová relé se používají jak v domácích spotřebičích, tak v průmyslové automatizaci s pracovním napětím 380 V.

Proto se tato polovodičová zařízení podle počtu fází dělí na:

• jednofázová;
• třífázová.

Jednofázová TTR umožňují pracovat s proudy 10-100 nebo 100-500 A. Jejich řízení probíhá pomocí analogového signálu.

K třífázovému relé se doporučuje připojovat vodiče různých barev, aby bylo možné při montáži zařízení správně připojit.

Třífázová polovodičová relé jsou schopna propouštět proud v rozsahu 10-120 A. Jejich konstrukce předpokládá reverzní princip činnosti, který zajišťuje spolehlivost regulace několika elektrických obvodů současně.

Často se třífázová TTR používají k zajištění provozu asynchronního motoru. Do jeho řídicího elektrického obvodu musí být zařazeny rychlé pojistky kvůli vysokým rozběhovým proudům.

Podle druhu pracovního proudu

Pevnostní relé nelze nastavit ani přeprogramovat, proto mohou správně fungovat pouze v určitém rozsahu elektrických parametrů sítě.

V závislosti na potřebách mohou být SSR řízena elektrickými obvody se dvěma druhy proudu:

• stejnosměrným;
• střídavým.

Podobně lze SSR klasifikovat podle typu napětí aktivní zátěže. Většina relé v domácích spotřebičích pracuje se střídavými parametry.

Stejnosměrný proud se v žádné zemi světa nepoužívá jako hlavní zdroj elektrické energie, proto mají relé tohoto typu omezené použití.

Zařízení se stejnosměrným řídicím proudem se vyznačují vysokou spolehlivostí a pro regulaci používají napětí 3-32 V. Odolávají širokému teplotnímu rozsahu (-30..+70°C) bez výrazné změny charakteristik.

Relé řízená střídavým proudem mají řídicí napětí 3-32 V nebo 70-280 V. Vyznačují se nízkým elektromagnetickým rušením a vysokou rychlostí sepnutí.

Podle konstrukčních vlastností

Pevnostní relé se často instalují do společného rozvaděče bytu, proto mají mnohé modely montážní blok pro upevnění na DIN lištu.

Kromě toho existují speciální chladiče umístěné mezi SSR a opěrnou plochou. Umožňují chlazení zařízení při vysokém zatížení a zachovávají jeho provozní charakteristiky.

Relé se upevňuje na DIN lištu zejména pomocí speciální konzoly, která má také doplňkovou funkci – odvádí přebytečné teplo při provozu zařízení.

Mezi relé a chladič se doporučuje nanést vrstvu teplovodivé pasty, která zvětšuje styčnou plochu a zvyšuje odvod tepla. Existují i SSR určené k upevnění na zeď běžnými šrouby.

Podle typu řídicího schématu

Ne vždy princip činnosti regulovaného relé vyžaduje jeho okamžité sepnutí.

Proto výrobci vyvinuli několik řídicích schémat SSR, která se používají v různých oblastech:

1. Ovládání „přes nulu“. Tato varianta řízení pevnostního relé předpokládá sepnutí pouze při hodnotě napětí rovné 0. Používá se u zařízení s kapacitní, odporovou (ohřívače) a slabou indukční (transformátory) zátěží.
2. Okamžité. Používá se při potřebě prudkého sepnutí relé při přivedení řídicího signálu.
3. Fázové. Předpokládá regulaci výstupního napětí změnou parametrů řídicího proudu. Používá se pro plynulou změnu stupně ohřevu nebo osvětlení.

Pevnostní relé se liší také mnoha dalšími, méně významnými parametry. Proto je při nákupu SSR důležité porozumět schématu provozu připojovaného zařízení, aby bylo možné zakoupit co nejvhodnější regulační zařízení.

Musí být zajištěna výkonová rezerva, protože relé má provozní životnost, která se rychle spotřebovává při častém přetěžování.

Výhody a nevýhody SSR

Polovodičová relé ne náhodou vytlačují z trhu běžné spouštěče a stykače. Tyto polovodičové přístroje mají mnoho výhod oproti elektromechanickým analogům, které nutí zákazníky zastavit výběr právě u nich.

Relé pro integrované obvody má kompaktní rozměry a je silně omezeno maximálním propouštěným proudem. Upevňují se převážně připájením speciálních nožiček.

K těmto výhodám patří:

1. Nízká spotřeba elektrické energie (o 90 % méně).
2. Kompaktní rozměry umožňující montáž zařízení v omezeném prostoru.
3. Vysoká rychlost spouštění a vypínání
4. Snížená hlučnost provozu, chybí charakteristické cvakání elektromechanického relé.
5. Nepředpokládá se technická údržba.
6. Dlouhá životnost díky životnosti stovek milionů sepnutí.
7. Díky širokým možnostem modifikace elektronických uzlů mají TTR rozšířené oblasti použití.
8. Absence elektromagnetického rušení při sepnutí.
9. Vylučuje se poškození kontaktů v důsledku jejich mechanického nárazu.
10. Absence přímého fyzického kontaktu mezi řídicími a spínacími obvody.
11. Možnost regulace zátěže.
12. Přítomnost automatických obvodů chránících proti přetížení u pulzních TTR.
13. Možnost použití v prostředí s nebezpečím výbuchu.

Uvedené výhody polovodičových relé nejsou vždy dostatečné pro normální provoz zařízení. Proto ještě zcela nevytlačily elektromechanické stykače.

Pro stabilní provoz výkonných polovodičových relé je důležitý účinný odvod tepla, protože při zvýšených teplotách se napětí zátěže prudce deformuje (+).

TTR mají také nevýhody, které jim nedovolují používat se v mnoha případech.

K nevýhodám patří:

1. Nemožnost provozu většiny zařízení s napětím nad 0,5 kV.
2. Vysoká cena.
3. Citlivost na vysoké proudy, zejména v rozběhových obvodech elektromotorů.
4. Omezení použití v podmínkách zvýšené vlhkosti.
5. Kritické snížení pracovních charakteristik při teplotách pod -30 °C a nad +70 °C.
6. Kompaktní pouzdro vede k nadměrnému zahřívání zařízení při stabilně vysokém zatížení, což vyžaduje použití speciálních zařízení pasivního nebo aktivního chlazení.
7. Možnost roztavení zařízení v důsledku zahřátí při zkratu.
8. Mikroproudy v sepnutém stavu relé mohou být kritické pro provoz zařízení. Například zářivky připojené k síti mohou periodicky blikat.

Tedy, polovodičová relé mají určité oblasti použití. V obvodech vysokonapěťového průmyslového zařízení je jejich použití výrazně omezeno kvůli nedokonalým fyzikálním vlastnostem polovodičových materiálů.

Nicméně v domácích spotřebičích a automobilovém průmyslu mají SSR pevné postavení díky svým pozitivním vlastnostem.

Možná schémata zapojení

Schémata zapojení polovodičových relé mohou být velmi rozmanitá. Každý elektrický obvod je sestaven na základě vlastností připojované zátěže. Do schématu mohou být přidány další pojistky, regulátory a řídicí zařízení.

Díky tomu, že řídicí a zátěžové obvody v přístroji nejsou propojeny, mohou se jejich elektrické charakteristiky lišit libovolnými parametry (+)

Dále budou představeny nejjednodušší a nejběžnější schémata zapojení SSR:

• normálně otevřená;
• s propojeným obvodem;
• normálně zavřená;
• třífázová;
• reverzní.

Normálně otevřené (rozpojené) schéma – relé, jehož zátěž je pod napětím při přítomnosti řídicího signálu. To znamená, že připojené zařízení je v odpojeném stavu při odpojených vstupech 3 a 4.

Před zakoupením relé je nutné určit požadovaný typ jeho počátečního stavu (zavřený nebo otevřený), aby byla zajištěna správná funkce připojeného zařízení (+)

Normálně zavřené schéma – jedná se o relé, jehož zátěž je pod napětím při absenci řídicího signálu. To znamená, že připojené zařízení je v provozním stavu při odpojených vstupech 3 a 4.

Existuje schéma zapojení polovodičového relé, ve kterém je řídicí a zátěžové napětí stejné. Tento způsob lze použít současně pro práci v sítích stejnosměrného a střídavého proudu.

Třífázová relé se zapojují poněkud jinými principy. Kontakty mohou být spojeny v provedeních „Hvězda“, „Trojúhelník“ nebo „Hvězda s neutrálem“.

Výběr třífázového schématu zapojení relé do značné míry závisí na vlastnostech provozu zařízení, které je k němu připojeno jako zátěž.

Reverzní polovodičová relé se používají v elektromotorech v odpovídajícím režimu. Jsou vyráběna v třífázovém provedení a obsahují dva řídicí obvody.

Pokud je pro relé důležité dodržení polarity připojení kontaktů, na označení bude vždy uvedeno, kam připojit fázi a nulový vodič.

Elektrické obvody s SSR je nutné sestavovat pouze po jejich předběžném nakreslení na papír, protože nesprávně zapojená zařízení mohou selhat v důsledku zkratu.

Praktické použití zařízení

Oblast použití polovodičových relé je poměrně rozsáhlá. Díky vysoké spolehlivosti a absenci potřeby pravidelné údržby jsou často instalována na těžko přístupných místech zařízení.

U mnoha relé vyžaduje připojení vodičů řídicího obvodu dodržení polarity, což je nutné zohlednit při montáži zařízení.

Hlavními oblastmi použití SSR jsou:

• systém termoregulace s použitím topných těles;
• udržování stabilní teploty v technologických procesech;
• kontrola činnosti transformátorů;
• regulace osvětlení;
• schémata pohybových čidel, světelných čidel, fotočidel pro venkovní osvětlení apod.;
• řízení elektromotorů;
• zdroje nepřerušovaného napájení.

S rostoucí automatizací domácích spotřebičů získávají polovodičová relé stále větší rozšíření a vyvíjející se polovodičové technologie neustále otevírají nové oblasti jejich použití.

Pokud si to přejete, můžete polovodičové relé sestavit vlastnoručně. Podrobný návod je uveden v tomto článku.

Závěry a užitečné video k tématu

Uvedená videa pomohou lépe pochopit činnost polovodičových relé a seznámit se s způsoby jejich zapojení.

Praktická ukázka činnosti nejjednoduššího polovodičového relé:

Rozbor druhů a vlastností činnosti polovodičových relé:

Testování činnosti a míry zahřívání SSR:

Sestavit elektrický obvod z polovodičového relé a čidla může prakticky každý člověk.

Plánování pracovního schématu však vyžaduje základní znalosti elektrotechniky, protože nesprávné zapojení může vést k úrazu elektrickým proudem nebo zkratu. Na druhou stranu, správným postupem lze získat mnoho užitečných spotřebičů do domácnosti.

Máte co doplnit, nebo máte otázky k tématu zapojení a použití polovodičových relé? Můžete zanechat komentáře k publikaci, účastnit se diskusí a sdílet vlastní zkušenosti s používáním těchto zařízení. Kontaktní formulář se nachází ve spodním bloku.