Бурное развитие микроэлектроники потребовало новой элементной базы среди исполнительной аппаратуры. Громоздкие и не эффективно использующие энергию контакторы, электромагнитные реле перестали отвечать требованиям разработчиков промышленной и бытовой электроники. Поэтому были разработаны и сегодня интенсивно внедряются в самых разных сферах деятельности человека (системы связи, автомобильная электроника, промышленная автоматика и бытовая электроника) твердотельные аналоги электромагнитных пускателей и реле.
Электронные твердотельные реле представляют собой новый класс модульных полупроводниковых устройств, изготовленных по гибридной технологии и включающих цепи управления нагрузочными токами большой величины на транзисторах, симисторах или тиристорах. Принцип их работы заключается в подаче управляющего сигнала на светодиод, который, обеспечивая гальваническую развязку управляющих и коммутируемых цепей, передаёт сигнал на матрицу (фотодиодную). Создаваемое ею напряжение управляет силовым ключом.
Классифицируют твердотельные реле по следующим признакам:
— по типу нагрузки. Одно- и трёхфазные, с диапазоном регулируемого напряжения от 40 до 440 вольт;
— по способу управления. Коммутация постоянного напряжения (от 3 до 32 вольт), переменного напряжения (от 90 до 250 вольт) и ручное управление переменным резистором;
— по методу коммутации:
1) с контролем перехода через ноль. Используются для коммутации емкостных (сглаживающие помехоподавляющие фильтры, содержащие конденсаторы), резистивных (лампы накаливания, электрические нагреватели) и слабоиндуктивных (катушки клапанов, соленоидов) нагрузок.
2) случайного (мгновенного) включения. Употребляются для коммутации индуктивных (трансформаторы, маломощные двигатели) и резистивных (лампы накаливания, электрические нагреватели) нагрузок при возникновении потребности в мгновенном срабатывании.
3) с фазовым управлением. Они меняют выходное напряжение на нагрузке и регулируют нагревательные элементы (управление мощностью), лампы накаливания (управление уровнем освещенности).
Преимуществами твердотельных реле перед электромагнитными аналогами состоят в следующем:
— включение цепи без электромагнитных помех;
— высокое быстродействие;
— отсутствие шума и дребезга контактов;
— продолжительный период работы (свыше миллиарда срабатываний);
— возможность работы во взрывоопасной среде, так как нет дугового разряда;
— низкое электропотребление (на 95% меньше, чем у обычных реле);
— надёжная изоляция между входными и коммутируемыми цепями;
— компактная герметичная конструкция, стойкая к вибрации и ударным нагрузкам.
При выборе твердотельного реле следует знать, что оно нагревается при коммутации из-за потерь электроэнергии на силовых управляющих элементах. При этом, рост температуры корпуса реле ограничивает величину регулируемого тока (чем больше нагрелся корпус, тем меньший ток можно коммутировать). При температуре в 40 градусов параметры реле в норме. При повышении температуры более 60 градусов возможная для регулирования величина тока заметно снижается. Реле может отключать нагрузку не полностью, перейти в неуправляемый режим и «сгореть».
Поэтому при планировании работы подобных реле в условиях коммутации токов, превышающих 5 ампер, необходимо предусматривать охлаждающие радиаторы и запас по номинальному току в 2-4 раза. При регулировке асинхронных двигателей запас по току нужно увеличить до 6-10 раз. Необходимо принять во внимание и тот факт, что способность твердотельного реле выдерживать перегрузки по току определяется уровнем «ударного тока». Реле постоянного тока выдерживают увеличение до 3 раз к максимальному току, тиристорные – до 10 раз.
Основными сферами приложения твердотельных реле являются системы температурного контроля, промышленного нагрева, управления трансформаторами и электродвигателями, бесперебойного электропитания, освещения промышленных и общественных объектов.