Przekaźnik półprzewodnikowy: rodzaje, praktyczne zastosowanie, schematy podłączenia

Klasyczne rozruszniki i styczniki stopniowo odchodzą w przeszłość. Ich miejsce w elektronice samochodowej, sprzęcie AGD i automatyce przemysłowej zajmuje przekaźnik półprzewodnikowy – urządzenie półprzewodnikowe, w którym nie ma żadnych ruchomych części.

Urządzenia mają różne konstrukcje i schematy podłączeń, od których zależą ich obszary zastosowania. Przed użyciem urządzenia należy zrozumieć jego zasadę działania, poznać specyfikę funkcjonowania i podłączania różnych rodzajów przekaźników. Odpowiedzi na te pytania zostały szczegółowo przedstawione w niniejszym artykule.

Budowa przekaźnika półprzewodnikowego

Nowoczesne przekaźniki półprzewodnikowe (TTR) to modułowe przyrządy półprzewodnikowe, będące elektrycznymi przełącznikami mocy.

Kluczowe węzły robocze tych urządzeń to triaki, tyrystory lub tranzystory. TTR nie mają ruchomych części, czym różnią się od przekaźników elektromechanicznych.

Rozmiar przekaźnika półprzewodnikowego w dużej mierze zależy od maksymalnego dopuszczalnego obciążenia oraz możliwości odprowadzania ciepła poprzez przewodzenie i konwekcję (+)

Wewnętrzna konstrukcja tych urządzeń może znacznie się różnić w zależności od rodzaju regulowanego obciążenia oraz schematu elektrycznego.

Najprostsze przekaźniki półprzewodnikowe obejmują następujące węzły:

• węzeł wejściowy z bezpiecznikami;
• obwód wyzwalający;
• optyczne (galwaniczne) odseparowanie;
• węzeł przełączający;
• obwody zabezpieczające;
• węzeł wyjścia na obciążenie.

Węzeł wejściowy TTR stanowi obwód pierwotny z szeregowo podłączonym rezystorem. Bezpiecznik w tym obwodzie jest instalowany opcjonalnie. Zadaniem węzła wejściowego jest odbiór sygnału sterującego i przekazanie polecenia do przełączników komutujących obciążenie.

Przy prądzie zmiennym do oddzielenia obwodu sterującego od głównego stosuje się odseparowanie galwaniczne. Od jego budowy w dużej mierze zależy zasada działania przekaźnika. Odpowiedzialny za przetwarzanie sygnału wejściowego obwód wyzwalający może być włączony do węzła odseparowania optycznego lub znajdować się osobno.

Węzeł zabezpieczający zapobiega powstawaniu przeciążeń i błędów, ponieważ w przypadku awarii urządzenia może ulec uszkodzeniu również podłączone urządzenie.

Głównym przeznaczeniem przekaźników półprzewodnikowych jest zamykanie/otwieranie obwodu elektrycznego za pomocą słabego sygnału sterującego. W przeciwieństwie do odpowiedników elektromechanicznych mają bardziej kompaktową formę i nie wydają charakterystycznych kliknięć podczas pracy.

Zasada działania TTR

Działanie przekaźnika półprzewodnikowego jest dość proste. Większość przekaźników półprzewodnikowych jest przeznaczona do sterowania automatyki w sieciach 20-480 V.

Separacja optyczna umożliwia tworzenie sygnałów sterujących o minimalnej mocy, co jest krytyczne dla czujników zasilanych z autonomicznych źródeł zasilania (+)

W klasycznym wykonaniu obudowa urządzenia zawiera dwa styki obwodu przełączanego oraz dwa przewody sterujące. Ich liczba może się zmieniać wraz ze wzrostem liczby podłączonych faz. W zależności od obecności napięcia w obwodzie sterowania następuje załączenie lub wyłączenie głównego obciążenia za pomocą elementów półprzewodnikowych.

Cechą przekaźników półprzewodnikowych jest niezerowa rezystancja w stanie wyłączonym. Podczas gdy styki w urządzeniach elektromechanicznych całkowicie się rozłączają, w przekaźnikach półprzewodnikowych brak prądu w obwodzie zapewniają właściwości materiałów półprzewodnikowych.

Dlatego przy podwyższonych napięciach mogą pojawić się niewielkie prądy upływu, które mogą negatywnie wpłynąć na pracę podłączonego sprzętu.

Klasyfikacja przekaźników półprzewodnikowych

Zastosowania przekaźników są różnorodne, dlatego ich cechy konstrukcyjne mogą się znacznie różnić w zależności od potrzeb konkretnego układu automatyki. Przekaźniki półprzewodnikowe klasyfikuje się według liczby podłączonych faz, rodzaju prądu roboczego, cech konstrukcyjnych i typu obwodu sterowania.

Według liczby podłączonych faz

Przekaźniki półprzewodnikowe są używane zarówno w urządzeniach domowych, jak i w automatyce przemysłowej o napięciu roboczym 380 V.

Dlatego te urządzenia półprzewodnikowe, w zależności od liczby faz, dzielą się na:

• jednofazowe;
• trójfazowe.

Jednofazowe przekaźniki półprzewodnikowe umożliwiają pracę z prądami 10-100 lub 100-500 A. Sterowanie odbywa się za pomocą sygnału analogowego.

Do trójfazowego przekaźnika zaleca się podłączanie przewodów różnych kolorów, aby podczas montażu urządzenia można było je prawidłowo połączyć.

Trójfazowe przekaźniki półprzewodnikowe są w stanie przewodzić prąd w zakresie 10-120 A. Ich konstrukcja zakłada odwracalną zasadę działania, która zapewnia niezawodną regulację kilku obwodów elektrycznych jednocześnie.

Często trójfazowe przekaźniki półprzewodnikowe są używane do zasilania silnika asynchronicznego. W jego schemacie elektrycznym sterowania koniecznie włącza się szybkie bezpieczniki ze względu na wysokie prądy rozruchowe.

Według rodzaju prądu roboczego

Przekaźników półprzewodnikowych nie można skonfigurować ani przeprogramować, dlatego mogą one działać prawidłowo tylko w określonym zakresie parametrów elektrycznych sieci.

W zależności od potrzeb, przekaźniki półprzewodnikowe mogą być sterowane przez obwody elektryczne z dwoma rodzajami prądu:

• stałym;
• zmiennym.

Podobnie można klasyfikować przekaźniki półprzewodnikowe według rodzaju napięcia obciążenia czynnego. Większość przekaźników w urządzeniach gospodarstwa domowego działa z parametrami zmiennymi.

Prąd stały nie jest używany jako główne źródło energii elektrycznej w żadnym kraju na świecie, dlatego przekaźniki tego typu mają wąski zakres zastosowania.

Urządzenia ze stałym prądem sterującym charakteryzują się wysoką niezawodnością i do regulacji wykorzystują napięcie 3-32 V. Wytrzymują szeroki zakres temperatur (-30..+70°C) bez znacznej zmiany parametrów.

Przekaźniki regulowane prądem zmiennym mają napięcie sterujące 3-32 V lub 70-280 V. Charakteryzują się niskimi zakłóceniami elektromagnetycznymi i wysoką szybkością zadziałania.

Według cech konstrukcyjnych

Przekaźniki półprzewodnikowe często montuje się w głównej rozdzielnicy elektrycznej mieszkania, dlatego wiele modeli posiada listwę montażową do mocowania na szynie DIN.

Ponadto istnieją specjalne radiatory umieszczane między przekaźnikiem półprzewodnikowym a powierzchnią nośną. Pozwalają one chłodzić urządzenie przy wysokich obciążeniach, zachowując jego parametry robocze.

Przekaźnik mocuje się do szyny DIN głównie za pomocą specjalnego wspornika, który pełni również dodatkową funkcję – odprowadza nadmiar ciepła podczas pracy urządzenia.

Między przekaźnikiem a radiatorem zaleca się nałożenie warstwy pasty termoprzewodzącej, która zwiększa powierzchnię styku i poprawia oddawanie ciepła. Istnieją również przekaźniki półprzewodnikowe przeznaczone do mocowania do ściany za pomocą zwykłych wkrętów.

Według typu układu sterowania

Nie zawsze zasada działania regulowanego przekaźnika w urządzeniach wymaga jego natychmiastowego zadziałania.

Dlatego producenci opracowali kilka schematów sterowania przekaźnikami półprzewodnikowymi, które są używane w różnych dziedzinach:

1. Kontrola «przez zero». Taki wariant sterowania przekaźnikiem półprzewodnikowym zakłada zadziałanie tylko przy wartości napięcia równej 0. Stosowany jest w urządzeniach z obciążeniem pojemnościowym, rezystancyjnym (grzejniki) i słabym indukcyjnym (transformatory).
2. Natychmiastowe. Stosowane w przypadku konieczności gwałtownego zadziałania przekaźnika przy podaniu sygnału sterującego.
3. Fazowe. Zakłada regulację napięcia wyjściowego poprzez zmianę parametrów prądu sterującego. Stosowane do płynnej zmiany stopnia nagrzewania lub oświetlenia.

Przekaźniki półprzewodnikowe różnią się także wieloma innymi, mniej istotnymi parametrami. Dlatego przy zakupie przekaźnika półprzewodnikowego ważne jest zrozumienie schematu działania podłączanego urządzenia, aby nabyć jak najbardziej odpowiednie urządzenie regulacyjne.

Należy koniecznie przewidzieć zapas mocy, ponieważ przekaźnik ma zasób eksploatacyjny, który szybko się wyczerpuje przy częstych przeciążeniach.

Zalety i wady TTR

Przekaźniki półprzewodnikowe nie bez powodu wypierają z rynku zwykłe rozruszniki i styczniki. Te półprzewodnikowe urządzenia posiadają wiele zalet w stosunku do elektromechanicznych odpowiedników, które skłaniają użytkowników do wyboru właśnie ich.

Przekaźnik do mikroukładów ma kompaktowe rozmiary i jest silnie ograniczony pod względem maksymalnego prądu przewodzenia. Montuje się je głównie poprzez przylutowanie specjalnych nóżek.

Do takich zalet zalicza się:

1. Niskie zużycie energii elektrycznej (o 90% mniejsze).
2. Kompaktowe gabaryty, umożliwiające montaż urządzeń w ograniczonej przestrzeni.
3. Wysoka prędkość załączania i wyłączania
4. Obniżona głośność pracy, brak charakterystycznego dla przekaźników elektromechanicznych trzaskania.
5. Nie wymaga konserwacji technicznej.
6. Długa żywotność dzięki zasobowi setek milionów zadziałań.
7. Dzięki szerokim możliwościom modyfikacji podzespołów elektronicznych, przekaźniki półprzewodnikowe mają rozszerzone obszary zastosowań.
8. Brak zakłóceń elektromagnetycznych przy zadziałaniu.
9. Eliminuje się uszkodzenie styków na skutek ich mechanicznego uderzenia.
10. Brak bezpośredniego kontaktu fizycznego między obwodami sterowania i komutacji.
11. Możliwość regulacji obciążenia.
12. Obecność w impulsowych przekaźnikach półprzewodnikowych automatycznych obwodów chroniących przed przeciążeniami.
13. Możliwość stosowania w atmosferach wybuchowych.

Wymienione zalety przekaźników półprzewodnikowych nie zawsze są wystarczające do normalnej pracy urządzeń. Dlatego nie wyparły one jeszcze całkowicie elektromechanicznych styczników.

Dla stabilnej pracy wydajnych przekaźników półprzewodnikowych ważne jest efektywne odprowadzanie ciepła, ponieważ przy podwyższonych temperaturach gwałtownie zniekształca się napięcie obciążenia (+).

Przekaźniki półprzewodnikowe mają również wady, które uniemożliwiają ich stosowanie w wielu przypadkach.

Do minusów zalicza się:

1. Niemożliwość pracy większości urządzeń przy napięciach powyżej 0,5 kV.
2. Wysoki koszt.
3. Wrażliwość na wysokie prądy, szczególnie w obwodach rozruchowych silników elektrycznych.
4. Ograniczenia w stosowaniu w warunkach podwyższonej wilgotności.
5. Krytyczne obniżenie charakterystyk roboczych przy temperaturach poniżej -30°C mrozu i powyżej 70°C ciepła.
6. Kompaktowa obudowa prowadzi do nadmiernego nagrzewania się urządzenia przy stale wysokich obciążeniach, co wymaga zastosowania specjalnych urządzeń chłodzenia pasywnego lub aktywnego.
7. Możliwość roztopienia urządzenia na skutek nagrzania przy zwarciu.
8. Prądy mikro w stanie zamkniętym przekaźnika mogą być krytyczne dla pracy urządzeń. Na przykład podłączone do sieci lampy fluorescencyjne mogą okresowo zapalać się.

Zatem przekaźniki półprzewodnikowe mają określone obszary zastosowań. W obwodach wysokonapięciowego sprzętu przemysłowego ich użycie jest znacznie ograniczone ze względu na niedoskonałe właściwości fizyczne materiałów półprzewodnikowych.

Jednakże w urządzeniach domowych i przemyśle motoryzacyjnym TTR zajmują solidną pozycję dzięki swoim pozytywnym właściwościom.

Możliwe schematy podłączeń

Schematy połączeń przekaźników półprzewodnikowych mogą być bardzo różnorodne. Każdy obwód elektryczny jest budowany w zależności od charakterystyki podłączonego obciążenia. Do schematu mogą być dodawane dodatkowe bezpieczniki, sterowniki i urządzenia regulacyjne.

Ze względu na to, że obwody sterowania i obciążenia w urządzeniu nie nakładają się, ich parametry elektryczne mogą różnić się dowolnymi parametrami (+)

Następnie zostaną przedstawione najprostsze i najczęściej spotykane schematy połączeń TTR:

• normalnie otwarty;
• ze sprzężonym obwodem;
• normalnie zamknięty;
• trójfazowy;
• odwracalny.

Normalnie otwarty (rozwarty) schemat – przekaźnik, w którym obciążenie znajduje się pod napięciem przy obecności sygnału sterującego. Oznacza to, że podłączone urządzenie jest wyłączone, gdy wejścia 3 i 4 są odłączone od zasilania.

Przed zakupem przekaźnika należy określić wymagany typ jego początkowego stanu (zamknięty lub otwarty), aby zapewnić prawidłowe działanie podłączonego urządzenia (+)

Normalnie zamknięty schemat – oznacza przekaźnik, w którym obciążenie znajduje się pod napięciem przy braku sygnału sterującego. Oznacza to, że podłączone urządzenie jest w stanie roboczym, gdy wejścia 3 i 4 są odłączone od zasilania.

Istnieje schemat podłączenia przekaźnika półprzewodnikowego, w którym napięcie sterujące i obciążeniowe są takie same. Tę metodę można stosować jednocześnie do pracy w sieciach prądu stałego i przemiennego.

Przekaźniki trójfazowe podłącza się według nieco innych zasad. Styki mogą być łączone w wariantach „Gwiazda”, „Trójkąt” lub „Gwiazda z przewodem neutralnym”.

Wybór trójfazowego schematu podłączenia przekaźnika w dużej mierze zależy od charakterystyki pracy urządzenia podłączonego do niego jako obciążenie.

Odwracalne przekaźniki półprzewodnikowe są stosowane w silnikach elektrycznych w odpowiednim trybie. Są one produkowane w wersji trójfazowej i zawierają dwa obwody sterowania.

Jeśli dla przekaźnika ważne jest zachowanie polaryzacji podłączenia styków, to na oznaczeniu zawsze będzie wskazane, gdzie podłączyć fazę i zero.

Montowanie obwodów elektrycznych z przekaźnikami półprzewodnikowymi (TTR) jest konieczne tylko po ich wcześniejszym narysowaniu na papierze, ponieważ nieprawidłowo podłączone urządzenia mogą ulec uszkodzeniu z powodu zwarcia.

Praktyczne zastosowanie urządzeń

Zakres stosowania przekaźników półprzewodnikowych jest dość szeroki. Ze względu na wysoką niezawodność i brak potrzeby regularnej konserwacji są one często instalowane w trudno dostępnych miejscach urządzeń.

W wielu przekaźnikach podłączenie przewodów obwodu sterującego wymaga zachowania biegunowości, co należy uwzględnić podczas montażu urządzenia

Głównymi obszarami zastosowania TTR są:

• system termoregulacji z wykorzystaniem grzałek;
• utrzymanie stałej temperatury w procesach technologicznych;
• kontrola pracy transformatorów;
• regulacja oświetlenia;
• schematy czujników ruchu, oświetlenia, fotoczujników do oświetlenia ulicznego itp.;
• sterowanie silnikami elektrycznymi;
• źródła zasilania bezprzerwowego.

Wraz ze wzrostem automatyzacji urządzeń gospodarstwa domowego przekaźniki półprzewodnikowe stają się coraz bardziej powszechne, a rozwijające się technologie półprzewodnikowe stale otwierają nowe obszary ich zastosowania.

W razie chęci można samodzielnie zmontować przekaźnik półprzewodnikowy. Szczegółowa instrukcja znajduje się w tym artykule.

Podsumowanie i przydatny film na ten temat

Przedstawione filmy pomogą lepiej zrozumieć działanie przekaźników półprzewodnikowych i zapoznać się ze sposobami ich podłączania.

Praktyczna demonstracja działania najprostszego przekaźnika półprzewodnikowego:

Omówienie rodzajów i specyfiki działania przekaźników półprzewodnikowych:

Testowanie działania i stopnia nagrzewania TTR:

Zmontować obwód elektryczny z przekaźnika półprzewodnikowego i czujnika może praktycznie każdy.

Jednak planowanie schematu roboczego wymaga podstawowej wiedzy z elektrotechniki, ponieważ nieprawidłowe podłączenie może prowadzić do porażenia prądem lub zwarcia. Ale w wyniku prawidłowych działań można uzyskać wiele przydatnych w gospodarstwie domowym urządzeń.

Czy ma Pan/Pani coś do dodania, czy pojawiły się pytania na temat podłączania i stosowania przekaźników półprzewodnikowych? Może Pan/Pani zostawić komentarze do publikacji, uczestniczyć w dyskusjach i dzielić się własnym doświadczeniem w korzystaniu z takich urządzeń. Formularz kontaktowy znajduje się w dolnym bloku.