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Was ist ein Halbleiterrelais und wie wird es richtig verwendet?

 

In allen Stromkreisen müssen die Instrumente und Geräte ein- und ausgeschaltet werden. Verwenden Sie dazu Schaltgeräte. Dies kann entweder ein einfacher Schalter oder Schalter oder Relais, Schütze usw. sein. Heute werden wir eines dieser Geräte betrachten - ein Halbleiterrelais - darüber sprechen, wie es ist, einen Laststeuerkreis auszuwählen und an diesen anzuschließen.

Was ist ein Halbleiterrelais und wie wird es richtig verwendet?

Was ist das


Halbleiterrelais Ist ein Gerät, das auf Halbleiterelementen und Leistungsschaltern wie Triacs, Bipolar- oder MOS-Transistoren aufgebaut ist. In englischen Quellen werden Halbleiterrelais genannt SSR von Solid State Relay (was in der wörtlichen Übersetzung dem russischen Namen entspricht).

Wie an elektromagnetischen Relais und andere Schaltgeräte sind so ausgelegt, dass sie ein schwaches Signal mit einer Last mit einer höheren Spannung oder einem höheren Strom steuern.


Unterschiede zu elektromagnetischen Relais

Herkömmliche Relais funktionieren wie alle elektromagnetischen Schaltgeräte wie folgt: Es gibt eine Spule, der Strom von der Steuerung oder der Drucktastenstation zugeführt wird. Durch den durch die Spule fließenden Strom entsteht ein Magnetfeld, das den Anker mit der Kontaktgruppe anzieht. Danach schließen sich die Kontakte und durch sie fließt Strom in die Last.

Festkörper haben keine Steuerspule und keine bewegliche Kontaktgruppe. Was sich im Halbleiterrelais befindet, sehen Sie unten. Wie oben erwähnt, werden darin anstelle von Leistungskontakten Halbleiterschalter verwendet: Transistoren, Triacs, Thyristoren und andere, je nach Anwendungsbereich (rechte Seite des Fotos).

Demontiertes Halbleiterrelais

Dies ist der Hauptunterschied zwischen einem Halbleiterrelais und einem elektromagnetischen Relais. In dieser Hinsicht hat der Festkörper eine wesentlich längere Lebensdauer, da es keinen mechanischen Verschleiß der Kontaktgruppe gibt, ist es auch erwähnenswert, dass die Geschwindigkeit von Halbleiterrelais höher ist als die von elektromagnetischen.

Zusätzlich zum Fehlen von mechanischem Verschleiß treten beim Schalten keine Funken oder Lichtbögen sowie Geräusche von Stößen von Kontakten während des Schaltens auf. Übrigens können Halbleiterrelais in explosionsgefährdeten Räumen arbeiten, wenn beim Schalten keine Funken und Lichtbogenentladungen auftreten.


Vergleich

Die Vorteile von Halbleiterrelais gegenüber elektromagnetischen Relais sind folgende:

1. Geräuschlosigkeit.

2. Es gibt Hinweise darauf, dass ihre MTBF in der Größenordnung von 10 Milliarden Schaltern liegt, was dem 1000-fachen oder mehr der Ressource elektromagnetischer Relais entspricht.

3. Wenn Bei elektromagnetischen Relais ist die Stoßspannung praktisch nicht schrecklichdann die elektronische Schaltung Halbleiterrelais fällt in den meisten Fällen auswenn keine Schaltungsentscheidungen getroffen wurden, um diese Impulse zu begrenzen. Daher ist der Vergleich dieser Geräte anhand der Anzahl der Schaltvorgänge nicht immer korrekt.

4. Leistung Ein Halbleiterrelais besteht aus Bruchteilen und Einheiten von Millisekunden, während ein elektromagnetisches Relais 50 ms bis 1 s hat.

5. Der Energieverbrauch ist 95% niedriger als der Spulenverbrauch elektromagnetischer Analoga.

Diese Vorteile sind jedoch mit einer Reihe von Nachteilen verbunden:

  • Halbleiterrelais erwärmen sich während des Betriebs. Leistung, die dem Produkt des Spannungsabfalls am Leistungsschalter (in der Größenordnung von 2 Volt) und der Stärke des durch ihn fließenden Stroms entspricht, wird an die Wärme abgegeben.

  • Bei Überlastung und Kurzschlüssen besteht eine hohe Ausfallwahrscheinlichkeit des Netzschalters. Die Überlastkapazität beträgt normalerweise 10 In für 10 ms - eine Periode im Netzwerk mit einer Frequenz von 50 Hz (kann je nach den verwendeten Komponenten variieren).

  • Der Leistungsschalter hat höchstwahrscheinlich keine Zeit zum Auslösen, bevor das Relais während eines Kurzschlusses ausfällt.

  • Bei Impulsüberspannung (Spannungsspitzen) kann die Lebensdauer eines Halbleiterrelais sofort enden.

  • Halbleiterrelais haben in diesem Zusammenhang einen Leckstrom (bis zu 7-10 mA), wenn sie sich im Steuerkreis befinden, z. B. LED-Lampen - letztere blinken ähnlich wie beim Schalter mit Hintergrundbeleuchtung. Dementsprechend liegt auch dann Spannung am Phasenkabel an, wenn das Relais getrennt ist!


Die folgende Tabelle zeigt die allgemeinen Eigenschaften von Halbleiterrelais der Serien TSR (dreiphasig) und SSR (einphasig) des Herstellers "FOTEK" (übrigens einige der häufigsten). Grundsätzlich haben andere Hersteller ähnliche oder ähnliche Produktspezifikationen.

Isolationswiderstand
> 50 MΩ / 500 V DC
Eingabe / Ausgabe der Spannungsfestigkeit
Hält 1 Minute lang 2,5 kV Wechselstrom aus
Auslösestrom
Nicht mehr als 7,5 mA
Überlastfähigkeit
Bis zu 10 Nennströme innerhalb von 10 ms
Schaltmethode
Beim Durchqueren von Null (bei Modellen für Wechselstrom) oder sofort durch einen Optokoppler (bei Gleichstrom)
Eingebauter Schutz
Die SSR-F-Serie verfügt über eine austauschbare Sicherung

Spezies

Halbleiterrelais können klassifiziert werden:

  • Nach Stromart (konstant oder alternierend);

  • Durch Stromstärke (geringe Leistung, Leistung);

  • Entsprechend der Installationsmethode;

  • Durch Spannung;

  • Durch die Anzahl der Phasen;

  • Nach Art des Steuersignals (Gleich- oder Wechselstrom, Analogeingang zur Steuerung eines variablen Widerstands, in einem 4-20-mA-Stromkreis usw.).

  • Nach Art des Schaltens - Schalten, wenn die Spannung durch Null geht (in Wechselstromkreisen), oder Schalten durch ein Steuersignal (zum Beispiel zum Einstellen der Leistung).

Relais für Leiterplattenmontage
Relais zur Montage an einem Kühler

Nach der Anzahl der Phasen gibt es also einphasige und dreiphasige Relais. Aber die Arten von Steuersignalen sind viel mehr. Halbleiterrelais können je nach internem Gerät entweder durch eine konstante Spannung oder eine Wechselspannung gesteuert werden.

Die gebräuchlichsten Halbleiterrelais, die durch konstante Spannung im Bereich von 3 bis 32 Volt gesteuert werden. In diesem Fall sollte die Größe der geregelten Spannung in diesem Bereich liegen und nicht einem bestimmten Wert entsprechen, was sehr praktisch ist, wenn sie in Systeme mit unterschiedlichen Spannungen integriert wird.

Es gibt auch Halbleiterrelais, für deren Steuerung ein analoges Signal verwendet wird:

  • 4-20 mA;

  • 0-10 Volt Gleichstrom;

  • Variabler Widerstand 470-560 kOhm.

In diesem Fall können solche Relais verwendet werden, um die Leistung des angeschlossenen Geräts zu regeln. nach dem Prinzip der Phasenregelung. Das gleiche Einstellprinzip wird in Haushaltsdimmern für die Beleuchtung verwendet.

In der folgenden Tabelle sehen Sie die Arten von Steuersignalen von Halbleiterrelais mit einer Phasensteuerungsmethode von IMPULS.

Achten Sie auf die letzten Buchstaben der Kennzeichnung (LA, VD, VA), da die meisten Hersteller gleich sind und nur die Art des Signals angeben.

Arten von Steuersignalen für Halbleiterrelais mit einem Phasenregelungsverfahren von IMPULS

Wie bereits erwähnt, ändert sich in einem phasengesteuerten Relais abhängig von der Größe des Steuersignals die Ausgangsspannung, was in der folgenden Grafik dargestellt ist.

Diagramm der Relaisausgangsspannung
Die Abhängigkeit der Spannung in der Last vom Steuersignal

Ein solches Relais ist an dem bedingten Bild in der Nähe der Eingangsanschlüsse zu erkennen. Das folgende Foto zeigt beispielsweise, dass ein variabler Widerstand von 470-560 kOhm an den Eingang angeschlossen ist.

Fotek Halbleiterrelais

Es gibt auch Halbleiterrelais mit einem Steuersignal von einem 220-V-Wechselstromnetz, wie unten gezeigt. Sie eignen sich als Ersatz für Schütze mit geringer Leistung oder elektromagnetische Relais.

Halbleiterrelais mit Steuersignal von AC 220V

Kennzeichnung und Art der Kontrolle

Verwenden Sie die Symbole am Anfang der Markierung, um die "Phase" des Relais zu bestimmen:

  • SSR - einphasig;

  • TTR - dreiphasig.

Dies entspricht einpoligen und dreipoligen Schaltgeräten.

Die aktuelle Stärke wird ebenfalls verschlüsselt. FOTEK gibt sie beispielsweise in der folgenden Form an: Pxx

Wobei "xx" der Strom in Ampere ist, zum Beispiel P03 - 3 Ampere und P10 - 10 Ampere.

Halbleiterrelais-Kennzeichnung

Wenn die Markierung den Buchstaben H enthält, ist dieses Relais zum Schalten der Überspannung vorgesehen.

In der Kennzeichnung sind Daten zur Art der Kontrolle in den letzten Zeichen angegeben. Sie können von Hersteller zu Hersteller unterschiedlich sein, haben jedoch häufig diese Form und Bedeutung (Daten werden von verschiedenen Herstellern gesammelt):

  • VA - variabler Widerstand 470-560 kOhm / 2 W (Phasensteuerung);

  • LA - 4-20 mA analoges Signal (Phasensteuerung);

  • VD - analoges Signal 0-10 V DC (Phasensteuerung);

  • ZD - Steuerung 10-30V DC (Umschalten bei Durchgang durch Null);

  • ZD3 - 3-32V DC steuern (Schalten bei Durchgang durch Null);

  • ZA2 - Steuerung 70-280 V AC (Umschalten bei Durchgang durch Null);

  • DD3 - Steuerung eines 3-32V DC-Signals durch einen Gleichstromkreis (DC-Spannungsumschaltung);

  • DA - DC - Signalsteuerung, Umschalten des Wechselstromkreises.

  • AA - AC - Signalsteuerung (220 V), Umschalten des Wechselstromkreises.

Lassen Sie es uns in der Praxis überprüfen. Nehmen wir an, Sie sind auf ein Produkt wie in der folgenden Abbildung gestoßen und möchten wissen, was es ist.

Wenn Sie die Beschriftungen in der Nähe der Klemmen zum Anschließen von Drähten sorgfältig studieren, wird bereits klar, dass es sich um ein Relais zur Steuerung von Wechselstromkreisen von 90 bis 480 Volt handelt, während die Steuerung auch bei Wechselstrom mit einer Spannung von 80 bis 250 Volt erfolgt.

Wenn nur die Markierung sichtbar ist, gilt Folgendes: „SSR“ ist einphasig; "-10" - Nennstrom von 10 Ampere; "AA" - AC-Steuerung, AC-Umschaltung; "H" - zum Schalten der Hochspannung im Stromkreis - bis zu 480 V (wenn es kein H gäbe, wären es bis zu 380-400 V).

Lesen Sie zur Konsolidierung und zum besseren Verständnis die folgende Tabelle mit den Markierungen und Eigenschaften von Halbleiterrelais.

Markierungen und Eigenschaften von Halbleiterrelais

Gerät

Der interne Stromkreis eines Halbleiterrelais hängt davon ab, für welchen Strom es ausgelegt ist (direkt oder alternierend) und welche Art von Signal es steuert. Betrachten wir einige davon.

Beginnen wir mit dem Relais, das durch Gleichstrom gesteuert wird und pendelt, wenn es durch Null geht. Sie werden manchmal als "Halbleiterrelais vom Z-Typ" bezeichnet.

Halbleiterrelais vom Typ Z.

Hier sind die Pins 3-4 der Steuersignaleingang, der eine Optokopplersteuerung verwendet, die zur galvanischen Trennung von Eingangs- und Ausgangsschaltungen verwendet wird.

Der Block, der den Übergang durch 0 steuert oder als Nulldurchgangskreis bezeichnet wird, überwacht die Phase der Spannung im Netz und schaltet beim Durchlaufen von Null einen Stromkreis ein (ein oder aus). Diese Methode wird auch als Nullspannungsschalter bezeichnet. Sie ermöglicht das Reduzieren von Einschaltströmen beim Einschalten (da die Spannung zu diesem Zeitpunkt gleich Null ist) und von Stößen der EMF-Selbstinduktion, wenn die Last getrennt wird.

Geeignet zur Steuerung von ohmschen, kapazitiven und induktiven Lasten. Nicht geeignet zur Steuerung einer hohen induktiven Last (mit cos cos <0,5), z. B. im Leerlauf von Transformatoren. Auch diese Steuermethode stört das Netz während des Schaltens nicht. Unten sehen Sie Diagramme von Steuersignalen, Netzspannung und Laststrom mit dieser Steuermethode.

Steuersignale

Schematisch wird dies wie folgt implementiert:

Siemens Relaisschaltung

Hier wird die Spannung vom Netzwerk einem Block mit einem Triac und einem Block zugeführt, der den Übergang durch Null verfolgt. Die Elemente Q1, R3, R4, R5, C4 bei Hochspannung blockieren die Öffnung des Thyristors T2, der den Leistungstriac T1 steuert. Dann ist das Schalten nur bei einer Spannung nahe Null möglich. Die Eingangsschaltung erfolgt an U1 - einem Transistoroptokoppler, der über Q2 ein Signal an die Steuerelektrode des Treibers des Triac T2 liefert.

Momentanrelais sind beim Überschreiten von Null etwas anders angeordnet als Schaltrelais. Ihnen fehlt die ZCC-Kaskade.

Bei der Steuerung von Wechselstrom unterscheidet sich die Schaltung nur in Gegenwart von am Eingang des Gleichrichters (Diodenbrücke).

Relaisschaltplan

Und beim Schalten von Gleichstromkreisen wird der Triac durch einen Transistor ersetzt.

DC-DC-Relaisgerät

Es gibt auch universelle Relais für Gleich- und Wechselstrom, bei denen eine Anordnung von Transistoren verwendet wird. Im Allgemeinen gibt es viele Schaltungen von Ausgangsstufen von Halbleiterrelais. Im Folgenden sind Beispiele für Schaltungen verschiedener Modelle eines Herstellers wie International Rectifier aufgeführt.

Beispiele für Schaltkreise verschiedener Modelle von International Rectifier

Bei einem Relais mit Phasenregelungsverfahren ist die Situation etwas anders. Es kann wie ein Dimmer die Lastleistung (Ausgangsspannung) einstellen, dazu wird ein analoges Signal an die Eingangsspannung, den Strom angelegt oder ein Wechselwiderstand angeschlossen. Als Leistungselement wird hier ein Thyristor verwendet.Beachten Sie jedoch, dass aufgrund dieser Anpassungsmethode Störungen im Netzwerk auftreten, um zu unterdrücken, welche Netzwerkfilter mit Gleichtaktdrosseln verwendet werden. Dies ist jedoch ein völlig anderes Thema.

Phasenregelungsrelais

In der folgenden Abbildung sehen Sie die Unterschiede beim Umschalten beim Durchlaufen von Null gegenüber dem Phasenumschalten.

Unterschiede beim Schalten beim Durchlaufen von Null gegenüber dem Phasenschalten

Anschlussdiagramme und Nutzungsfunktionen

Tatsächlich unterscheidet sich das Anschlussdiagramm von Halbleiterrelais kaum von herkömmlichen. Wie verbinde ich mich? Lass es uns richtig machen.

Anschlussdiagramm für Halbleiterrelais

Wenn Sie ein herkömmliches 220-V-Relais durch eine 220-V-Wechselstromregelung ersetzen müssen, verwenden Sie das folgende Diagramm, z. B. LDG LDSSR-10AA-H. Das Diagramm zeigt zum Beispiel die Verbindung über einen herkömmlichen Schalter oder Kippschalter. Stattdessen kann ein Freigabesignal von einem Thermostat, einer Steuerung und anderen Geräten geliefert werden.

Wenn Sie einen 220-V-Stromkreis mit einem Niederspannungssignal steuern müssen, können Sie den FOTEK HPR-80AA verwenden.

FOTEK HPR-80AA Relais-Schaltplan

In dieser Schaltung wird eine 12-VDC-Stromversorgung als Niederspannungs-Gleichstromquelle verwendet, die häufig als Stromversorgungen für LED-Streifen verwendet wird. Übrigens können Sie ein solches Halbleiterrelais sogar steuern, indem Sie eine Spannung vom Ladegerät des Mobiltelefons an den Eingang anlegen, da sein Ausgang 5 V beträgt, was mehr als das minimale Signal von 3 V ist.

Beachten Sie, dass die Steuerspannung vollständig getrennt werden muss, da jedes Relais bestimmte Parameter hat, bei denen es arbeitet, z. B. beträgt die oben genannte Spannung etwa 1 Volt und funktioniert möglicherweise nicht bei 3 Nennvolt, sondern bereits bei 2,5 (Die Daten werden beispielsweise gemittelt und können nicht nur von einem bestimmten Produkt, sondern auch von den Umgebungsbedingungen und der Installation abhängen.)

Denken Sie jedoch daran, dass es auch ein Relais mit einer Phasenregelungsmethode gibt. Die Anschlussdiagramme solcher Relais sind unten dargestellt (Abbildung aus den Anweisungen für sie).

Relais-Schaltpläne

Die Frage ist, warum solche Relais benötigt werden und wo sie eingesetzt werden. Die Suche nach der Antwort auf diese Frage war von kurzer Dauer, sobald ich den Anfang der Abfrage eingegeben und sofort Optionen für die Verwendung als Netzschlüssel zur Steuerung von Heizelementen von Thermostaten mit einem Ausgang von 4-20 mA oder 0-10 V ausgegeben habe.

Thermostat mit Ausgang

Für industrielle Anwendungen gibt es übrigens auch inländische Entwicklungen, zum Beispiel ARIES TPM132 und andere Modelle, die mit 4-20 mA- und 0-10 V-Ausgangssignalen arbeiten können.

Die Verwendung eines Halbleiterrelais zur Steuerung einer schweren Last ist jedoch ohne Kühlung nicht möglich. Hierzu wird passive (einfacher Kühler) oder aktive Kühlung (Kühler + Kühler) verwendet.

Halbleiterrelaiskühlung

Empfehlungen zur Auswahl von Kühlern finden Sie in der technischen Dokumentation für ein bestimmtes Halbleiterrelais, sodass Sie keine universellen Ratschläge geben können.


Fazit

Halbleiterrelais können in einigen Fällen als elektromechanische Relais verwendet werden. Die beliebtesten Optionen im Alltag sind das Ersetzen des Schützes in einem Elektrokessel aufgrund seines lauten Knallens beim Einschalten bzw. Aufnahme TENOV wird still werden.

Das Schema des Leistungsreglers basiert auf einem einphasigen Halbleiterrelais

Sowie die Implementierung verschiedener leistungsfähiger Leistungsregler für die gleichen Heizelemente und andere Dinge, für die ein Halbleiterrelais mit einem analogen Signaleingang von einem variablen Widerstand (Typ VA) verwendet wird.

Funkamateure können das einfachste Halbleiterrelais zusammenbauen, basierend auf einem optischen Treiber für Triacs mit ZCC Typ MOC3041 und dergleichen.

Schema des einfachsten Halbleiterrelais, basierend auf einem optischen Treiber für Triacs mit ZCC Typ MOC3041

Ich glaube, dass dies wertvolle Produkte für die Verwendung in verschiedenen Automatisierungswerkzeugen sind, außerdem erfordern sie keine Wartung (außer zum Reinigen von Heizkörpern von Staub), und die Lebensdauer kann als unbegrenzt bezeichnet werden. Sie halten mehrmals länger als Schütze, sofern keine Überlastungen, Überhitzung, Kurzschlüsse und Überspannungen auftreten!

Siehe auch auf i.electricianexp.com:

  • So verwalten Sie eine 220-Volt-Last sicher mit Arduino
  • Geräte- und Anwendungsbeispiele des Relais, Auswahl und korrekter Anschluss des Relais ...
  • So steuern Sie einfach eine leistungsstarke Wechselstromlast
  • Zwischenrelais: Zweck, wo sie angewendet werden und wie sie ausgewählt werden
  • Impulsrelais zur Lichtsteuerung und deren Verwendung

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