Особенность транзисторных электронных аппаратов на постоянном токе по сравнению с тиристорными состоит в лучшей управляемости, большем быстродействии, меньших потерях и упрощении схемы.

Транзисторные ключи по сравнению с тиристорными обладают безусловными преимуществами при напряжении до 30–300 В и токах до сотен ампер.

Для транзисторных коммутаторов характерно совмещение функций коммутации и защиты. Транзисторы весьма чувствительны к нарушению нормальных режимов эксплуатации. Таким образом, осуществляя защиту коммутирующих цепей, они тем самым осуществляют и самозащиту. Защита от токов перегрузки или короткого замыкания в транзисторных выключателях осуществляется путем прекращения передачи открывающего сигнала на базу силового транзистора (для ускорения коммутации в некоторых случаях используют форсировку тока базы при включении и подачу обратного «запирающего» тока в базу при отключении транзистора). Сигнал на отключение поступает при достижении током нагрузки установившегося значения. Датчиком служит обычно шунт, стоящий в цепи эмиттера или коллектора. Одна из возможных схем такого выключателя на биполярных транзисторах приведена на рис. 92.

Возможность аппаратов на силовых транзисторных ключах предотвращает развитие больших токов в переходных и аварийных режимах, их надежность и ресурс повышает качество питающего напряжения, облегчает режимы, уменьшает массу и объем обслуживаемых ими устройств.

Транзисторные коммутационные аппараты в настоящее время успешно используются для управления двигателями постоянного тока мощностью до 45 кВт.

Транзисторные коммутаторы могут использоваться и для управления нагрузкой на переменном токе (рис. 93).

Рис. 92. Схема выключателя постоянного тока на транзисторах

Рис. 93. Схема выключателя переменного тока на транзисторах

Транзистор управляется от симметричного триггера. Отличительная особенность такого выключателя от аналогичного мостового тиристорного состоит в том, что работа его не зависит от характера нагрузки.

Бесконтактные коммутационные аппараты и регуляторы, помимо биполярных транзисторов, выполняются и на полевых МДП или МОП-транзисторах. Аппараты на полевых транзисторах отличаются простотой схемы и конструкции.

Твердотельные реле

Твердотельное реле (ТТР) – это класс современных модульных полупроводниковых приборов, выполненных по гибридной технологии, содержащих в своем составе мощные силовые ключи на симисторных, тиристорных или транзисторных структурах.

Твердотельные реле обеспечивают наиболее надежный метод коммутации цепей и обладают следующими преимуществами перед электромагнитными аналогами:

– 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.

Твердотельные реле классифицируют по типу нагрузки на однои трёхфазные с диапазоном регулируемого напряжения от 40 до 440 В.

По типу управляющего сигнала ТТР делятся на следующие группы:

1) управление напряжением постоянного тока 3…32 В;

2) управление напряжением переменного тока 90…250 В;

3) ручное управление выходным напряжением с помощью переменного резистора;

4) аналоговое управление выходным напряжением с помощью унифицированного сигнала напряжения 0…10 В.

Различные варианты управляющих сигналов позволяют применять ТТР в качестве коммутационных элементов в системах автоматического управления.

По способу коммутации различают твердотельные реле с контролем перехода через 0; твердотельные реле мгновенного (случайного) включения; твердотельные реле с фазовым управлением.

Твердотельные реле с контролем перехода через 0 применяются для коммутации резистивных нагрузок – электрических нагревательных элементов, ламп накаливания и т.п.; емкостных нагрузок (например, помехоподавляющих сглаживающих фильтров, имеющих в своем составе конденсаторы); слабоиндуктивных нагрузок – катушек соленоидов, клапанов и т.п.

При подаче управляющего сигнала на твердотельное реле с контролем перехода через ноль напряжение на его выходе появляется в момент первого пересечения линейным напряжением нулевого уровня (рис. 94). Это позволяет уменьшить начальный бросок тока, снизить уровень электромагнитных помех и, как следствие, увеличить срок службы коммутируемых нагрузок. Однако ТТР с контролем перехода через ноль не могут коммутировать высокоиндуктивную нагрузку (например, трансформаторы на холостом ходу).

Рис. 94. Диаграмма срабатывания ТТР с контролем перехода через ноль

Твердотельные реле мгновенного (случайного) включения применяются для коммутации резистивных (нагревательные элементы, лампы накаливания) и индуктивных (маломощные двигатели, трансформаторы) нагрузок при необходимости мгновенного срабатывания.

Напряжение на выходе твердотельного реле данного типа появляется одновременно с подачей управляющего сигнала (время задержки включения не более 1 миллисекунды), а значит, включение ТТР возможно на любом участке синусоидального напряжения (рис. 95). Однако у ТТР данного типа могут возникать импульсные помехи и начальные броски тока при коммутации. После включения такое твердотельное реле функционирует как обычное ТТР с контролем перехода через ноль.

Рис. 95. Диаграмма срабатывания ТТР мгновенного включения

Твердотельные реле с фазовым управлением позволяют изменять величину выходного напряжения на нагрузке (рис. 96) и применяются для регулирования мощности нагревательных элементов, уровня освещенности у лампы накаливания и т.д.

Рис. 96. Диаграмма срабатывания ТТР с фазовым управлением

Увеличение температуры ТТР накладывает ограничение на величину коммутируемого тока – нагрев твердотельного реле до 60 °С существенно снижает допустимую величину коммутируемого тока (нагрузка может отключаться не полностью, а само ТТР перейти в неуправляемый режим работы и даже выйти из строя). В связи с этим при длительной работе твердотельного реле в номинальных, и особенно «тяжелых», режимах (при длительной коммутации и токах нагрузки свыше 5 А) требуется применение радиаторов или воздушного охлаждения для рассеивания тепла. При повышенных нагрузках, например в случае нагрузки индуктивного характера (соленоиды, электромагниты и т.п.), рекомендуется выбирать твердотельное реле с большим запасом по току (в 2–4 раза), а в случае применения твердотельных реле для управления асинхронным электродвигателем необходим 6–10-кратный запас по току.

При работе с большинством типов нагрузок включение твердотельного реле сопровождается скачком тока (пусковой перегрузкой) различной длительности и амплитуды, и это необходимо учитывать при выборе твердотельного реле.

Коммутирующими элементами ТРТ являются: симисторы, встречно-включенные тиристоры, полевые транзисторы, IGBT. Эти типы приборов имеют идентичную входную схему, выполненную на основе инфракрасного светодиода, излучение которого обеспечивает включение соответствующего силового элемента через специальную фоточувствительную схему, причем для тиристорно-симисторных и MOSFET-IGBT реле применяются разные схемы.

Цепи управления светодиодом выполнены или на резисторе, или с применением токового стабилизатора. Типичный ток управления твердотельным реле составляет 10–15 мA, что на порядок меньше тока управления электромагнитного реле. Различные типы приборов могут управляться как постоянным, так и переменным напряжением.

Входные схемы реле представлены на рис. 97 («Ст» означает стабилизатор тока).

При управлении постоянным напряжением входная цепь реле имеет резистивный ограничитель тока (для реле постоянного тока по коммутируемой цепи) или токовый стабилизатор (для реле переменного тока).

Входная цепь реле, управляемых переменным напряжением, имеет на входе AC/DC–преобразователь и токовый стабилизатор.

Твердотельное реле обеспечивает надежную электрическую изоляцию входных и выходных электрических цепей друг от друга, а также токоведущих цепей от элементов конструкции прибора.

Входное напряжение, в зависимости от модификации прибора, составляет:

группа А – 3–30 В постоянного тока (для реле переменного тока по коммутируемой цепи);

4–10 В (для реле постоянного тока);

группа Б – 6–30 В переменного тока (среднеквадратичное значение);

группа В – 90–280 В переменного тока (среднеквадратичное значение).

Максимальное напряжение невключения реле составляет:

группа А – 1 В;

группа Б – 4 В (среднеквадратичное значение);

группа В – 10 В (среднеквадратичное значение).

а)	б)		в)
г)		д)
е)		ж)
Рис. 97. Входные схемы твердотельных реле:
а – реле постоянного тока;
б – реле переменного тока однофазные с управлением постоянным напряжением;
в – реле переменного тока однофазные с управлением переменным напряжением;
г – реле переменного тока однофазные с управлением переменным напряжением;
д – реле переменного тока трехфазные с управлением постоянным напряжением;
е – реле переменного тока трехфазные с управлением переменным напряжением;
ж – реле переменного тока трехфазные с управлением переменным напряжением.

Еще одним параметром реле, управляемых постоянным напряжением, является предельно допустимая величина обратного напряжения, составляющая 7 В.

Оптронная развязка твердотельных реле представляет собой сложный электронный прибор. Выходным элементом входной части этой оптронной развязки является светодиод, излучающий в инфракрасном диапазоне. Входным элементом выходной части оптрона являются фоточувствительная электронная схема на основе симистора (для реле переменного тока) или на основе так называемого фотовольтаического элемента, создающего на своих выводах разность потенциалов при облучении инфракрасным излучением.

Структурные схемы реле представлены на рис. 98–104.

Рис. 98. Реле переменного тока однофазные

Рис. 99. Реле постоянного тока на полевых транзисторах

Рис. 100. Реле постоянного тока на IGBT-транзисторах

Рис. 101. Реле постоянного тока на IGBT-транзисторах c диодом

Рис. 102. Реле постоянного тока на полевых транзисторах для коммутации двухполярного напряжения

Рис. 103. Реле постоянного тока на биполярных транзисторах

Рис. 104. Реле переменного тока трехфазные

Функциональный элемент однофазного реле переменного тока, подключенный к управляющим электродам выходных тиристоров реле, является по своей сути симистором на полное рабочее напряжение силовой цепи реле с максимальным током (импульсным) до 500 мA. Под воздействием излучения инфракрасного диапазона светодиода входной части реле этот симистор открывается и подает отпирающий ток в управляющие электроды выходных тиристоров реле при поступлении положительной или отрицательной полуволны сетевого напряжения соответственно. Этот элемент включается на короткое время (около 20 мкс), необходимое для отпирания выходного тиристора, в дальнейшем весь ток идет через силовой тиристор реле. Кроме того, этот элемент следит за фазным напряжением в сети.

Существуют две модификации реле переменного тока, отличающиеся характером поведения реле:

• В реле без контроля «нуля» фазы сетевого напряжения или реле с произвольным включением, которые наиболее аналогичны по своим коммутационным свойствам электромагнитным реле, при поступлении управляющего сигнала силовая цепь отпирается сразу за очень короткое время.

• В реле с контролем «нуля» фазы сетевого напряжения (под «нулем» фазы понимается некоторый диапазон напряжений малой величины положительной и отрицательной полуволны сетевого напряжения, при которых может произойти коммутация силовой цепи) специальная схема обеспечивает включение реле при наличии управляющего сигнала в момент времени, близкий к «нулю» фазы. При больших значениях напряжения реле не включится даже при наличии управляющего сигнала. Эта величина напряжения называется напряжением запрета и составляет 40 В для всех реле, независимо от уровня коммутируемого тока.

Реле первого типа могут быть использованы в регуляторах мощности, обеспечивая отсечку фазы силового напряжения регулируемой длительности, системах автоматики и т.д., а у реле второго типа главным преимуществом является «мягкое» включение нагрузки, не порождающее помех в сети и не искажающее форму напряжения на нагрузке.

Реле с произвольным включением, как и электромагнитные реле, могут быть как нормально замкнутыми, так и нормально разомкнутыми, что обеспечивается специальными схемными решениями. Эти реле могут пропустить ток по силовой части без подачи управляющего напряжения и запираются при подаче управляющего сигнала на вход реле.

Таким образом, все реле переменного тока имеют двухкаскадную выходную схему, что накладывает ряд ограничений на допустимые параметры коммутируемой нагрузки.

Выходная часть реле (силовой коммутирующий элемент) построена на паре встречно-параллельно включенных тиристоров.

Твердотельные реле представляют собой сложный прибор, состоящий из большого количества различных элементов, к свойствам и качеству которых предъявляются высокие требования.

Рассмотрим конструкцию на примере реле МО8МА, выпускаемого ООО «Электрум АВ».

В основании прибора находится медная пластина с никелевым покрытием и отверстиями для монтажа готового прибора в аппаратуре.

Главная функция этой пластины – эффективный отвод тепла, выделяемого на силовых полупроводниковых элементах в процессе работы.

Мощность этого тепловыделения определяется падением напряжения на полупроводниковом элементе (тиристоре) и протекающим через него током. Эта величина составляет от 15 Вт (реле 10 А) до 375 Вт (реле 250 А). Тепло передается в окружающую среду через эту пластину (радиатор). Площадь пластины составляет 252 см для реле на токи до 120 А и 702 см для реле на токи до 250 А. Толщина пластины – 3 мм.

Медь, используемая при изготовлении радиатора, обладает очень высокой теплопроводностью и обеспечивает хороший съем тепла со всей поверхности радиатора. Однако, в силу относительно небольшой площади радиатора, он не может обеспечить передачу всего тепла в окружающую среду, поэтому при использовании реле при больших уровнях тока (более 5 или 10 А, в зависимости от площади радиатора) реле необходимо устанавливать на специальные охладители.

Конструкция монтажных отверстий в радиаторе позволяет стянуть радиатор с охладителем с необходимым усилием, обеспечивающим высокий уровень теплопередачи.

На радиаторе установлена (напаяна) керамическая пластина. Пластина выполнена из высокотеплопроводной высокоглиноземистой (содержание зерен Al2O3 – 98 %) керамики с нанесенными на обеих сторонах медными покрытиями толщиной до 0,5 мм. Эта пластина выполняет три важнейших задачи. За счет высоких диэлектрических свойств она обеспечивает изоляцию силовой цепи реле от радиатора (при толщине 0,6 мм обеспечивается изоляция на уровне 4 кВ действующего значения в течение 1 мин). За счет высокой теплопроводности, обеспечиваемой мелкозернистой структурой, сопоставимой с теплопроводностью меди, обеспечивается высокая теплопередача от кристалла полупроводникового элемента к радиатору, а через него – на охладитель и в окружающую среду. Толстые медные покрытия обеспечивают возможность пропускания больших плотностей тока.

На рис. 105 представлена типовая сборка, содержащая радиатор, керамику и кристаллы тиристоров, установленные на ней.

Соединения кристалла с керамикой и керамики с радиатором производятся специальными мягкими припоями, которые обеспечивают хорошую теплопроводность и являются демпфирующими прокладками, компенсирующими разность ТКР материалов сборки (кремний – медь – керамика). Процесс сборки производится при строгом соблюдении технологических режимов, обеспечивающих необходимый температурный профиль, так как отклонение от них приводит к деформации радиатора, а следовательно, – к браку. Для обеспечения высокой теплопроводности спаев они должны обладать малой толщиной и не иметь просветов. Для обеспечения этого количество припойного материала строго дозируется, а после пайки проводится рентгеновский контроль спая (допускается на площади 1 см² до 5 точечных проколов общей площадью не более 2 мм²).

Рис. 105. Типовая сборка радиатора твердотельного реле с установленной на нем керамикой и кристаллами тиристоров	Рис. 106. Внешний вид реле

Кристаллы, используемые в реле, имеют специальную конструкцию со стеклянной изоляцией p–n‒переходов, что обеспечивает высокие предельно допустимые напряжения анод-катод (не ниже 1200 В при токе утечки не более 100 мкА). Стеклянная изоляция обеспечивает также высокую стабильность этого параметра во времени при прямых и обратных смещениях в отличие от традиционных тиристорно-диодных модулей МТТ, МТД, МТОТО и т.д., где используется кремнийорганическая изоляция p–n-переходов.

На верхней поверхности керамики сформирован рисунок меди, который обеспечивает необходимые электрические соединения между кристаллами, элементами схемы управления и внешними контактными площадками. Соединение кристалла с медной металлизацией керамики производится алюминиевой проволокой методом ультразвуковой сварки. Диаметр используемых проволок в зависимости от номинального тока прибора – от 300 мкм до 500 мкм, а их число – от 2 до 14, при этом одна проволока диаметром 0,3 мм способна выдерживать длительный ток до 20 А, а 0,5 мм – 55 А. Петля алюминиевой проволоки обеспечивает компенсацию тепловых расширений при циклическом изменении температуры реле. Эта особенность реле, как любого силового полупроводникового прибора, в первую очередь влияет на долговечность и надежность прибора.

Силовая сборка, выполненная на радиаторе прибора, является коммутирующим элементом реле. Схема управления этим коммутирующим элементом располагается на печатной плате, соединенной как с силовыми контактами реле, так и с управляющими контактами.

Силовые контакты реле имеют непосредственный электрический контакт с медной металлизацией керамической подложки, что обеспечивает минимальные потери, а также контакт с печатной платой. Силовые контакты выполняются из медных шин необходимого сечения, обеспечивающего протекание необходимого уровня тока. Управляющие контакты электрически соединены только с печатной платой. Ток, протекающий через них, небольшой, однако для унификации конструкции они выполняются подобно силовым контактам.

Сборка реле из радиатора и печатной платы закрыта корпусом из специального трудногорючего, с высокой диэлектрической прочностью и нулевой трекингостойкостью пластика, внутренний объем которого заполнен специальным эластичным кремнийорганическим компаундом, имеющим широкий диапазон температур эксплуатации (от –60 до 150 °С), что также обеспечивает эксплуатацию реле в режиме циклического изменения температуры.

Подключение внешних силовых кабелей или шин осуществляется с помощью винтов с резьбой М5, что при обеспечении стягивающего момента 3 Н·м создает необходимый электрический контакт между внешней клеммой или шиной и силовой клеммой реле.

Подключение управляющих контактов производится, в зависимости от тока реле, или через винтовое соединение с резьбой М3, или через быстроразъемный соединитель (fast-on) шириной 28 мм, к которому также можно просто подпаять провода. При резьбовом соединении контакт также должен быть надежным для предотвращения нарушения работоспособности реле.

Внешний вид реле показан на рис. 106.