Solid-state relais: types, praktische toepassing, aansluitschema's

Klassieke starters en contactoren verdwijnen langzaam naar het verleden. Hun plaats in auto-elektronica, huishoudelijke apparaten en industriële automatisering wordt ingenomen door het solid-state relais – een halfgeleiderapparaat zonder bewegende delen.

De apparaten hebben verschillende constructies en aansluitschema's, waarvan hun toepassingsgebieden afhangen. Voordat u het apparaat gebruikt, moet u het werkingsprincipe begrijpen en de kenmerken van de werking en aansluiting van verschillende soorten relais leren kennen. De antwoorden op deze vragen worden in detail beschreven in het gepresenteerde artikel.

Opbouw van het solid-state relais

Moderne solid-state relais (SSR) zijn modulaire halfgeleiderapparaten die dienen als stroomschakelaars.

De belangrijkste werkende componenten van deze apparaten zijn triacs, thyristoren of transistors. SSR's hebben geen bewegende delen, waardoor ze verschillen van elektromechanische relais.

De grootte van een solid-state relais hangt grotendeels af van de maximaal toelaatbare belasting en de mogelijkheid om warmte af te voeren via warmteoverdracht en convectie (+)

De interne constructie van deze apparaten kan sterk variëren afhankelijk van het type geregelde belasting en het elektrische schema.

De eenvoudigste solid-state relais omvatten de volgende componenten:

• ingangsmodule met zekeringen;
• triggercircuit;
• optische (galvanische) scheiding;
• schakelmodule;
• beveiligingscircuits;
• uitgangsmodule naar de belasting.

De ingangsmodule van een SSR is een primair circuit met een in serie geschakelde weerstand. Een zekering kan optioneel in dit circuit worden ingebouwd. De taak van de ingangsmodule is het ontvangen van het besturingssignaal en het doorgeven van het commando aan de schakelaars die de belasting schakelen.

Bij wisselstroom wordt galvanische scheiding gebruikt om het stuurcircuit en het hoofdcircuit te scheiden. Het werkingsprincipe van het relais hangt grotendeels af van de constructie ervan. Het triggercircuit dat verantwoordelijk is voor het verwerken van het ingangssignaal kan worden opgenomen in de optische scheidingsmodule of afzonderlijk worden geplaatst.

De beveiligingsmodule voorkomt overbelasting en fouten, omdat bij een defect van het apparaat ook de aangesloten apparatuur kan uitvallen.

Het primaire doel van solid-state relais is het in- en uitschakelen van het elektrische netwerk met behulp van een zwak stuursignaal. In tegenstelling tot elektromechanische tegenhangers zijn ze compacter van vorm en maken ze tijdens het gebruik geen kenmerkende klikgeluiden.

Werkingsprincipe van SSR

De werking van een solid-state relais is vrij eenvoudig. De meeste SSR's zijn bedoeld voor het aansturen van automatische systemen in netwerken van 20-480 V.

Optische isolatie maakt het mogelijk om stuursignalen met een minimaal vermogen te creëren, wat van cruciaal belang is voor sensoren die werken op autonome stroombronnen (+).

In de klassieke uitvoering bevat de behuizing van het apparaat twee contacten van de geschakelde stroomkring en twee stuurleidingen. Hun aantal kan variëren naarmate het aantal aangesloten fasen toeneemt. Afhankelijk van de aanwezigheid van spanning in het stuurcircuit wordt de hoofdlast door halfgeleiderelementen in- of uitgeschakeld.

Een bijzonderheid van solid-state relais is de aanwezigheid van niet-oneindige weerstand. Terwijl de contacten in elektromechanische apparaten volledig worden gescheiden, wordt in solid-state relais de afwezigheid van stroom in de keten verzekerd door de eigenschappen van halfgeleidermaterialen.

Daarom kunnen bij verhoogde spanningen kleine lekstromen optreden, die een negatieve invloed kunnen hebben op de werking van de aangesloten apparatuur.

Classificatie van solid-state relais

De toepassingsgebieden van relais zijn divers, daarom kunnen hun constructieve kenmerken sterk verschillen, afhankelijk van de behoeften van een specifiek automatisch schema. SSR's worden geclassificeerd op basis van het aantal aangesloten fasen, het type werkstroom, constructieve kenmerken en het type stuurcircuit.

Op basis van het aantal aangesloten fasen

Solid-state relais worden zowel gebruikt in huishoudelijke apparaten als in industriële automatische systemen met een werkspanning van 380 V.

Daarom worden deze halfgeleiderapparaten, afhankelijk van het aantal fasen, onderverdeeld in:

• eenfasig;
• driefasig.

Eenfasige SSR's kunnen werken met stromen van 10-100 of 100-500 A. Hun besturing gebeurt via een analoog signaal.

Voor een driefasig relais wordt aanbevolen om draden van verschillende kleuren aan te sluiten, zodat ze bij de montage van de apparatuur correct kunnen worden aangesloten.

Driefasige solid-state relais kunnen stroom doorlaten in het bereik van 10-120 A. Hun constructie veronderstelt een omkeerbaar werkingsprincipe, dat de betrouwbaarheid van de regeling van meerdere elektrische circuits tegelijk waarborgt.

Vaak worden driefasige SSR's gebruikt voor de werking van een asynchrone motor. In het elektrische besturingsschema moeten snelle zekeringen worden opgenomen vanwege de hoge aanloopstromen.

Op basis van het type werkstroom

Halfgeleiderrelais kunnen niet worden ingesteld of geherprogrammeerd, daarom kunnen ze alleen normaal functioneren binnen een bepaald bereik van elektrische netwerkparameters.

Afhankelijk van de behoeften kunnen SSR's worden aangestuurd door elektrische circuits met twee soorten stroom:

• gelijkstroom;
• wisselstroom.

Op dezelfde manier kunnen SSR's worden geclassificeerd naar het type spanning van de actieve belasting. De meeste relais in huishoudelijke apparaten werken met wisselende parameters.

Gelijkstroom wordt in geen enkel land ter wereld als primaire elektriciteitsbron gebruikt, daarom hebben dit type relais een beperkt toepassingsgebied.

Apparaten met gelijkstroomsturing kenmerken zich door hoge betrouwbaarheid en gebruiken een stuurspanning van 3-32 V. Ze kunnen een breed temperatuurbereik (-30 tot +70°C) verdragen zonder significante verandering van eigenschappen.

Relais die met wisselstroom worden geregeld, hebben een stuurspanning van 3-32 V of 70-280 V. Ze onderscheiden zich door lage elektromagnetische interferentie en hoge schakelsnelheid.

Op basis van constructieve kenmerken

Halfgeleiderrelais worden vaak in de algemene elektriciteitskast van een woning geïnstalleerd, daarom hebben veel modellen een montagevoet voor bevestiging op een DIN-rail.

Bovendien zijn er speciale koellichamen die tussen de SSR en het oppervlak worden geplaatst. Ze koelen het apparaat bij hoge belastingen en behouden de prestaties.

Het relais wordt voornamelijk met een speciale beugel op een DIN-rail bevestigd, die ook een extra functie heeft: het afvoeren van overtollige warmte tijdens het gebruik van het apparaat.

Tussen het relais en het koellichaam wordt aanbevolen een laag warmtegeleidingspasta aan te brengen, die het contactoppervlak vergroot en de warmteafvoer verbetert. Er zijn ook SSR's die met gewone schroeven aan de muur kunnen worden bevestigd.

Op basis van het type besturingscircuit

Niet altijd vereist het werkingsprincipe van het geregelde techniekrelais een onmiddellijke schakeling.

Daarom hebben fabrikanten verschillende stuurschema's voor SSR's ontwikkeld die in diverse toepassingsgebieden worden gebruikt:

1. Nuldoorgangscontrole. Deze manier van aansturing van een halfgeleiderrelais zorgt voor schakeling alleen bij een spanningswaarde van 0. Wordt gebruikt in apparaten met capacitieve, resistieve (verwarmers) en zwak inductieve (transformatoren) belasting.
2. Onmiddellijk. Wordt gebruikt wanneer het relais bij het aanleggen van een stuursignaal abrupt moet schakelen.
3. Fasecontrole. Houdt in dat de uitgangsspanning wordt geregeld door het wijzigen van de parameters van de stuurstroom. Wordt toegepast voor een geleidelijke verandering van verwarming of verlichting.

Halfgeleiderrelais verschillen ook in vele andere, minder belangrijke parameters. Daarom is het bij aankoop van een SSR belangrijk om het werkingsschema van de aan te sluiten apparatuur te begrijpen, om een zo goed mogelijk passend regelapparaat te verkrijgen.

Er moet een vermogensreserve worden voorzien, omdat het relais een operationele levensduur heeft die snel verbruikt wordt bij frequente overbelastingen.

Voor- en nadelen van SSR

Solid-state relais verdringen niet voor niets de gewone starters en contactoren van de markt. Deze halfgeleiderapparaten hebben veel voordelen ten opzichte van elektromechanische alternatieven, waardoor consumenten juist voor hen kiezen.

Relais voor geïntegreerde schakelingen heeft compacte afmetingen en is sterk beperkt in de maximale stroom die het kan doorlaten. Ze worden voornamelijk bevestigd door speciale pootjes vast te solderen.

Tot deze voordelen behoren:

1. Laag stroomverbruik (90% minder).
2. Compacte afmetingen, waardoor de apparaten in een beperkte ruimte kunnen worden gemonteerd.
3. Hoge start- en uitschakelsnelheid
4. Verminderde geluidsproductie, er zijn geen kenmerkende klikken van een elektromechanisch relais.
5. Er is geen technisch onderhoud vereist.
6. Lange levensduur dankzij een levensduur van honderden miljoenen schakelingen.
7. Dankzij de uitgebreide mogelijkheden voor modificatie van elektronische modules, hebben SSR's een breder toepassingsgebied.
8. Geen elektromagnetische interferentie bij het schakelen.
9. Beschadiging van contacten door mechanische impact wordt voorkomen.
10. Geen direct fysiek contact tussen stuur- en schakelcircuits.
11. Mogelijkheid tot het regelen van de belasting.
12. Aanwezigheid van automatische beveiligingscircuits in impuls-SSR's ter bescherming tegen overbelasting.
13. Mogelijkheid tot gebruik in explosiegevaarlijke omgevingen.

De genoemde voordelen van solid-state relais zijn niet altijd voldoende voor een normale werking van de apparatuur. Daarom hebben ze nog niet volledig de elektromechanische contactoren verdrongen.

Voor een stabiele werking van krachtige solid-state relais is een effectieve warmteafvoer belangrijk, omdat bij hogere temperaturen de belastingsspanning sterk vervormd raakt (+).

SSR's hebben ook nadelen die het gebruik in veel gevallen verhinderen.

Tot de nadelen behoren:

1. Onmogelijkheid om de meeste apparaten te gebruiken met spanningen boven 0,5 kV.
2. Hoge kosten.
3. Gevoeligheid voor hoge stromen, vooral in startcircuits van elektromotoren.
4. Beperkingen bij gebruik in omstandigheden met hoge luchtvochtigheid.
5. Kritieke vermindering van de werkprestaties bij temperaturen onder -30°C en boven +70°C.
6. De compacte behuizing leidt tot overmatige verwarming van het apparaat bij constant hoge belastingen, wat het gebruik van speciale passieve of actieve koelapparaten vereist.
7. Mogelijkheid van smelten van het apparaat door verhitting bij kortsluiting.
8. Microstromen in de uitgeschakelde toestand van het relais kunnen kritisch zijn voor de werking van de apparatuur. Bijvoorbeeld, aangesloten tl-lampen kunnen periodiek oplichten.

Halfgeleiderrelais hebben dus specifieke toepassingsgebieden. In hoogspanningscircuits van industriële apparatuur is hun gebruik sterk beperkt vanwege de onvolmaakte fysische eigenschappen van halfgeleidermaterialen.

In huishoudelijke apparaten en de automobielindustrie daarentegen hebben halfgeleiderrelais een sterke positie vanwege hun gunstige eigenschappen.

Mogelijke aansluitschema's

Aansluitschema's van halfgeleiderrelais kunnen zeer divers zijn. Elk elektrisch circuit wordt samengesteld op basis van de kenmerken van de aangesloten belasting. Aan het schema kunnen extra zekeringen, controllers en regelapparaten worden toegevoegd.

Doordat de stuur- en belastingscircuits in het apparaat niet overlappen, kunnen hun elektrische kenmerken in elke parameter verschillen (+)

Hierna worden de eenvoudigste en meest gangbare aansluitschema's van halfgeleiderrelais gepresenteerd:

• normaal-open;
• met gekoppeld circuit;
• normaal-gesloten;
• driefasen;
• omkeerbaar.

Normaal-open (verbreek) schema – een relais waarbij de belasting onder spanning staat wanneer er een stuursignaal aanwezig is. Dat wil zeggen dat de aangesloten apparatuur is uitgeschakeld wanneer de ingangen 3 en 4 spanningsloos zijn.

Voordat u een relais koopt, moet u het gewenste type beginstatus (gesloten of open) bepalen om de juiste werking van de aangesloten apparatuur te waarborgen (+)

Normaal-gesloten schema – dit betreft een relais waarbij de belasting onder spanning staat bij afwezigheid van een stuursignaal. Dat wil zeggen dat de aangesloten apparatuur in werkende staat is wanneer de ingangen 3 en 4 spanningsloos zijn.

Er bestaat een aansluitschema voor een halfgeleiderrelais waarbij de stuurspanning en de belastingsspanning gelijk zijn. Deze methode kan tegelijkertijd worden gebruikt voor werking in gelijk- en wisselstroomnetwerken.

Driefasenrelais worden op enigszins andere principes aangesloten. De contacten kunnen worden verbonden in de configuraties 'Ster', 'Driehoek' of 'Ster met nulleider'.

De keuze van het driefasen aansluitschema van het relais hangt grotendeels af van de specifieke werking van de apparatuur die als belasting is aangesloten.

Omkeerbare halfgeleiderrelais worden gebruikt in elektromotoren in de betreffende modus. Ze worden in een driefasige uitvoering vervaardigd en bevatten twee stuurcircuits.

Als voor het relais het naleven van de polariteit van de contactaansluiting belangrijk is, dan zal op de markering altijd worden aangegeven waar de fase en de nulleider moeten worden aangesloten.

Het is noodzakelijk om elektrische circuits met TTR alleen te assembleren nadat ze vooraf op papier zijn getekend, omdat onjuist aangesloten apparaten kunnen uitvallen door kortsluiting.

Praktische toepassing van apparaten

Het toepassingsgebied van solid-state relais is vrij breed. Vanwege de hoge betrouwbaarheid en het ontbreken van behoefte aan regelmatig onderhoud worden ze vaak op moeilijk bereikbare plaatsen van apparatuur geïnstalleerd.

In veel relais vereist het aansluiten van de draden van het stuurcircuit het naleven van de polariteit, waarmee rekening moet worden gehouden tijdens het monteren van de apparatuur.

De belangrijkste toepassingsgebieden van TTR zijn:

• thermoregulatiesysteem met gebruik van TEN's;
• het handhaven van een stabiele temperatuur in technologische processen;
• controle van de werking van transformatoren;
• regeling van de verlichting;
• schema's van bewegingssensoren, verlichting, fotosensoren voor straatverlichting enz.;
• aansturing van elektromotoren;
• noodstroomvoorzieningen.

Met de toenemende automatisering van huishoudelijke apparaten krijgen solid-state relais steeds meer verspreiding, en de zich ontwikkelende halfgeleidertechnologieën openen voortdurend nieuwe toepassingsgebieden.

Desgewenst kan men eigenhandig een solid-state relais in elkaar zetten. Een gedetailleerde instructie staat in dit artikel.

Conclusies en nuttige video over het onderwerp

De gepresenteerde video's helpen om de werking van solid-state relais beter te begrijpen en kennis te maken met de manieren om ze aan te sluiten.

Praktische demonstratie van de werking van het eenvoudigste solid-state relais:

Analyse van varianten en kenmerken van de werking van solid-state relais:

Testen van de werking en verwarmingsgraad van TTR:

Vrijwel iedereen kan een elektrisch circuit monteren uit een solid-state relais en een sensor.

Echter, het plannen van het werkschema vereist basiskennis in de elektrotechniek, omdat een verkeerde aansluiting kan leiden tot een elektrische schok of kortsluiting. Maar met de juiste acties kan men een massa nuttige huishoudelijke apparaten verkrijgen.

Heeft u iets toe te voegen, of heeft u vragen over het onderwerp aansluiting en toepassing van solid-state relais? U kunt reacties op de publicatie achterlaten, deelnemen aan discussies en uw eigen ervaring met het gebruik van dergelijke apparaten delen. Het contactformulier bevindt zich in het onderste blok.