Роль надежных коммутаторов с системах современной автоматики весьма значительна. Что касается современных технологических областей, таких как системы связи, бытовая и автомобильная электроника, или промышленная автоматика, то всюду происходит постепенный, но явный переход от привычных схем коммутации на обычных электромагнитных реле и пускателях с подвижными контактами к более надежным инструментам коммутации, таким как твердотельные полупроводниковые реле (от английского Solid State Relay).
Полупроводники по праву приходят на смену механическим устройствам коммутации и управления даже в цепях мощных токовых нагрузок, поскольку процесс совершенствования полупроводников с каждым годом радует все более и более высокими характеристиками силовых ключей.
Полупроводниковое реле содержит в своей конструкции мощные силовые ключи, которые успешно заменяют собой контакты традиционных электромагнитных реле, пускателей и контакторов. Такие современные твердотельные реле могут коммутировать нагрузку до 250 Ампер, являясь при этом более надежным устройством.
Гальваническая развязка управляющей и исполнительной цепей не требует дополнительных мер изоляции такого реле. Твердотельные реле служит интерфейсом, где низковольтные цепи контроля и силовые высоковольтные цепи изолированы друг от друга. Структура твердотельных реле у разных производителей относительно схожа, и все реле такого типа имеют лишь крайне незначительные отличия.
Входная цепь такого твердотельного реле может состоять из резистора, включенного последовательно с оптопарой или быть более сложной. Функция входной цепи в том, чтобы принять сигнал управления для последующего осуществления коммутации.
Дальше по схеме - оптическая развязка, которая обеспечивает изоляцию между входной, промежуточными и выходной цепями твердотельного реле. Входной сигнал обрабатывается триггерной цепью, которая и управляет переключением выхода твердотельного реле.
Переключающая цепь подает напряжение на нагрузку. Обычно эта часть состоит из транзистора, тиристора или симистора.
Защитная цепь необходима для надежной работы твердотельных реле в условиях различных, в том числе индуктивных, нагрузок. Однако, несмотря на наличие во всех твердотельных реле защитной цепи, все же имеются различные модификации, и некоторые из таких реле не допускают индуктивных нагрузок, а другие – специально для них приспособлены.
Силовые полупроводники обладают некоторым внутренним сопротивлением, поэтому при коммутации нагрузки происходит нагрев твердотельного реле. При нагреве выше 60 градусов Цельсия, происходит снижение допустимой величины коммутируемого тока, поэтому при тяжелых режимах работы такому реле требуется дополнительный отвод тепла. Для этого применяется радиатор или даже воздушное охлаждение.
Для индуктивных нагрузок рекомендуется обеспечить запас по допустимому току в 2-4 раза, а если речь идет об управлении асинхронным двигателем, то запас по току должен быть десятикратным.
Скачок тока при управлении мощной нагрузкой активного характера устраняется применением реле с переключением в нуле тока, такие реле снабжены дополнительным блоком управления триггерной цепью, предотвращающей пусковую перегрузку. Но при управлении нагрузкой емкостного или индуктивного характера, следует обеспечить значительный запас по току.
Как правило, твердотельное реле постоянного тока уже имеет запас на кратковременное (не более 10 миллисекунд) трехкратное увеличение номинального тока при пусковой перегрузке, а тиристорные – на десятикратное.
Для устойчивости к импульсным помехам, в твердотельном реле параллельно выходной цепи устанавливается RC-цепочка, однако для более надежной защиты требуется подключить внешние варисторы, параллельно каждой из фаз такого реле.
Техническая документация, которую предоставляет производитель, как правило, содержит все исчерпывающие данные относительно характеристик конкретного твердотельного реле и допустимых режимов его работы и областей применения в целом.