Перейти к содержанию

Твердотельное реле

Твердотельное реле, или SSR, - это реле без механических контактов. На вход SSR подают слабый управляющий сигнал от контроллера, а на выходе SSR включает или выключает нагрузку.

В простых устройствах для 3D-принтера SSR чаще всего используют для сетевого нагревателя: камеры, сушилки, стола или отдельного модуля подогрева. Это удобный способ управлять 110-230V AC нагрузкой от низковольтной электроники, но не способ сделать сеть безопасной.

Если в проекте есть 110-230V AC, силовую часть нужно собирать в корпусе, с предохранителем, нормальными клеммами, изоляцией, разгрузкой проводов и пониманием электробезопасности.

Чем SSR отличается от обычного реле

Обычное электромагнитное реле щёлкает, потому что внутри физически двигаются контакты. Катушке реле нужно питание, часто нужен транзисторный драйвер, защитный диод, а контакты могут искрить, дребезжать и изнашиваться.

SSR переключает нагрузку полупроводниками. Поэтому у него нет щелчка, нет механического износа контактов и оно лучше подходит для частого включения/выключения нагревателя.

Но SSR - это не "реле без минусов".

У SSR есть свои ограничения:

  • оно греется;
  • часто требует радиатор;
  • может иметь небольшой ток утечки в выключенном состоянии;
  • хуже переносит перегрузки и выбросы, чем правильно выбранный контактор;
  • может выйти из строя в состоянии "включено";
  • должно быть выбрано под AC или DC нагрузку;
  • не заменяет предохранитель, корпус и аварийную термозащиту.

Для редкого включения питания устройства обычное реле или контактор может быть уместнее. Для частого управления резистивным нагревателем SSR часто практичнее.

Что внутри AC SSR

AC SSR обычно содержит:

  • входную цепь для управляющего сигнала;
  • оптическую развязку;
  • триггерную схему;
  • силовой TRIAC или пару тиристоров;
  • snubber-цепь или другую защиту от резких выбросов;
  • силовые клеммы для нагрузки.

Упрощённо это готовая симисторная схема в корпусе. Поэтому SSR удобно там, где не хочется самостоятельно рассчитывать оптосимистор, TRIAC, snubber, зазоры на плате и сетевую часть.

Готовый корпус не отменяет проверку. Особенно если SSR дешёвое, без технического описания или с подозрительно большой цифрой тока на корпусе.

AC SSR и DC SSR

SSR нужно выбирать по типу нагрузки:

  • AC SSR - для переменного тока, например сетевого нагревателя 110-230V AC;
  • DC SSR - для постоянного тока, например 12V или 24V DC нагрузки.

Это разные устройства. AC SSR нельзя автоматически ставить на 24V DC нагреватель: оно может не выключиться. DC SSR нельзя считать подходящим для 230V AC: оно может быть опасно и не рассчитано на такую схему.

Проверять нужно не только надпись AC или DC, но и диапазон выходного напряжения.

Примеры маркировки:

Input: 3-32V DC
Output: 24-380V AC

Это значит:

  • вход управляется низковольтным DC-сигналом;
  • выход коммутирует AC-нагрузку в указанном диапазоне;
  • через SSR не нужно питать нагрузку от входной стороны.

Перед покупкой смотри строки Input, Output, Load voltage, Load current и схему подключения производителя.

Типовая схема подключения

SSR обычно ставят в разрыв силовой линии нагрузки. Контроллер подключается только к входу SSR, а сетевая цепь проходит через выход SSR.

Внутренняя структура твердотельного реле SSR

Источник: Wikimedia Commons, Thomas Verdyck, CC BY-SA 3.0

Важные моменты:

  • вход SSR и выход SSR - это разные стороны устройства;
  • низковольтная сторона не должна соединяться с сетевой стороной;
  • SSR ставят в разрыв линии питания нагрузки, обычно Line;
  • защитное заземление PE через SSR не разрывают;
  • предохранитель должен защищать проводку и нагрузку;
  • нагревателю нужна независимая термозащита;
  • вся сетевая часть должна быть закрыта от прикосновения.

SSR не считается сервисным отключением. Для обслуживания нужен физический способ снять питание: выключатель, автомат, разъём или другой штатный разрыв цепи. На практике могут быть разные схемы по местным правилам, типу питания, защитному заземлению и корпусу. Если нет уверенности, схему должен проверить квалифицированный человек.

Zero-cross, random turn-on и регулирование

AC SSR бывают с разным способом включения.

Zero-cross SSR включает нагрузку около перехода сетевого напряжения через ноль. Это хороший вариант для простого включения/выключения резистивного нагревателя: меньше помех и мягче коммутация.

Random turn-on SSR включает выход почти сразу после подачи управляющего сигнала. Такой тип используют там, где нужна другая логика включения, фазовое управление или специфическая нагрузка.

Для камеры, сушилки или простого нагревателя обычно не нужен быстрый диммер. Чаще достаточно медленного управления: например включать нагреватель на секунды, а не дёргать его сотни раз в секунду.

Не все SSR подходят для фазового управления. Если нужен именно регулятор мощности по фазе, это отдельный тип устройства и отдельная тема с помехами, нагревом и требованиями к нагрузке.

Ток утечки

SSR может пропускать небольшой ток даже когда оно "выключено". Это называется leakage current.

Для мощного нагревателя такой ток обычно не создаёт заметного нагрева, но для маленькой лампы, светодиодного драйвера, блока питания или очень малой нагрузки он может быть заметен: индикатор может слабо светиться, вход блока питания может странно вести себя.

Поэтому SSR не стоит считать идеальным разрывом цепи. Перед первым включением нагревателя проверь, что при снятом управляющем сигнале нагрузка действительно не греется. Лучше сначала проверить выход SSR безопасной малой нагрузкой, лампой или мультиметром, а не сразу основным нагревателем.

Для обслуживания, аварийного отключения и полной изоляции нужны выключатель, автомат, предохранитель, разъём или другой физический способ снять питание.

Нагрев и радиатор

SSR греется при работе. В открытом состоянии на силовом элементе есть падение напряжения, а значит выделяется тепло.

Проверять нужно:

  • ток нагрузки;
  • допустимый ток SSR при реальной температуре;
  • падение напряжения на выходе;
  • требования к радиатору;
  • температуру внутри корпуса;
  • ориентацию радиатора и поток воздуха;
  • качество теплового контакта между SSR и радиатором;
  • температуру клемм и проводов после теста.

Надпись 25A или 40A не значит, что SSR выдержит такой ток без радиатора в закрытом корпусе рядом с нагревателем. У производителей ток обычно указан при конкретных условиях охлаждения.

Практическое правило для простого проекта: не выбирать SSR ровно по току нагрузки. Закладывай запас, используй радиатор, читай техническое описание и проверяй температуру в реальном корпусе. Запас 50% - это нижняя граница для начальной оценки, а не гарантия для любой установки.

SSR не защищает нагреватель

SSR - это силовой ключ, а не система безопасности.

Для нагревателя нужны независимые слои:

  • предохранитель или автомат под проводку и нагрузку;
  • корректный термодатчик;
  • программные пределы температуры;
  • проверка нагрева в прошивке;
  • независимый термостат, thermal fuse или биметаллический выключатель;
  • корпус из материала, который выдерживает реальные температуры;
  • первый тест под наблюдением.

Важный отказ: SSR может пробиться и остаться включенным. Поэтому аварийная термозащита должна уметь разорвать питание нагревателя независимо от контроллера и SSR.

Для каких нагрузок подходит

SSR проще всего применять с резистивными AC-нагрузками:

  • нагреватель;
  • силиконовая грелка;
  • лампа накаливания;
  • простая тепловая нагрузка без встроенной электроники.

Осторожность нужна с:

  • моторами;
  • вентиляторами AC;
  • трансформаторами;
  • соленоидами;
  • блоками питания;
  • электронными драйверами;
  • нагрузками с большим пусковым током.

Индуктивные и электронные нагрузки могут требовать другого типа SSR, snubber, варистор, контактор или отдельную схему. Нельзя выбирать SSR только по надписи "40A".

Что проверить перед покупкой

Перед покупкой SSR проверь:

  • нагрузка AC или DC;
  • напряжение нагрузки;
  • ток и мощность нагрузки;
  • входное управляющее напряжение;
  • совместимость входа с контроллером: 3.3V, 5V, 12V или другой уровень;
  • тип включения: zero-cross или random;
  • допустимый ток при нужном охлаждении;
  • нужен ли радиатор;
  • есть ли техническое описание;
  • есть ли нормальная схема подключения;
  • клеммы и изоляционные расстояния;
  • качество производителя;
  • куда ставится предохранитель;
  • где будет независимая термозащита.

Если документации нет, а SSR должно управлять сетевым нагревателем, это плохой выбор.

Типовые ошибки

  • перепутали вход и выход SSR;
  • купили DC SSR вместо AC SSR или наоборот;
  • не проверили диапазон выходного напряжения;
  • подключили AC SSR к DC-нагревателю и удивились, что оно не выключается;
  • выбрали SSR ровно по току нагрузки;
  • поставили SSR без радиатора;
  • поставили SSR в закрытый горячий корпус;
  • не учли ток утечки;
  • используют SSR как единственный способ аварийного отключения;
  • забыли предохранитель;
  • не поставили независимую термозащиту;
  • оставили сетевые клеммы доступными;
  • управляют SSR слишком быстрым PWM без понимания типа SSR и нагрузки.

Главное

SSR удобно для частого тихого управления нагрузкой, особенно сетевым резистивным нагревателем. Но SSR нужно выбирать по типу нагрузки, напряжению, току, способу включения и тепловому режиму.

Для 110-230V AC нагрузки SSR не отменяет электробезопасность. Нужны корпус, предохранитель, нормальная проводка, радиатор при необходимости и независимая термозащита нагревателя.

Материалы по теме