Вот всем хороши микроконтроллеры — маленькие, программируемые, «умные» — одно плохо: нельзя вот так просто так взять и включить, скажем, двигатель откатных ворот или группу прожекторов на объекте.
Двигателю нужно 220В, а то и 380, а микроконтроллер питается от 3.3.
Для этого давным-давно придуманы реле, тысячи их.
Казалось бы, все просто и понятно — контроллер включает реле, реле включает то-что-надо-включить.
И вот тут начинаются разные интересные нюансы.
Самый старый и дубовый тип реле — механические.
На магнитную катушку подается напряжение — катушка создает магнитное поле — притягивается якорь, который механически соединяет контакты.
У таких реле как правило минимальное сопротивление во включенном состоянии — только сопротивление контактов, поэтому они хорошо подходят там, где предполагаются большие токи. Например, лампы накаливания, электрообогреватели и прочее подобное — по сути, всё то, где большой ток протекает через некоторое сопротивление нагрузки.
Чем больше ток — тем толще должны быть контакты, и больше площадь контактных площадок. Если эти параметры недостаточны — контакты будут греться, окисляться, контакт станет хуже, сопротивление выше, нагрев больше — и так пока всё это не сгорит с дымом и искрами.
Поэтому у механических реле всегда есть расчетный ток, который превышать не стоит.
Но чем больше расчетный ток, чем больше площадь контактов — тем сильнее нужно их прижимать, а это значит что управляющий ток тоже должен быть больше, и получается что исходная задача «включать ЭТО микроконтроллером» снова не выходит.
И вот это уже решается каскадным включением реле: например, включаем слаботочное реле, которое подает питание на более мощное реле, которое подает питание на контактор, который щелкает здоровенным контактным пакетом — и вот уже у нас включилась цепь на сотню ампер.
Ну и конечно, даже слаботочное реле всё равно потребует больше тока, чем может дать микроконтроллер, поэтому придётся использовать ключевой транзистор или оптопару (которая по сути является комбинацией светодиода и фототранзистора).
При этом ток, который пойдет через ключевой транзистор — зависит в том числе от управляющего напряжения реле: для того чтобы магнитная катушка смогла развить нужное усилие прижима — она должна потребить некоторую мощность, а мощность равна Ток * Напряжение.
Из этого следует простой практический вывод: если брать типовое электромагнитное приборное реле, которые могут быть на разные управляющие напряжения — то имеет смысл брать на большее напряжение: тогда ток будет меньше, и нагрев транзистора тоже меньше.
То есть, лучше на 12, чем на 5, и лучше на 24 чем на 12.
Правда, при этом возникает вопрос о том, что питать схему нужно соответствующим напряжением, например, 12В, а контроллер у нас 3.3, и это значит нужно понижать напряжение, причем желательно с помощью DC-DC модуля…
Кроме того, механические реле не очень хорошо работают с индуктивной и емкостной нагрузкой.
Индуктивная — это как правило всякие асинхронные двигатели, как правило достаточно мощные.
Проблема тут в том, что в сети переменного тока момент включения и выключения контактов может попасть на любой момент изменения амплитуды.
При включении на максимуме — к нагрузке тут же прилагается максимальное напряжение. Индуктивность не позволяет току развиться сразу, он нарастает постепенно, хотя напряжение уже падает — это приводит к тому, что механическое усилие страгивания двигателя будет меньше, чем могло бы быть.
Но гораздо хуже, что в момент отключения контактов индуктивность пытается поддерживать ток, хотя контакты уже разошлись: сопротивление сремится к бесконечности, напряжение на контактах тоже, и возникает искра пробоя. Постепенно искры разрушают контактные площадки — реле «горит».
С емкостной нагрузкой всё наоборот: это у нас как правило различные импульсные блоки питания, блоки для светодиодных ламп, компьютеры, бытовая техника. Технически — в них в самом начале стоит выпрямитель и конденсатор, и если реле включилось на максимуме, а конденсатор разряжен — вот тут ток стремится к бесконечности.
Снова искра на контактах, теперь при включении, броски тока, которым могут выжечь диоды выпрямителя, иногда даже выбивает предохранители. Ну и снова — реле «горит».
Но есть и другие типы реле — так называемые Solid State Relay, SSR
Это не что-то очень сложное: как правило, подобные реле переменного тока представляют из себя вполне обычный симистор, который включается с помощью специализированной оптопары.
Специализированность тут в том, что включение происходит в момент перехода питания через «0» — то есть вон того эффекта мгновенной подачи напряжения нет, просто вдруг синусоида питающего напряжения подается также и на нагрузку.
Конденсаторы заряжаются по мере роста напряжения, индуктивность постепенно набирает ток, без бросков.
А отключение реле происходит тогда, когда и управление с оптопары отключилось, и симистор остается без поддерживающего его напряжения сети, то есть тоже при переходе через «0».
При этом управляющий сигнал на оптопару не требует высокого напряжения, часто 3-5 вольт вполне достаточно, что очень удобно для микроконтроллеров.
SSR бывают маленькими и маломощными, бывают большими, бывают однофазными и трехфазными — по сути разница только в мощности встроенного симистора и возможностях его охлаждения.
И вот как раз охлаждение тут может понадобиться, и причина опять в использовании симистора.
Симистор — полупроводниковый прибор, в котором работают несколько n-p переходов, на каждом из которых by design падает некоторое напряжение, тем более что материал тут как правило кремний.
В целом, общее падение напряжения может составлять порядка 1-2 вольт, в зависимости от тока.
Казалось бы, для 220В потеря 1 вольта — это мелочь, но зато не мелочь для тока.
При 10 ампер протекающего тока и 1 вольте напряжения — это 10 ватт мощности нагрева, и уменьшить это никак нельзя, сколько бы допустимых ампер не было написано на реле.
А 10 ампер — это примерно 2.2 кВт для 220В, типовой электрочайник.
То есть, если захотелось включать электрочайник через SSR — придется также решить вопрос, как «сдуть» 10 ватт нагрева с реле.
На какое-то время хватит радиатора, на длительное — понадобится активный кулер.
Из этого следует, что включать чайники и обогреватели такими реле — плохая идея, тут как раз лучше подходит механика на соответствующий ток, она почти не греется и работает беспроблемно.
SSR лучше оставить для управления современным светом и техникой, ну или вот запускать тот самый «трехфазный двигатель откатных ворот» или какой-нибудь глубинный насос.
Бывают также SSR постоянного тока — при общей схожести конструкции они принципиально отличаются тем, что вместо симистора внутри стоит MOSFET или IGBT.
Причем иногда в изделиях с одним и тем же названием может быть или одно, или другое, как повезет. Корпуса стандартные, а IGBT похоже дешевле в производстве.
MOSFET — полевой транзистор, во включенном состоянии его сопротивление стремится к нулю, составляет миллиомы. Соответственно, протекающий ток нагрузки создает минимальное падение напряжения, минимальный нагрев и как следствие такие реле прекрасно подойдут для управления электронагревателями — но только на постоянном токе.
IGBT — биполярный транзистор, с n-p переходами, неизбежным падением напряжения на них, и теми же самыми проблемами нагрева под нагрузкой, которые точно так же нерешаемы, и не зависят от «максимального тока».
Даже если на таком написано «60 Ампер» — это означает, что он не сгорит от 60 сразу, сначала разогреется, а потом уже сгорит от перегрева.
Есть еще всякие специализированные реле, в которых электродвигатель относительно медленно двигает или поворачивает пакет контактов, есть пожарные разцепители, в которых кратковременный импульс срывает взведенные контакты, обесточивая нагрузку — но это уже не так часто встречается.
ссылка на оригинал статьи https://habr.com/ru/articles/1058278/