Гибридные реле меняют наше представление о коммутации в электронных схемах. Сочетая в себе быстродействие твердотельных компонентов с надежностью механических контактов, эти устройства вобрали в себя лучшее от обоих приборов.
Независимо от того, проектируете ли вы систему управления электропитанием или работаете над проектом домашней автоматизации, понимание принципов работы гибридных реле поможет вам создавать более интеллектуальные и эффективные решения. В этой статье мы расскажем об основах и объясним, почему они становятся популярным выбором как для инженеров, так и для производителей.
Гибридное реле сочетает в себе механический и твердотельный переключатели, которые включаются параллельно для управления одной нагрузкой (Рисунок 1). Эта конфигурация объединяет высокую нагрузочную способность электромеханических реле с быстрой и бездуговой коммутацией кремниевых устройств.
Объединяя преимущества обеих технологий, гибридные реле обеспечивают надежное и эффективное решение для управления нагрузкой; они хорошо подходят для широкого спектра приложений – от средств промышленной автоматизации до самодельной электроники.
 |
|
| Рисунок 1. | Простая схема отображает базовую структуру гибридного реле. |
Гибридное реле, по сути, состоит из двух параллельно соединенных переключателей, управляющих одной нагрузкой переменного тока. Как правило, в такой конфигурации электромеханическое реле работает в паре с твердотельным переключателем переменного тока, например, симистором.
Сначала включается симистор, позволяя подавать сетевое напряжение на нагрузку (фаза запуска). Через несколько периодов активируется электромеханическое реле. В этом состоянии ток начинает протекать через механический переключатель, обладающий меньшим сопротивлением по сравнению с кремниевым устройством. Затем симистор выключается, и ток нагрузки продолжает течь исключительно через реле. Такой переход снижает потери мощности в фазе проводимости за счет эффективности механического пути.
Во время фазы остановки симистор снова активируется. Однако из-за низкого сопротивления реле ток продолжает протекать через механический переключатель. Затем реле выключается, перенаправляя ток через симистор.
Это гарантирует, что при размыкании механических контактов напряжение на гибридном реле останется низким, эффективно предотвращая возникновение дуги или вспышек. Наконец, симистор выключается. Благодаря его самоблокирующейся структуре ток продолжает течь до следующей точки пересечения нуля, что обеспечивает безопасное завершение перехода.
Далее на Рисунке 2 представлена схема включения довольно необычного гибридного силового реле Omron G9H. Это реле представляет собой уникальное сочетание электромеханического и твердотельного реле, где для управления коммутацией цепи используется симистор. Гибридная конструкция сводит к минимуму дребезг контактов и искрение во время работы.
 |
|
| Рисунок 2. | Схема гибридного силового реле G9H демонстрирует хитроумный прием, использованный в его внутренней конструкции. |
Термин «необычный» использован намеренно, поскольку в конструкции реализован хитроумный прием, значительно упрощающий общую архитектуру, а именно, использование вспомогательных контактов, работающих с небольшим опережением относительно основных контактов.
Его отличительной особенностью является то, что работа начинается с замыкания вспомогательных контактов (X1), открывающих симистор. После небольшой задержки замыкаются основные контакты (X2) и принимают на себя полный ток нагрузки. Когда напряжение на них приближается к нулю, симистор выключается. При снятии напряжения с катушки сначала размыкаются основные контакты, позволяя симистору на мгновение возобновить проводимость, пока напряжение на нагрузке не упадет до нуля. Затем симистор выключается, завершая цикл переключения.
На мой взгляд, гибридные реле – это разумное и универсальное решение, которое сочетает в себе скорость твердотельных устройств и механическую прочность, обеспечивая быстрое переключение с минимальным износом, идеально подходящее для двигателей, освещения и систем автоматизации. Инженеры ценят их надежность и отсутствие дуги, а радиолюбители – длительный срок службы и простоту подключения.
Однако логика управления может быть более сложной, чем у стандартных реле, и часто требует точной синхронизации или двухступенчатых сигналов для координации работы твердотельных и механических элементов. Несмотря на это, их универсальность и устойчивость к большим нагрузкам или суровым условиям эксплуатации делают их достоянной альтернативой для всех, кому нужны высокие показатели мощности с возможностью интеллектуального управления.
Теперь давайте рассмотрим несколько основных советов, которые помогут вам спроектировать гибридное реле.
Сначала рассмотрим возможность сопряжения электромеханического реле с симистором для получения оптимальных электрических характеристик и долговечности в конструкциях гибридных силовых реле. Позвольте симистору выполнять первоначальное переключение в течение 5–10 миллисекунд, прежде чем замкнется электромеханическое реле, обеспечивая замыкание контактов при нулевом токе.
Последовательность действий при выключении должна быть обратной. Сначала разомкните электромеханическое реле и дайте симистору проводить ток еще 5–10 миллисекунд, прежде чем выключить его при следующем переходе через нуль. Такая стратегия синхронизации сводит к минимуму образование дуги, снижает износ контактов и обеспечивает безотказную и бесшумную работу в цепях переменного тока.
На Рисунке 3 представлена упрощенная схема, с которой можно начать проект по созданию самодельного гибридного силового реле.
 |
|
| Рисунок 3. | Минималистичный чертеж практического гибридного силового реле, разработанного специально для того, чтобы пробудить интерес у любознательных радиолюбителей. |
Убедитесь, что ваша схема генератора сигналов управления гибридным реле, контролирующая переход через ноль (см. вставку), сконфигурирована для управления симистором, позволяя ему срабатывать за 5-10 миллисекунд до и через 5-10 миллисекунд после каждого изменения состояния механического переключателя. И, как вы, вероятно, знаете, коммерческие гибридные силовые реле обычно содержат специализированную микросхему, выполняющую функции управления синхронизацией.
Но для проектов начального уровня это не всегда необходимо. Обычно можно обойтись более простым подходом; в таких случаях простота часто выигрывает. Вероятно, я скоро набросаю что-нибудь, но пока что мне интересно увидеть ваши варианты.
Подводя итог, можно сказать, что гибридные силовые реле незаметно революционизируют коммутацию в электронике. Они сочетают в себе скорость твердотельных устройств с механической прочностью, предлагая разумную альтернативу традиционным реле. Для инженеров, стремящихся к надежности, и любителей, расширяющих границы автоматизации, гибридные реле представляют собой гибкое, перспективное решение.
Надеюсь, что эта статья помогла прояснить основные принципы и пролить свет на то, почему этот гибридный подход становится все более популярным.
