Подключение к контроллеру MegaD-2561 твердотельных реле

17/12/2017 16:18:28

В предыдущих материалах я описывал подробности использования модулей MegaD-2R (реле, 10А) и MegaD-2W (симисторы, 1.4А, 1-wire) с контроллером MegaD-2561. Релейный MegaD-2R позволяет обойтись без полноразмерных исполнительных модулей, когда для решения задачи требуется всего пара выходов, а MegaD-2W позволяет существенно расширить возможности цифровых портов и с последними версиями прошивки почти неограниченно наращивать количество выходов, доступных серверу. Но не только с помощью этих модулей можно управлять различными приборами. Сегодня речь пойдет о подключении к контроллеру доступных массовому потребителю твердотельных реле (SSR - solid state relay) китайского производства.

Твердотельное реле - это устройство, которое позволяет коммутировать различные нагрузки. Но в отличие от обычного реле в нем нет механических частей. Это прибор, в котором применяются мощные полупроводники: тиристоры и транзисторы. Твердотельное реле не издает никаких звуков и в зависимости от модели и исполнения способно коммутировать токи до десятков ампер. Есть модели SSR, которые работаю с переменным током, а есть те, что умеют коммутировать постоянный. При этом стоимость твердотельных реле китайского производства невысока. Минусы у таких приборов тоже есть: они нагреваются (и чем мощнее нагрузка, тем сильнее нагрев) и как многие полупроводники подобного типа бояться короткого замыкания (выходят из строя).

MegaD-2561 + SSR Fotek
Подключение твердотельного реле к контроллеру MegaD-2561

Для подключения твердотельного реле к контроллеру требуется всего 2 провода (порт контроллера и земля). Дополнительное питание не нужно. Поскольку на портах контроллера MegaD-2561 напряжение 3,3В, то никакого согласования не требуется. В качестве управляющего напряжения реле принимает любое в диапазоне от 3В до 32В. Принцип подключения SSR такой же, как для MegaD-2R. Так как земля-порт в 34-пиновых разъемах контроллера MegaD-2561 идут рядом (нижний ряд - "порты" и красный провод на фото, верхний - "земля" и черный провод на фото) для подключения удобно использовать кабель типа Dupont 2-pin, разъем которого просто одевается на нужный ряд "гребенки". И хотя на фото твердотельное реле уже сидит на креплении для DIN-рейки, для наглядности я разместил его так, чтобы все было предельно понятно. Распиновку 34-пиновых разъемов можно посмотреть в документации к MegaD-2561 или в кратком руководстве. В данном случае реле подключено к порту P29 разъема XP2. Настройки порта типовые: Type: OUT; Mode: SW
Сразу хочу сказать, что подобные реле не будут диммировать нагрузку, поэтому подключать их к ШИМ-портам с настройкой PWM нет смысла. При любых значениях ШИМ отличных от 255 лампа будет моргать. SSR нужно воспринимать в этом свете как обычный электронный ключ, который имеет два положения: выключено и включено.

Теперь, когда с подключением твердотельного реле все ясно, можно разместить его на DIN-рейку рядом с контроллером и проверить, как оно работает. Для тестов я использовал реле SSR-40 DA (до 40A, переменный ток 24-380В). Надписи Fotek и Made in Taiwan абсолютно ничего не значат. Фактический производитель чаще всего неизвестен, а страна происхождения однозначно Китай.


Тестирование SSR-40 DA с нагрузками разной мощности

То, что реле будет работать, у меня не было никаких сомнений. Цель тестирования определить, при какой мощности нагрузки SSR можно безопасно использовать на DIN-рейке с другими модулями, а когда уже следует монтировать его на радиатор и изолировать от пластиковых частей соседней автоматики. Для начала я подключил нагрузку в виде ламп накаливания мощностью около 300 Вт.


Нагрузка 300Вт. Температура основания 31C. Тепло едва различимо на ощупь

При длительном коммутировании нагрузки мощностью 300Вт на открытом воздухе (в щитке температуры будут выше) реле практически не греется. Блок питания DR-15-12 в режиме холостого хода греется сильнее. Температура основания, смонтированного на металлической клипсе для DIN-рейки, около 30-32 градусов. То тепло, которое выделяется, рассеивается на довольно массивной клипсе и на самой рейке.

Увеличение мощности нагрузки до 500Вт практически не изменило картину. Температура основания не превышала 32-33 градусов. Рука практически не чувствовала тепло. Еще увеличим мощность нагрузки и доведем ее до 700Вт. Температура начинает расти.


Нагрузка 700Вт. Температура основания 35C. Тепло уже чувствуется

Мощность 700Вт - это уже довольно прилично, но даже при такой мощности выделение тепла небольшое, хотя рука уже определенно чувствует нагрев корпуса реле. Увеличиваем мощностью еще на 300Вт. Тестируем на киловатте!


Нагрузка 1000Вт. У нашего реле температура...

На картинке с тепловизора отчетливо видно, что процесс пошел. Температура в 40 градусов хотя и не является критической, но в закрытом шкафу без принудительной вентиляции значения могут быть в полтора раза выше. Угрозы расплавления корпуса модуля контроллера конечно нет, но все же подобная температура на мой взгляд близка к предельно допустимой. Таким образом, без специальных мер по отводу тепла и охлаждению, с помощью твердотельного реле подобной конструкции, смонтированного в шкафу рядом с другими модулями автоматики, можно безопасно коммутировать нагрузки в диапазоне до 1000Вт.

Ну а если все же поддать жару? Что будет при 1400-1600 ваттах?


Нагрузка 1400Вт. Тепло...

Тепловизор подстраивается под диапазон минимальной и максимальной температур, поэтому если при 300Вт нагрузки и 31C блок питания визуализировался как теплый, то при 1400Вт нагрузки и на фоне 48 градусов он уже выглядит холодным. Хорошо видно, как нагреваются провода, идущие к нагрузке.


Нагрузка 1600Вт. Горячо!

При увеличении мощности нагрузки до 1600Вт процесс нагрева резко ускорился. Температура основания выросла до 54-56 градусов. Даже лицевая панель корпуса твердотельного реле нагрелась выше 43 градусов. Длительно коммутировать нагрузки выше 1,5кВт-1,7кВт (6А-7А) без радиатора в непосредственной близости от модулей автоматики, пожалуй, все же не стоит даже на открытом воздухе, не говоря уже о применении подобного решения в закрытом щитке.

Но что будет, если установить твердотельное реле на специальный радиатор?


Твердотельное реле установлено на алюминиевый радиатор

Радиатор также имеет крепление на DIN-рейку, но одеть его на рейку можно только с торца. Это неудобно и может оказаться проблемой в тех случаях, когда рейку нельзя или очень трудно снять. В этот раз я установил реле с радиатором не вплотную к контроллеру, а оставил воздушный зазор для лучшей вентиляции. Подключим нагрузку мощностью 1400Вт.


1400Вт, радиатор

Температура основания реле 44 градуса (без радиатора было 48), но сам радиатор существенно холоднее. Температура ребер радиатора в самых горячих местах порядка 38-39 градусов. Вплотную к модулям автоматики при такой мощности нагрузки реле с радиатором я ставить бы не стал. Но если обеспечить достаточный зазор и в шкафу организовать минимальную конвекцию воздуха, то с нагрузками порядка 1,5кВт такое решение вероятно допустимо. Теперь подключаем 3000Вт.


3000Вт, радиатор

При использовании твердотельного реле на радиаторе с нагрузкой в 3кВт оно разогревается до 57-60 градусов. Температура ребер радиатора в этом случае составила 47-48 градусов. На открытом воздухе при отсутствии непосредственного контакта с горючими или плавящимися материалами применять подобное решение, наверное, можно. Но в закрытом шкафу коммутировать 3000Вт на небольшом радиаторе с моей точки все же небезопасно.


Риск - благородное дело, но не в этом случае

Дальше увеличивать мощность нагрузки не стал. Очевидно, что при токах более 10А необходимо использование массивных радиаторов, эффективного пассивного или даже активного охлаждения и размещение реле таким образом, чтобы его горячие части не соприкасались с пластиковыми деталями корпусов или элементов шкафов.

Исходя из полученных данных, сделаю краткие выводы. Твердотельные реле легко подключаются к контроллерам MegaD-2561. При мощности нагрузки до 500Вт можно смело использовать реле в любых ситуациях. С нагрузками в 700-1000Вт можно не применять специальных технических мер для охлаждения реле, но желательно крепить его на металлическую клипсу к DIN-рейке для незначительного отвода тепла. Для коммутации нагрузок от 1000 до 2000 ватт необходимо применение небольшого радиатора и размещать реле так, чтобы нагретые части не касались пластика. При мощности нагрузки свыше 2кВт требуется индивидуальный подход: применение увеличенных радиаторов, термопасты, возможно, вентиляторов и других дополнительных мер охлаждения.

 

Автор: Andrey_B
Любое использование материалов сайта возможно только с разрешения автора и с обязательным указанием источника.



Добавить комментарий:



Сортировка комментариев: Последние сверху | Первые сверху

2017-12-18 17:59:26 | Михаил
Хорошая статья, а что по поводу контакторов? Они тоже греются?


2017-12-19 10:55:43 | Andrey_B
Михаил, контакторы - принципиально другие устройства. Контактор - это мощное реле. Оно, конечно, нагревается в процессе работы, но незначительно и такой нагрев не представляет абсолютно никакой опасности. Кроме того, нагрев контактора слабо коррелирует с тем, какую мощности он коммутирует в диапазоне допустимых для него токов в отличие от полупроводников.


2017-12-26 17:49:03 | d.v.ermakov
Скромно как-то по току получилось. А вы его теплопроводящей пастой мазали при установке на радиатор?


2017-12-26 19:49:29 | Andrey_B
d.v.ermakov, в каком смысле "скромно по току"?
Пастой не мазал. Моя задача заключалась в том, чтобы понять, насколько безопасно ставить подобное реле рядом с другим оборудованием в шкафу. Паста в этом смысле ситуацию практически не изменит. Но если выносить реле за пределы шкафа и устанавливать на некотором расстоянии от чего-то, что может расплавиться, то паста, конечно же, сыграет важную роль. Пасту, кстати, в статье упоминал.


2017-12-26 22:58:05 | d.v.ermakov
Имелось ввиду следующее. У нас в оборудовании стоят подобные реле корейского производства на 25А, SDA1-225Z. На штатных радиаторах, несколько меньших, чем у вас в статье. Коммутируют 3,3 кВт ТЭНы. Стоят в закрытом маленьком месте. Греются, но палец терпит. Пастой намазаны. А по вашим картинкам, ИМХО, видно, что радиатор заметно холоднее нижней части реле.


2018-04-16 18:50:41 | DMITRIY
А есть аналогичные сборки твердотельных реле, например на 8 каналов на 40 честных ампер, которые можно аналогично подключить? Согласно характеристикам, SSR-40 DA управляется постоянным напряжением 3-32в, какое напряжение отдает мозг системы на подключаемый порт?

По вашей статье получается максимальный ток для твердотельных реле - 1.5 квт, но характеристики исполнительных модулей имеют те же значения (до 2.2 квт). Готовые исполнительные модули не греются аналогичным образом?

Андрей, поясните как лучше сделать, хотелось бы отключать все розетки жилого дома, развести их по линиям и вырубать каким-либо реле или контактором. Т.е. реле должно допускать максимальную нагрузку, которую можно воткнуть в розетку. Обычно это до 2 квт в номинальном режиме.


2018-04-16 20:03:21 | Andrey_B
Насчет готовых сборок твердотельных реле сказать ничего не могу.
SSR-40DA подключается так, как указано в статье. Уровень на пине контроллера порядка 3,3В.
Нагрев механических реле в отличие от твердотельных практически не зависит от тока. То есть механическое реле будет греться почти одинаково и при 1А и при 10А.
При нагрузке в 10А твердотельному реле нужен отвод тепла.
Я не очень понимаю, зачем нужно управлять розетками, но если бы у меня возникла такая необходимость, то я бы поставил хорошие контакторы минимум на 25А, а управлял бы ими симисторными модулями.


2018-12-02 04:25:24 | Александр
Еще одна интересная статья! Спасибо. С удовольствием прочитал. Пару лет назад на сайт заходил последний раз.
Андрей, хотел сказать спасибо. Ваши контроллеры (2-я ревизия еще) использую вот уже 6 лет. Даже забыл где, там он стоит и как все работает. Софт, правда, не обновляю, ни на сервере, ни на контролер. Зачем, если все работает. Подключил - настроил и забыл. Пыли там смотрел правда в шкафу уже, надо пропылесосить.