Чем отличаются твердотельные и электромагнитные реле

В статье рассмотрим, чем твердотельное реле отличается от обычного электромагнитного, и выделим преимущества и недостатки реле, влияющие на их выбор и использование в процессах автоматизации.

Основное отличие

Основная разница между твердотельным и электромагнитным реле состоит в принципе работы. Электромагнитные реле полагаются на механическое переключение контактов под воздействием электромагнитного поля. Основное преимущество твердотельного реле — отсутствие движущихся частей. Для коммутации цепей используются полупроводниковые элементы. Подробное описание конструкции и принципов работы вы найдете в наших статьях об электромагнитных и твердотельных реле.

Преимущества и недостатки электромагнитных реле

Электромагнитные реле, благодаря простой конструкции, доступности и универсальности, остаются популярным выбором.

Преимущества электромагнитных реле:

• универсальность нагрузки: электромагнитные реле способны коммутировать как переменный (AC), так и постоянный (DC) ток. Они менее чувствительны к характеру нагрузки – емкостной, индуктивной или резистивной;
• устойчивость к перегрузкам: как правило, выдерживают кратковременные перегрузки по току лучше, чем твердотельные реле;
• гальваническая развязка: электромагнитные реле обеспечивают надежную гальваническую развязку, обеспечивает эффективную степень защиты от перенапряжений. Это означает, что нет необходимости в дополнительных схемах защиты или фильтрации, что упрощает конструкцию и снижает стоимость системы;
• устойчивость к внешним факторам: сохраняют работоспособность при наличии электромагнитных помех, поступающих извне — со стороны нагрузки или сети питания;
• экономичность: в большинстве случаев электромагнитные реле дешевле твердотельных;
• простой ремонт и обслуживание: простая конструкция позволяет выявить неисправность через визуальный осмотр (например, обрыв катушки или подгоревшие контакты). Замена реле, как правило, не требует специальных знаний и оборудования.

Недостатки электромагнитных реле:

• ограниченный ресурс работы: движущиеся механические части реле больше подвержены износу, что ограничивает количество переключений;

• низкая скорость переключения: скорость переключения обычно варьируется от 1 мс до 20 мс. Задержка при переключении связана с инерцией механических частей (якоря и контактов), что важно в высокоскоростных приложениях;
• электромагнитные помехи (EMI): при переключении контактов возникают искры, которые генерируют электромагнитные помехи. Они оказывают негативное влияние на работу чувствительной электроники, особенно в высокочастотных схемах и цепях с микроконтроллерами. Поэтому необходимы меры для подавления этих помех в чувствительных схемах;

Модуль индикации и защиты электромагнитного реле NNC

• механический шум: переключение контактов сопровождается слышимым щелчком, что нежелательно в некоторых приложениях.

Реле NNC в колодках: электромагнитные (справа), твердотельное интерфейсное и твердотельное (слева)

Преимущества и недостатки твердотельного реле

Твердотельные реле, благодаря отсутствию механических элементов, предлагают совершенно иной набор преимуществ.

Преимущества твердотельных реле:

• высокая скорость переключения: твердотельные реле быстрее электромагнитных. Скорость измеряется от десятков микросекунд до единиц миллисекунд. Это важно в системах управления приводами, высокочастотных коммутаторах и других высокоскоростных приложениях; 
• практически неограниченный ресурс работы: отсутствие механических частей обеспечивает очень долгий срок службы (зависит от срока службы полупроводниковых компонентов) и надежность эксплуатации. Ресурс составляет миллионы и даже миллиарды переключений, т.е. практически неограничен;
• бесшумность: твердотельные реле работают абсолютно бесшумно, что важно для использования в чувствительном оборудовании и бытовой технике;
• отсутствие искр и дребезга контактов: исключает генерацию электромагнитных помех и обеспечивает чистое переключение;
• реализация сложных функций: характеристики твердотельных реле позволяют реализовать сложные функции управления, такие как плавное включение/выключение, регулирование мощности и т.д. Это расширяет возможности использования реле в различных приложениях;
• устойчивость к вибрациям и ударам: отсутствие движущихся частей повышает устойчивость к вибрациям и ударам.

Недостатки твердотельных реле:

• чувствительность к перегрузкам: твердотельные реле более чувствительны к перегрузкам по току и перенапряжениям. Требуется обязательное использование схем защиты (варисторы, предохранители, TVS-диоды) для предотвращения повреждения реле.
• падение напряжения: падение напряжения на полупроводниковом элементе твердотельного реле приводит к тепловыделению, особенно при больших токах. Требуется использование радиаторов охлаждения для поддержания рабочей температуры в пределах допустимых значений; 
• ограниченная универсальность: большинство твердотельных реле предназначены для коммутации только AC или только DC тока. Существуют универсальные модели, но они обычно дороже;
• менее надежная гальваническая развязка: гальваническая развязка в твердотельных реле создается с помощью оптопары. Оптопары имеют ограниченное напряжение изоляции, подвержены деградации, чувствительны к перенапряжениям и зависят от температуры. Со временем светодиод в оптопаре тускнеет, и, хотя она эффективно выполняет свою функцию, с точки зрения надежности (особенно при высоких напряжениях) она уступает простой и надежной конструкции электромагнитного реле;
• сложность диагностики: неисправность твердотельных реле не всегда очевидна. Часто требуется использование специального оборудования (например, осциллографа) для определения причины неисправности;
• утечки тока в выключенном состоянии: даже в выключенном состоянии твердотельные реле могут пропускать небольшой ток утечки. В некоторых чувствительных приложениях это может быть неприемлемо;
• высокая стоимость: как правило, дороже электромагнитных.

Для наглядности основные характеристики электромагнитах и твердотельных реле представлены в таблице.

Таким образом, электромагнитное реле — это надежное и проверенное решение для большинства задач, особенно в тех случаях, когда важна универсальность, устойчивость к перегрузкам и экономичность. Твердотельное реле — это лучший выбор для ситуаций, где важна мгновенная коммутация, надежность, долговечность, бесшумность и устойчивость к вибрациям. Как выбрать реле, рассказываем в нашем следующем материале.