DigiKey
Avtor: Rolf Horn
Prevod: Svet elektronike
Polprevodniški releji (angl. Solid-state relays: SSR) se uporabljajo v vedno večjem številu različnih industrijskih panog, kot so plastika, embalaža, hrana in pijača, HVAC, polprevodniki, obnovljivi in konvencionalni viri energije, nafta in plin, transport, tiskarstvo, laboratorij, peči, razsvetljava, medicina in nadzor gibanja.
SSR se pogosto uporabljajo namesto elektromagnetnih relejev (EMR), ker nimajo gibljivih delov in imajo dolgo življenjsko dobo. Prav tako niso izpostavljeni eroziji kontaktov in električnim motnjam zaradi električnega obloka na kontaktnih površinah.
Ker so SSR na voljo v več konfiguracijah, ki podpirajo različne vrste obremenitev, morajo projektanti razumeti, kako izbrati SSR-je, da ustrezajo predvideni uporabi. To še posebej velja za industrijske aplikacije, kot so krmiljenje motorjev, črpalk in ventilatorjev z njihovimi induktivnimi obremenitvami, ki zahtevajo drugačno vrsto releja, kot aplikacije za ogrevanje in razsvetljavo, ki predstavljajo uporovne obremenitve.
V tem članku je na kratko opisano, zakaj so SSR-ji dobra izbira za industrijsko in tovarniško avtomatizacijo. Nato v članku opišemo njihovo uporabo, značilnosti in način izbire za določeno aplikacijo z uporabo primerov naprav, ki jih je pripravil Carlo Gavazzi [1].
Zakaj uporabljati SSR-je?
Industrijski in tovarniški sistemi za avtomatizacijo zahtevajo stikalne naprave, ki jih odlikujejo nizka cena, zanesljivost, hitri časi delovanja brez preskakovanja stika ali obloka, minimalne elektromagnetne motnje (EMI), majhna občutljivost na težka okolja ter visoka odpornost na mehanske udarce in vibracije. SSR uporabljajo polprevodniška vezja za zamenjavo mehanskih stikal in kontaktov relejev pri preklapljanju, kar jim omogoča izpolnjevanje teh zahtev. Ker so SSR popolnoma zaprti, so odporni tudi na udarce, vibracije, vlago, agresivne kemikalije in prah. Zato imajo naprave dolgo življenjsko dobo in visoko zanesljivost.
Izbira SSR za vašo aplikacijo zahteva razumevanje nadzorovane obremenitve in bistvenih značilnosti SSR, da se potrebe aplikacije uskladijo s specifikacijami releja.
Specifikacije krmiljenja in obremenitve SSR
SSR je mogoče krmiliti z izmenično ali enosmerno krmilno napetostjo. Pri enosmernem krmiljenju se uporablja nizka napetost, običajno od 4 do 32 voltov. Uporabljajo lahko tudi tokovno zanko od 4 do 20 miliamperov (mA) ali analogni vhod od 1 do 10 voltov DC (VDC). Pri krmiljenju z izmeničnim tokom se uporabljajo napetosti od 24 do 275 voltov izmenične napetosti (VAC).
Obremenitve SSR so lahko izmenične ali enosmerne. Na voljo so SSR z največjo napetostjo izmenične obremenitve do 690 VAC in nazivno vrednostjo izmeničnega toka 125 A. Za enosmerni tok je na voljo 500 VDC in 100 A SSR.
Vrste električnih bremen
Električna bremena razvrščamo glede na njihove prevladujoče električne lastnosti. Motorji, ventilatorji in črpalke se uvrščajo med induktivne obremenitve. Izmenični tok in napetost bremena nista v fazi, pri čemer tok zaostaja za napetostjo. Induktivna bremena se upirajo spremembam obremenitvenega toka z ustvarjanjem nasprotnega napetostnega potenciala, imenovanega povratna elektromotorična sila (EMF). SSR, ki se uporabljajo z induktivnimi bremeni, morajo biti sposobni prenesti te napetosti.
Naprave, kot so grelniki, pečice, električni štedilniki, sušilniki in svetilke, so primeri uporovnih bremen. Izmenična napetost in tok v uporovnih bremenih sta v fazi.
Kapacitivna bremena se upirajo spremembam napetosti na bremenu. Izmenični tok in napetost pri kapacitivnem bremenu sta zunaj faze, pri čemer tok prehiteva napetost. Večina stikalnih napajalnikov in nekatere medicinske naprave, kot so defibrilatorji, predstavljajo kapacitivno obremenitev. Ko na kapacitivno breme prvič priključimo napetost, ima zelo majhno impedanco, kar povzroči velik zagonski tok.
Značilnosti vsake vrste bremena določajo vrsto SSR, ki je potreben za njegovo krmiljenje.
Vrste SSR-jev
Obstaja pet najpogosteje uporabljenih vrst SSR (slika 1): Ničelno preklapljanje ali preklop pri prehodu preko ničelne napetosti, takojšnje ali naključno preklapljanje, enosmerno preklapljanje, preklapljanje pri najvišji napetosti in faznem kotu ali analogno preklapljanje.
Tipi SSR temeljijo na tem, kdaj naprava preklopi glede na fazo omrežne napetosti. SSR s preklopom v ničli je izmenični rele, ki preklopi breme pri prvem prehodu omrežne napetosti skozi nič po uporabi krmilnega signala. Čas preklopa SSR je največ polovica periode omrežne frekvence, torej pri omrežni frekvenci 60 Hz znaša 8,3 milisekunde (ms). SSR s preklopom v ničli se uporabljajo predvsem pri uporovnih bremenih, da se omejijo visoki udarni tokovi v času preklopa. Ker je omrežna napetost ob priključitvi bremena enaka nič, je tudi tok v uporovnem bremenu enak nič. Ta vrsta releja je primerna tudi za večino induktivnih in kapacitivnih bremen.
SSR z naključnim preklopom ali takojšnjim vklopom, ki je tudi izmenični rele, ob dovodu krmilne napetosti takoj dovede energijo v breme. Vklopi se pri kateri koli fazi omrežne napetosti. Tipična odzivna zakasnitev je manj kot 1 ms. Releji z naključnim preklopom se uporabljajo pri induktivnih bremenih.
SSR z enosmernim preklopom je namenjen za enosmerne uporovne in induktivne aplikacije. Tako kot naključni preklopni rele priključi breme takoj ob uporabi krmilnega signala. Odzivni čas je krajši od 100 mikrosekund (µs).
SSR s preklapljanjem vrha preklopi pri naslednjem vrhu omrežne napetosti po dovajanju krmilne napetosti. Ti releji se uporabljajo za večje induktivne obremenitve, kot so transformatorji.
SSR s faznim kotom ali analognim preklopom odčitava napetost analognega krmilnega signala. Obdobje prevodnosti relejevega izhoda spreminja sorazmerno z amplitudo krmilne napetosti. Ta vrsta SSR se uporablja v sistemih z zaprto zanko in aplikacijah, kjer se za omejevanje zagonskih tokov uporablja mehki zagon.
Druge vrste SSR, različice opisanih, se redkeje uporabljajo za posebne potrebe uporabe.
Število polov
SSR so enosmerne naprave, ki lahko vklopijo ali izklopijo eno stikalo (pol). Število polov se nanaša na število omrežnih napetosti, ki jih lahko nadzoruje. Za enofazno izmenično napetost ali enosmerno napetost je potreben enopolni SSR. Enofazni 220-voltni vod potrebuje dva pola, po enega za vsakega od 110-voltnih komponentnih virov. Za trifazne aplikacije je potreben tripolni rele.
Releji so razvrščeni kot enojni enopolni (SPST), enojni dvopolni (DPST) ali enojni tripolni (3PST).
Načrtovanje s SSR-ji
Funkcionalni blok diagrami SSR-jev se razlikujejo glede na to, ali so namenjeni za izmenično ali enosmerno napetost. SSR za bipolarne aplikacije za izmenično napetost, kot je RK2A60D50P [2] DPST rele s preklopom pri ničli Carla Gavazzija (slika 2), uporabljajo kot krmilne naprave tiristorje.
RK2A60D50P je primeren za izhodno napetost 660 voltov in izhodni tok do 50 amperov (A). Drugi SSR-ji iz te družine lahko prenašajo izhodne tokove do 75 A. Zahteva krmilno napetost od 4 do 32 VDC. Kot vsi SSR-ji uporablja optosklopnik, ki zagotavlja električno izolacijo med virom krmilne napetosti in linijo 4000 voltov RMS (VRMS). Ta rele ima skupni krmilni vhod za oba izhoda; druge različice v družini izdelkov imajo ločene krmilne vhode za vsak izhod. Pojav krmilne napetosti sproži detektor prehoda skozi nič, ki sproži antiparalelne tiristorje pri ničelnem prehodu linije za oba pola.
Pri enosmernih aplikacijah, ki so unipolarne, se kot primarna stikalna naprava uporabljajo tranzistorji. To je prikazano v funkcionalni blok shemi SSR Carlo Gavazzi RM1D060D50 [3] SPST DC (slika 3).
Ta naprava omogoča izhodne napetosti od 1 do 60 VDC in izhodne tokove 50 A. Ta serija SSR ima releje, ki lahko prenesejo 500 VDC in tokove 100 A. Ker je linija unipolarna enosmerna, se kot primarno stikalo uporablja MOSFET. Rezultat tega je rele z odzivnim časom vklopa in izklopa, ki je manjši od 100 µs. Ta rele lahko deluje s hitrostjo preklopa 1000 Hz in uporablja enosmerno krmilno napetost od 4 do 32 VDC. Druge naprave iz te družine izdelkov ponujajo izmenične krmilne napetosti do 280 V. Krmilna napetost je prav tako optično ločena od linije z 3750 VRMS izolativno napetostjo.
Galvansko ločitev med krmilnim vodom in bremenom je mogoče doseči tudi z uporabo transformatorske sklopitve. Ta vrsta izolacije, prikazana na blok diagramu naprave Carlo Gavazzi RP1D060D8 [4] (slika 4), uporablja moduliran RF vir, povezan prek RF transformatorja, ki zagotavlja galvansko izolacijo med vhodom in izhodom.
Ta SSR s preklopom na enosmerno napetost ima zmogljivost 350 VDC in 8 A. Uporablja enosmerno krmilno napetost v območju od 4,25 do 32 VDC. Nameščen je v 4-SIP ohišju s štirimi priključki, razporejenimi v razmaku 0,1 palca (in). Od drugih navedenih SSR se razlikuje po tem, da je manjši in uporablja transformatorski sklop za izolacijo vhoda od izhoda. Njegova izolacijska specifikacija je 4000 VRMS, odzivni čas preklopa pa <100 µs pri zapiranju in <250 µs pri odpiranju.
Območje delovne temperature
SSR preklapljajo napetosti do 660 voltov in tokove do 100 A ter lahko ustvarjajo veliko toplote. Energija se razprši pri preklopu, ko tok skozi rele in napetost na njem nista enaka nič. To toploto je treba odvesti z releja s pomočjo hladilnih teles. Temperatura okolice vpliva na največji nazivni tok SSR in jo je treba znižati, če je povišana. Običajno lahko SSR delujejo brez hladilnega telesa pri izhodnih tokovih 5 A ali manj. Če je rele nameščen na kovinsko površino, se ta omejitev poveča na 8 A. Carlo Gavazzi ponuja hladilna telesa, prilagojena določenim modelom SSR, ki zagotavljajo optimalno delovanje v vsakem toplotnem okolju.
Vrste ohišij
SSR so na voljo v različnih oblikah ohišij (slika 5), ki ustrezajo predvideni uporabi. Večina vrst montaže zahteva, da je rele pritrjen na površino, ki odvaja toploto, ali na hladilno telo, da se nadzoruje temperatura naprave.
Carlo Gavazzi RZ3A60D55 5 je izmenični SSR s preklopom pri ničli, 3PST, z izhodno napetostjo 660 V in 55 A, ki ga krmili vhodni signal od 4 do 32 VDC. Uporablja modularni sistem montaže ohišja, pri čemer so vse tri stikalne naprave nameščene na skupni osnovni plošči. Osnovna plošča je s toplotno podlogo ali hladilno maso pritrjena na površino, ki odvaja toploto.
Hokejski plošček SSR je tako poimenovan zaradi svoje debele oblike in goste konstrukcije. Zaradi trdne strukture je to ohišje bolj odporno na udarce in vibracije, kar povečuje zanesljivost v zahtevnih industrijskih okoljih. Prej opisani RM1D060D50, prikazan na sliki 5 (drugi z leve), je primer SSR, ki uporablja ohišje v obliki hokejskega ploščka.
Modul sistema v ohišju (SIP) je ohišje za celoten elektronski podsistem, vgrajeno na ploščo s tiskanim vezjem. DC SSR RP1D060D8, o katerem smo že govorili in ki je prikazan na sliki 5 (tretji z leve), je vgrajen v 4-SIP ohišje (s štirimi priključki). Ta SSR nadzoruje izhodni tok 8 A ali manj in ga je mogoče vgraditi na ploščo, ne da bi potreboval hladilno telo.
DIN tirnice so kovinske tirnice, ki se uporabljajo v ohišju za namestitev električnih naprav, kot so odklopniki, napajalniki in SSR. Carlo Gavazzi RGS1A60D50KKE [6] je izmenični SSR s SPST in preklopom pri ničli, ki se uporablja za montažo na DIN tirnico in je prikazan skrajno desno na sliki 5. Na izhodu lahko preklaplja 660 V in 50 A. Uporablja enosmerno krmilno napetost z razponom od 4 do 32 VDC. Modul DIN je širok le 17,5 milimetra (mm) za kompaktno namestitev. Medtem ko montažna letev zagotavlja nekaj hlajenja, so na voljo hladilna telesa, ki so združljiva z DIN letvijo.
Zaključek
Brez gibljivih delov in brez erozije kontaktov ali električnih motenj zaradi električnega obloka na kontaktnih površinah so SSR zanesljivi za industrijsko in tovarniško avtomatizacijo. Izbiro ustrezne naprave lahko poenostavite, če se zanesete na dobavitelja, kot je Carlo Gavazzi, ki ponuja široko paleto SSR izdelkov. Z nekaj razumevanja delovanja SSR, njihovih lastnosti in uporabe so lahko projektanti bolj samozavestni pri iskanju pravega releja, ki ustreza zahtevam zasnove.
Viri:
1: https://www.digikey.com/en/supplier-centers/carlo-gavazzi
2: https://www.digikey.com/en/products/detail/carlo-gavazzi-inc/RK2A60D50P/9520822
3: https://www.digikey.com/en/products/detail/carlo-gavazzi-inc/RM1D060D50/13277979
4: https://www.digikey.com/en/products/detail/carlo-gavazzi-inc/RP1D060D8/9520372
5: https://www.digikey.com/en/products/detail/carlo-gavazzi-inc/RZ3A60D55/7696523
6: https://www.digikey.com/en/products/detail/carlo-gavazzi-inc/RGS1A60D50KKE/15635449
