Menjava napetosti ali toka s polprevodniškimi releji

Revija logo digikey 300x150 - Menjava napetosti ali toka s polprevodniškimi relejiDigi-Key Electronics
Avtor: Rich Miron
2019_273_28

Vse večja je potreba po tem, da nizkonapetostni ali nizko tokovni tokokrogi zamenjajo visokonapetostne in visoko tokovne tokokroge, saj elektronski nadzor prežema potrošniške, komercialne, medicinske in industrijske aplikacije. Medtem ko imajo elektromehanski releji (EMR) svoje mesto, so polprevodniški releji (SSR) zaradi svoje majhnosti, nižjih stroškov, visoke hitrosti, nizkega električnega in zvočnega hrupa ter zanesljivosti pogosto bolj zaželeni.

Za pravilno namestitev SSR relejev morajo oblikovalci razumetivse vidike njihovega fizičnega in električnega delovanja in značilnosti. Nato lahko previdno izberejo ustrezen SSR za vhod, izhod, breme in termično stanje aplikacije, da zagotovijo uspešno oblikovanje.

Osnove SSR

SSR-ji imajo več drugih imen, odvisno od izdelovalca ali dobavitelja. Na primer, podjetje Omron jih imenuje MOS FET releji, Toshiba pa foto releji (Tabela 1).

Ne glede na uporabljeno nomenklaturo je načelo delovanja enako in gre za podaljšek dobro znanega in pogosto uporabljanega optičnega sklopnika (imenovanega tudi optični izolator). V najpreprostejši obliki je na vhodni strani LED, na izhodni pa fototranzistor, ki ju ločuje milimetrska optična pot (Slika 1). Svetlobno občutljiv SCR ali TRIAC se lahko uporablja namesto fototranzistorja, odvisno od ravni napetosti in toka.

Ko je LED oskrbovan z električno energijo, fotoni, ki jih proizvaja, napajajo fototranzistor, ki se nato preklopi v prevodno stanje in toku omogoča, da teče do bremena. To imenujemo stanje »vklopa«. Ko je LED izklopljen, je tudi fototranzistor izklopljen ali neprevoden, izgleda pa kot dober (vendar ne popoln) odprt tokokrog.

Galvanska izolacija med LED in fototranzistorjem običajno znaša več tisoč voltov zaradi ločenosti med LED in fototranzistorjem ter optično transparentno prevodno pregrado. Treba je vedeti, da je izolacija parameter razdelitve napetosti in ni enaka vhodni ali izhodni odpornosti, ki znaša 1000 do 1 milijon megaohmov (pogosto splošno imenovana »neskončna« odpornost). Čas preklopa med vklopljenim in izklopljenim stanjem je običajno nekaj mikrosekund.
Vendar pa je popoln SSR več kot le LED in fototranzistor ali svetlobno občutljiv SCR/TRIAC. Zahteva tudi dodatno vezje in funkcije na obeh straneh, vhodni LED in izhodni svetlobno občutljivi (Slika 2).

SSR-ji so relativno preproste naprave, pri samem modelu pa obstajajo pomisleki v povezavi z vhodom in magnitudo ter vrsto izoliranega bremena, pa tudi posebnih okoliščin, ki jih moramo upoštevati pri uporabi.

Pri izbiranju SSR-ja mora oblikovalec poznati raven vhodnega signala in vrsto (izmenični ali enosmerni električni tok) ter značilnosti bremena, vključno z največjim tokom, največjo napetostjo in vrsto (spet izmenični ali enosmerni električni tok). SSR-je lahko poganja od le nekaj voltov do nekaj deset ali celo višje napetosti, čeprav so vedno bolj pogoste nižje vhodne napetosti, ki so zaradi varnostni in učinkovitosti tudi skladnejše s sodobno elektroniko.

Če je vhodni signal enosmerni električni tok, lahko vhodni LED SSR-ja krmilimo neposredno. Pri izmeničnem električnem toku mora oblikovalec pred SSR dodati mostični usmernik. Možno je tudi, da je na voljo drugače identični SSR z mostičkom, vgrajenim v enoto. Možnost za notranji popravek je pogosto pametna odločitev, saj omogoča, da se izognete manjšim težavam z razporeditvijo, prav tako pa omogoča podrobno določeno vhodno in izhodno učinkovitost delovanja. Tipična vhodna občutljivost za SSR obsega približno 6 milivatov (mW).

Izhodna stran SSR-ja je bolj zapletena od vhodne, odvisno od narave bremena. Če je izhodni del SSR-ja le tranzistor, FET ali enojni SCR, lahko vodi le v eno smer. Zato se lahko uporablja le z bremeni z enosmernim električnim tokom, primeri katerih vključujejo grelnike, ki se napajajo zunaj linije. Za bremena z izmeničnim električnim tokom se uporablja povezava s komponento TRIAC ali SCR. Prodajalci običajno ponujajo podobne SSR-je z izhodnim enosmernim ali izmeničnim tokom. Na splošno se lahko SSR-ji z izhodnim izmeničnim tokom uporabljajo tudi za enosmerni električni tok. Izhodna moč obsega širok razpon od nekaj voltov ali amperov do več deset ali sto voltov ali amperov.

Možnosti SSR: kontakti NO/NC in multipol
Standardni SRR ima ureditev z enojnim normalno odprtim (NO) izhodom. Vendar pa je mnogo aplikacij, ki potrebujejo nasprotno, normalno sklenjeno (NC) konfiguracijo, pri kateri se izhodna stopnja odpre, ko vhodna dobi energijo. Nekateri modeli istočasno potrebujejo obe dejanji, NO in NC, ali celo kombinacijo enega NO, enega NC in morda nekaj drugih kontaktnih polov.

Da bi izpolnili potrebo po več polih ter kontaktih NO in NC, lahko uporabniki dodajo prilagojeno izhodno vezje, vendar ima ta pristop vsaj štiri težave. Prvič, pogosto gre za visokonapetostni in/ali visoko tokovni scenarij, zato ima model več neizogibnih izzivov. Drugič, izpolnjevati mora različne predpisane varnostne standarde in biti odobren z njihove strani. Tretjič, gre za še eno stvar, ki jo je treba narediti na projektu. Četrtič, preverjanje posledične učinkovitosti delovanja je zahtevna naloga.

Druga možnost je, da uporabniki prek majhnega vezja spremenijo vhodni signal, tako da je SSR z NO zaprt brez signala in odprt, ko je signal prisoten. Vendar to pripelje do morebitnih varnostnih težav s stanjem SSR-jevega izhoda, ko moč vhodne strani odpove, saj izhod releja preide v »prvotno« stanje NO. Spomnimo, da so viri vhodne in izhodne moči SSR-ja po definiciji izolacije neodvisni. Zato oblikovalec morda ne more zagotoviti poznanega izhodnega varnostnega načina.

V situacijah, ko je potreben več kot en pol, se lahko več SSR-jev krmili zaporedoma ali vzporedno. To je izvedljiva rešitev, ki pa potrebuje skrben premislek o zahtevanem toku in napetosti pogona ter posledicah okvare naprave v zaporedni ali vzporedni topologiji. Uporaba več SSR-jev prav tako prispeva h kosovnici BOM in zavzame več prostora.

Prodajalci so zaradi prepoznavanja potreb po NO/NC in več polih v releje SSR dodali dodatna vezja in s tem zagotovili drugačne izhodne razporeditve s celotnim preskusom in certifikatom. Veliko teh SSR-jev je na voljo v družinah s podobnimi specifikacijami, z izjemo posebnosti izhodne konfiguracije, ki poenostavi njihovo izbiro in uporabo.

Na primer, IXYS Integrated Circuits Division (oddelek za integrirana vezja družbe IXYS) ponuja tri SSR-je z skoraj povsem enako učinkovitostjo delovanja in vhodno/izhodno izolacijo 3.750 Vrms, vendar z različnimi izhodnimi strukturami:

  • Struktura LAA110 vsebuje dva enopolna, NO (1 vrsta A) releja, vsak deluje z močjo 350 voltov/120 mA (izmenični ali enosmerni tok), in je na voljo v 8-pin DIL ohišjih, tehnologijo SMT in ploskim pakiranjem (Slika 3).
  • Struktura LCC110 ima en kontaktni par NO/NC (1 vrsta C), ki ga poganja en vhod z enako močjo in ohišje kot strukturo LAA110 (Slika 4).
  • Struktura LBA110 zajema dva neodvisna releja: enopolni, normalno odprti (1 vrsta A) in enopolni, normalno staknjen (1 vrsta B) rele, spet z enako skupno močjo in ohišjem (Slika 5).

Podoben sklop možnosti je na voljo za večino družin SSR z večjo močjo. Mamljivo je, da bi preprosto vzporedno povezali več izhodov SSR in tako dosegli zahtevano moč, če trenutno moč enega SSR-ja z nižjim tokom ni ustrezna. Na splošno pa to iz več razlogov ni dobra inženirska praksa.

Prvič, tudi SSR-ji z enako nominalno močjo niso popolnoma skladni. Tako bi lahko en SSR na koncu upravljal z več toka kot drugi, kar bi preseglo njegove tokovne in termalne meje in povzročilo prezgodnje prenehanje delovanja. Drugič, če eden od mnogih SSR-jev iz kakršnega koli razloga preneha delovati, drugi prevzamejo odvečni tok in nato prenehajo delovati v nizu slapa. To so razlogi, zakaj je bolje izbrati en SSR s primerno izhodno močjo.

Zaščita in meje SSR-jev
Čeprav so SSR-ji precej zanesljivi, obstajajo situacije, ko potrebujejo nekaj dodatne zaščite. Za SSR-je, ki preklapljajo uporovna (neindukcijska) bremena z izmeničnim tokom, kot so grelniki žarnic z žarilno nitko, je nujno poudariti, da sinhroni SSR izhod preklopi na vklop/izklop le pri prehodih linije čez nič, neodvisno od časovnega okvirja vhodnega nadzornega signala (Slika 6).

Preklapljanje pri samo prehodih čez nič bo zmanjšalo ali izločilo linijo in šum radijskih valov, kar izhaja iz začetka ali konca valovne oblike izhoda izmeničnega toka v srednjem ciklu. Vendar morajo biti oblikovalci pozorni na to, da SSR-ji s prehodi čez nič morda ne morejo izvršiti izklopa z visoko uporovnimi bremeni. Prodajalci SSR-jev to upoštevajo in zato prav tako ponujajo tako imenovane SSR-je z naključnim preklapljanjem, ki vklop/izklop izvršijo v trenutku kot odziv na vhodni prenos. Oblikovalec mora ponovno razumeti breme in iz kataloga prodajalca izbrati primeren SSR.

Prav tako je treba pri uporabi SSR-ja upoštevati termalno situacijo zaradi notranjih izgub. Tudi, ko je vhod vklopljen, je na elementu majhen, vendar kritičen padec, kot bi bil na primer na releju MOSFET pri poganjanju motorja. Posledično vročino mora SSR zmanjšati. Zato prodajalci ponujajo SSR-je z lastnostmi, ki določajo dovoljeno obratovalno temperaturo pri največjem bremenu, skupaj s krivuljo termalne redukcije. Termalno okolje SSR-ja se lahko oblikuje s standardnimi orodji. Večji SSR-ji z višjo proizvedeno vročino, morda potrebujejo več zahtevnih ureditev za izmenjavo toplote, manjši pa pogosto uporabljajo standardne toplotne izmenjevalnike z integriranim vezjem (IC).

SSR-ji za večja bremena z večjimi zahtevami za zmanjšanjem toplote imajo prav tako vedno večje fizične konfiguracije. SSR-ji so na voljo v ohišjih od SOIC-6 za manjša bremena do večjih modulov za večja bremena ter v ohišjih, ki so lahko vgrajeni v ploščo, tirnice ali prosto stoječi.

Na primer, SSR LH1510 podjetja Vishay, vezje z enopolnim stikalom SPST-NO (1 oblika A), deluje z močjo 200 voltov pri 200 mA in je v ohišju v standardnem 6-pin SMD ohišju ali DILohišju (Slika 7). Lahko se uporablja z bremeni za izmenični ali enosmerni tok (Slika 8). Kljub majhni velikosti ta SSR nudi visoko neprekinjeno vrednost izolacije 5300 VRMS in visoko prehodno vrednost izolacije 8000 VRMS.

Nasprotno serija EL240A SSR-jev z izmeničnim tokom, vgrajenih v ploščo, podjetja Crydom/Sensata Technologies podpira izhodne moči 5 A, 10 A, 20 A in 30 A pri 24 do 280 voltov izmeničnega toka in z možnostmi za vhodni kontrolni signal s 5, 12, in 24 voltov enosmernega toka. Za to količino moči so SSR-ji na voljo v večjih modulih z merami 36,6 x 21,1 x 14,3 milimetre (mm) s terminali za hitro spajanje (Slika 9). Opozoriti je treba, da celotna fizična velikost ne nakazuje na izolacijo, saj je večji modul deklariran za izolacijo 3.750 Vms, kar je nekoliko manj kot veliko manjši 6-pinski Vishay.

Breme serije EL240A je lahko povezano na kateri koli izhod, kar zagotavlja prilagodljivost modela (Slika 10). Večja velikost teh modulov prodajalcu omogoča, da doda indikator LED (kot je prikazano v Slikau 10) za hitrejšo vizualno oceno stanja vhoda SSR-ja.

Poglejte tudi izven SSR-ja
Kot pri večini naprav, povezanih z močjo, so težave tudi izven najvišje možne moči, napetosti, tokokroga in termalnega zmanjšanja. Fizično vezje, zbiralke ali sledi plošč s tiskanim vezjem SSR-ja morajo biti prav tako takšnih velikosti, da lahko nosijo obremenitev brez prevelikega IR padca. Podobno velja za povezave s SSR-jem prek ločenih žic, vtičnic ali spajkanja plošč s tiskanim vezjem, ki morajo biti primernih velikosti in moči.

Tudi pri nizkotokovnih ravneh lahko SSR preklaplja višje napetosti. V taki situaciji skrb vzbuja varnost uporabnika, vključno z najmanjšo določeno razdaljo in plazilno razdaljo glede na napetost (Slika 11). Takšne zahteve med drugim določajo standardi IEC/UL 60950-1, IEC 60601-1, EN 60664-1:2007 in VDE 0110-1.

Razdaljaje definirana kot najkrajša pot med dvema prevodnima deloma ali med prevodnim delom in površino opreme, izmerjena po zraku. Plazilna razdalja je najkrajša pot med dvema prevodnima deloma ali med prevodnim delom in površino opreme, izmerjena po površini izolacije med njima. Skladnost z zahtevami za ta dva parametra pomaga zagotavljati, da ne prihaja do prebojnih vžigov ali izpostavljenosti uporabnika visokim napetostim.

Medtem ko je lahko SSR deklariran na zagotavljanje več tisoč voltov izolacije, je pomembno upoštevanje ohranjanja zahtevane razdalje za vse povezave s SSR-jem, da se lahko uporabljene napetosti certificirajo.

SSR-ji morda potrebujejo tudi zunanjo zaščito. Vsak SSR z bremenom izmeničnega toka lahko utrpi zvišanje visoke napetosti, ko so njegova ali bližnja uporovna bremena izklopljena, kar lahko pripelje do poškodbe izhodne strukture SSR-ja. Najpogostejša rešitev je namestitev enega ali več zaščitnih elementov, kot sta kovinsko oksidni varistor (MOV) ali prehodni dušilnik napetosti (TVS), na terminale bremena SSR-ja kot varnostne prijemalke (Slika 12).

Velikost teh naprav zahteva analizo magnitude v = L (di/dt) bremena. Če je moč napetosti varistorja MOV previsoka, SSR-ja ne bo zaščitil pred nižjimi povišanji, kar lahko še vedno pripelje do poškodb; nasprotno bo pri prenizki napetosti pogosto »sprožen«, MOV-ji pa se pri ponavljajočih se povišanjih napetosti obrabijo.

Prav tako bo preklapljanje uporovnega bremena na vklop/izklop s SSR-jem z izmeničnim tokom in komponento TRIAC ali tiristorskim izhodom povzročilo prehod napetosti dv/dt, kar lahko pripelje do nepravilnega vklopa SSR-ja. Čeprav ta napačen vžig SSR-ju ne povzroči škode, kot mu jo povišanje napetosti di/dt, gre še vedno za težavo. Da bi to napako preprečili, je dodano razbremenilno vezje RC, ki zaduši nenadno zvišanje napetosti, ki ga izkusi TRIAC (Slika 13).

Situacija za SSR-je z enosmernim tokom je podobna, vendar nekoliko enostavnejša. Če je breme uporovno, lahko zvišanje toka, ki ga povzroči, ko je izklopljeno, poškoduje zdaj odprt izhod SSR. Standardna rešitev je povezati diode s katodami na pozitivnem terminalu in tako zagotoviti pot okoli SSR-ja, da se lahko tok pretaka in zmanjša.

Zaključek
Polprevodniški releji so izredno uporabne in močne komponente za vklop/izklop bremen z izmeničnim in enosmernim tokom, zagotavljajo pa tudi električno izolacijo med nadzorom in bremenom. So sami po sebi zanesljivi in enostavni za namestitev, vendar morajo oblikovalci previdno oceniti vhod, izhod, breme in termično situacijo ter izbrali primeren SSR in ga namestiti, da zanesljivo izmerijo njihove zmožnosti učinkovitosti delovanja.

www.digikey.com
Tags: