Bruk halvlederreleer (solid state relays – SSR-er) i fabrikkautomatisering for høy pålitelighet, rask veksling og lav EMI

For å unngå kostbar nedetid, blir avansert diagnostikk og forebyggende vedlikehold i økende grad brukt i fabrikkautomatisering på tvers av bransjer som mat- og drikkevareproduksjon, automatisert montering og andre kontinuerlige behandlingssystemer, så vel som klimaanlegg (HVAC), vannrensing og strømproduksjonsmaskiner. Pålitelige releer for veksling er avgjørende for disse automatiserte industriprosessene. De må være i stand til å bytte raskt, operere kontinuerlig under utfordrende forhold med minimal kontaktslitasje, og ikke forårsake elektromagnetisk interferens (EMI) som kan påvirke trådløse sensorer og kontroller.

Halvlederreleer (solid state relays – SSR-er) oppfyller vekslingskravene til fabrikkautomatisering ved hjelp av innovativ teknologi som forbedrer pålitelighet og holdbarhet for å sikre jevn ytelse selv i tøffe omgivelser.

Denne artikkelen gir en kort innføring i vekslingskravene til fabrikkautomatisering. Den introduserer deretter SSR-er fra Littelfuse og viser hvordan de kan brukes for å oppfylle kravene.

Definere og oppfylle vekslingskravene ved fabrikkautomatisering

Vekslingsbehovene for fabrikkautomatisering inkluderer pålitelighet til lav pris, raske aktiveringstider uten kontaktspretting eller lysbuedannelse, minimal EMI som kan påvirke nærliggende kretser eller de trådløse sensorene og nettverkene som i økende grad brukes i fabrikker, og høy toleranse for mekanisk støt og vibrasjon.

SSR-er bruker halvlederenheter for å utføre vekslingsoperasjonen for å oppfylle disse kravene. De kan aktiveres av enten vekselstrøm (AC) eller likestrøm (DC) med forskjellige modeller for hver type eksitering (figur 1).

Figur 1: Disse funksjonsblokkskjemaer av SSR-er viser de kritiske komponentene for både DC (topp) og AC (bunn) aktiverte modeller. (Bildekilde: Littelfuse Inc.)

Likestrømsaktiverte (DC-aktiverte) SSR-er (topp) regulerer den påførte spenningen. Vekselstrømsaktiverte (AC-aktiverte) SSR-er (bunn) bruker en helbølget brolikeretter for å konvertere det spennende signalet til DC. Begge typer SSR-er isolerer aktiveringssignalet optisk fra utgangen. Det aktive elementet i disse SSR-ene er et par silisiumstyrte likerettere (SCR-er). Disse SSR-ene inkluderer overspenningsbeskyttelse i form av en transientspenningsdempende (TVS) diode koblet mellom portene til SCR-ene for å beskytte SSR-en og forhindre uventede tilstandsendringer i nærvær av elektriske transienter på nettverket.

Vekslingsresponsen utnytter de raske vekslingstidene til halvlederenhetene og styres av utløserkretsen. Bryteren kan være ved nullgjennomganger av utgangsspenningen etter påføring av aktiveringssignalet eller tilfeldig (øyeblikkelig) med aktiveringssignalet (figur 2).

Figur 2: Vekslingskarakteristikken velges for å samsvare med den tiltenkte anvendelsen av halvlederrelé (SSR). (Bildekilde: Littelfuse Inc.)

Innkoblingen med nullgjennomgang brukes til utrustninger med høy strøm, for eksempel industrielle varmeovner, der den minimerer innkoplingsstrømstøt. Øyeblikkelig innkobling brukes der veksling må skje med høy frekvens. Øyeblikkelig veksling gir høyest mulig vekslingsfrekvens.

Eksempler på SSR-er

Littelfuse Inc. har utviklet SRP1-familien SSR-er med høy holdbarhet for å imøtekomme behovet for mer pålitelige og mer langvarige strømbryterreleer i elektonikkutristninger for industrielle og kommersielle maskiner. Den tilbys i to modellserier: SRP1-CB med høy utholdenhet bare SSR, og SRP1-CR med høy utholdenhet alt-i-ett SSR med berøringssikker og overspenningsbeskyttelse (figur 3, venstre og midten).

Figur 3: Vist er SRP1-CB bare SSR (venstre), SRP1-CR Touch-Safe SSR (midten), og de alternative hurtigkoblingsterminalene til SRP1-CB...F (høyre). (Bildekilde: Littelfuse Inc.)

Littelfuse har konstruert proprietære halvledere for å minimere komponentnedbrytning på grunn av varme og levere optimal ytelse under tøffe forhold. Begge modellene tilbyr enheter med vekselstrøm (AC)- eller likestrøm (DC)-aktivering og utgangsstrøm på 10 A, 25 A og 50 A i et av to utgangsspenningsområder, 24 V_AC til 240 V_AC eller 48 V_AC til 600 V_AC. Modellene skiller seg ved at SRP1-CR inkluderer integrerte beskyttelses- og installasjonsfunksjoner, inkludert et IP20-fingersikkert deksel, TVS-diodeoverspenningsvern og en forhåndstilkoblet kjøleplate. SRP1-CB...F-versjonen (figur 3, høyre) har også hurtigkoblingsterminaler.

Releene er enpolede (SPST) enheter kablet i serie med utgangsbelastningen (figur 4).

Figur 4: SRP1 SSR-er er koblet i serie med utgangsbelastningen; inngangen drives av enten et vekselstrøm (AC)- eller likestrøm (DC)-aktiveringssignal, avhengig av modellen. (Bildekilde: Littelfuse Inc.)

Halvlederreleer (SSR-er) krever en kjøleribbe for å fungere ved de angitte rangeringene. Begge Littelfuse-modellene bruker den nyeste direkte bindingsteknologien for å sikre maksimal pålitelighet og produktlevetid. SRP1-CR-releene inkluderer en innebygd kjøleplate for effektiv varmeavledning som ikke trenger en kjølepasta, noe som gir en ren og enkel installasjon. Termiske reduksjonsplott (figur 5) viser den maksimale utgangsstrømmen som kan støttes for ulike omgivelsestemperaturer og kjøleribber med ulike termiske motstander.

Figur 5: Vist her er reduksjonskurver for SRP1-CR-serien SSR-er for ulike omgivelsestemperaturer og kjøleribber. (Bildekilde: Littelfuse Inc.)

Termisk motstand er spesifisert i ˚C per watt (°C/W). En kjøleribbe vurdert til 10 °C/W vil få 10 °C varmere enn den omgivende luften for hver 1 W varme den avgir. Kjøleribber med lavere termisk motstand er mer effektive enn kjøleribber med høyere termisk motstand, og dermed kjøler de bedre.

SRP1 SSR-er er sertifisert for å overholde ulike standarder for helse, sikkerhet, miljø, elektromagnetisk kompatibilitet og elektrostatisk immunitet, inkludert UL, CAN/CSA, IEC, CISPR, RoHS og REACH. De er godt tilpasset utrustninger for oppvarming og bevegelsesstyring i industriell automasjon. De fungerer også godt i mat- og drikkevareindustrien, styrer/regulerer industrielle ovner, emballasjeutstyr og transportbåndssystemer / transportørsystemer. Oppvarmings-, ventilasjons- og klimaanleggsystemer bruker disse releene for luftbehandlere og kompressorer, i likhet med storskala belysningssystemer. Alle disse utrustningene krever overlegen ytelse og ultrahøy pålitelighet, og SRP1-serien har alternativer for å møte ulike krav til strøm, spenning, responstid og veksling.

SRP1-CBAZL-050NW-N er for eksempel en SSR-klassifisert på 50 A med en 24 V_AC til 240 V_AC -utgang. Den aksepterer en inngangsspenning på 90 V_AC til 280 V_AC og veksler/bryter ved nullgjennomgang av utgangsspenningen. Den tilbyr en maksimal motstand i tilstand på 6,3 milliohm (mΩ), noe som vil resultere i bare et fall på 0,3 V over releet ved maksimal strøm. Det nominelle maksimale spenningsfallet er 1,3 V. releet slås på på mindre enn 20 millisekunder (ms), inkludert ventetiden for nullgjennomgangen, og slås av på mindre enn 30 ms.

DeSRP1-CBDZL-010NF-N er et eksempel på et likestrømsaktivert (DC-aktivert) SSR. Den har en utgangsstrøm på 10 A med et utgangsspenningsområde på 24 V_AC til 240 V_AC. Inngangsspenningsområdet er 4 V_DC til 32 V_DC . Den veksler også ved nullgjennomgang av utgangsspenningen, og har den samme maksimale motstanden på 6,3 mΩ. Den skiller seg fra standard SRP1-CB-releer ved at den har hurtigkoblingsterminaler. Dens innkoblingstid er lik halvparten av syklusen til utgangsbølgeformen.

DeSRP1-CRARH-025TC-N er en Touch-Safe-versjon av SRP1-serien har nominell utgangsstrøm på 25 A. Denne modellen aktiveres med en inngangsspenning på 90 V_AC til 280 V_AC. Den skiller seg fra de andre modellene fordi den har en øyeblikkelig vekslingsrespons og bruker et høyt utgangsspenningsområde på 48 V_AC til 600 V_AC. releets innkoblingstid er mindre enn 20 millisekunder (ms), og dens utkoblingstid er mindre enn 30 ms.

Den raskeste responstiden oppnås ved å bruke et relé med en DC-inngang og en øyeblikkelig vekslingsrespons. Et eksempel er SRP1-CRDRL-010TC-N. Dette halvlederrelet (SSR-et) har en utgangsstrøm på 10 A med et utgangsspenningsområde på 24 V_AC til 240 V_AC. Inngangsspenningsområdet er 4 V_DC til 32 V_DC . Dens innkoblingstid er 20 mikrosekunder (µs), og dens utkoblingstid er mindre enn halvparten av syklusen til utgangsbølgeformen, noe som gjør den til blant de raskeste relésyklustidene.

Konklusjon

For å oppfylle kravene til vekslingsytelse, pålitelighet og internasjonale standarder for fabrikkautomatisering, kan designere stole på SRP1-serien halvlederreleer (SSR-er). Denne serien bruker fremskritt innen halvlederteknologi for å oppnå lang levetid, høy vekslingshastighet og minimal EMI på tvers av et bredt spekter av utgangsstrømmer og inngangsstyringsalternativer.