Przekaźniki półprzewodnikowe w automatyce przemysłowej

W automatyce przemysłowej takich branż jak produkcja żywności i napojów, zautomatyzowany montaż i inne systemy przetwórstwa ciągłego, jak również w klimatyzacji i wentylacji (HVAC), oczyszczaniu wody i wytwarzaniu energii, coraz częściej stosuje się zaawansowaną diagnostykę i konserwację predykcyjną w celu zapobieżenia drogim przestojom. Niezawodne przekaźniki przełączające odgrywają kluczową rolę w tych zautomatyzowanych procesach przemysłowych. Wymaga się od nich szybkości przełączania, ciągłej pracy w trudnych warunkach, minimalnego zużycia styków oraz braku zakłóceń elektromagnetycznych (EMI), które mogłyby wpływać na sterowanie i czujniki bezprzewodowe.

Przekaźniki półprzewodnikowe (SSR) zaspokajają potrzeby w dziedzinie przełączania w automatyce przemysłowej, dzięki zastosowaniu innowacyjnej technologii, która zwiększa niezawodność i trwałość, zapewniając powtarzalność działania nawet w trudnych warunkach środowiskowych. W artykule omówiono pokrótce wymagania automatyki przemysłowej w dziedzinie przełączania. Następnie przedstawiono przykładowe przekaźniki półprzewodnikowe (SSR) firmy Littelfuse i pokazano sposób ich stosowania umożliwiający spełnienie tych wymagań.

Definiowanie i spełnianie wymogów automatyki przemysłowej w dziedzinie przełączania

Potrzeby automatyki przemysłowej w dziedzinie przełączania obejmują niezawodność przy niskich kosztach, krótkie czasy uruchamiania bez wyładowań łukowych i odbijania styków, minimalne zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) mogące wpływać na pobliskie obwody, czujniki bezprzewodowe lub coraz częściej używane w fabrykach sieci, a także wysoką tolerancję na drgania i wstrząsy mechaniczne.

Aby spełnić te wymogi, przekaźniki SSR do realizacji operacji przełączania wykorzystują urządzenia półprzewodnikowe. Mogą one być uruchamiane napięciami prądu zmiennego lub stałego i dostępne są w odpowiednich modelach dla poszczególnych typów wzbudzenia (ilustracja 1).

Ilustracja 1: Funkcjonalne schematy blokowe przekaźników półprzewodnikowych (SSR) ukazują krytyczne komponenty modeli uruchamianych prądem stałym (DC, u góry) i prądem zmiennym (AC, u dołu). (Źródło ilustracji: Littelfuse Inc.)

Przekaźniki półprzewodnikowe uruchamiane prądem stałym (DC, u góry) dokonują regulacji przykładanego napięcia. Przekaźniki półprzewodnikowe uruchamiane prądem zmiennym (AC, u dołu) wykorzystują mostek prostownikowy pełnofalowy do przekształcenia sygnału wzbudzającego na prąd stały. W obydwu typach przekaźników półprzewodnikowych zastosowano optyczną izolację sygnału uruchamiającego od wyjścia. Elementem aktywnych omawianych przekaźników SSR jest para krzemowych prostowników sterowanych (SCR). Omawiane przekaźniki półprzewodnikowe zawierają zabezpieczenie nadnapięciowe w postaci diodowych ograniczników przepięciowych (TVS) podłączonych pomiędzy bramkami krzemowych prostowników sterowanych (SCR) w celu zabezpieczenia przekaźników i zapobieżenia nieoczekiwanym zmianom stanu w przypadku wystąpienia elektrycznych stanów nieustalonych w sieci.

Zaletą są krótkie czasy przełączania charakterystyczne dla urządzeń półprzewodnikowych sterowanych obwodem wyzwalającym. Przełączanie może odbywać się w momencie przejścia napięcia wyjściowego przez zero po podaniu sygnału uruchamiającego, lub w momencie losowym (natychmiast) podania sygnału uruchamiającego (ilustracja 2).

Ilustracja 2: Charakterystyka przełączania jest dobierana odpowiednio do docelowego zastosowania przekaźnika półprzewodnikowego. (Źródło ilustracji: Littelfuse Inc.)

Włączanie w momencie przejścia przez zero jest wykorzystywane w zastosowaniach wysokoprądowych, na przykład w nagrzewnicach przemysłowych, gdzie pozwala zminimalizować początkowe prądy rozruchowe. Włączanie natychmiastowe jest używane tam, gdzie przełączanie odbywa się przy wysokich częstotliwościach. Przełączanie natychmiastowe pozwala uzyskać najwyższe możliwe częstotliwości przełączania.

Przykładowe przekaźniki półprzewodnikowe (SSR)

Wychodząc naprzeciw zapotrzebowaniu na bardziej niezawodne i trwalsze przekaźniki przełączania mocy w zastosowaniach przemysłowych oraz maszynach komercyjnych, firma Littelfuse Inc. zaprojektowała grupę SRP1 wysokowytrzymałych przekaźników półprzewodnikowych. Oferowane są dwie linie modeli: wysokowytrzymałe nieosłonięte przekaźniki półprzewodnikowe SRP1-CB oraz wysokowytrzymałe kompletne przekaźniki półprzewodnikowe SRP1-CR bezpieczne w dotyku z zabezpieczeniem nadnapięciowym (Ilustracja 3, po lewej i w środku).

Firma Littelfuse zaprojektowała zastrzeżone półprzewodniki minimalizujące pogorszenie parametrów spowodowane ciepłem oraz zapewniające optymalne parametry działania w trudnych warunkach środowiskowych. Obydwie linie modeli oferują urządzenia uruchamiane prądem zmiennym lub stałym i wyjściowe prądy znamionowe 10A, 25A oraz 50A w jednym z dwóch zakresów napięć wyjściowych: od 24V~ do 240V~ lub od 48V~ do 600V~. Modele różnią się tym, że SRP1-CR zawiera zintegrowane zabezpieczenia i funkcje instalacyjne, w tym pokrywę IP20 zabezpieczającą przed dotknięciem palcami, zabezpieczenie nadnapięciowe w postaci diody TVS oraz fabrycznie zamontowaną okładzinę termiczną. Wersja SRP1-CB…F (ilustracja 3, po prawej) posiada również zaciski szybkozłączne.

Przekaźniki mają konfigurację jednobiegunową ze stykiem zwierno-rozwiernym (SPST) i są podłączane szeregowo z obciążeniem wyjściowym (ilustracja 4).

Do pracy z parametrami znamionowymi przekaźniki półprzewodnikowe (SSR) wymagają radiatora. Obydwa modele firmy Littelfuse wykorzystują najnowszą technologię bezpośredniego połączenia, która zapewnia maksymalną niezawodność i długi okres użytkowania produktu. Przekaźniki SRP1-CR posiadają wbudowaną okładzinę termiczną zapewniającą skuteczne rozpraszanie ciepła, która nie wymaga stosowania preparatu termicznego i pozwala na łatwą i czystą instalację. Wykresy obniżenia parametrów znamionowych zależnie od temperatury (ilustracja 5) ukazują maksymalny prąd wyjściowy obsługiwany przy różnych temperaturach otoczenia i radiatorach o różnych oporach cieplnych.

Ilustracja 5: Krzywe obniżenia parametrów znamionowych przekaźników półprzewodnikowych z serii SRP1-CR dla różnych temperatur otoczenia i radiatorów. (Źródło ilustracji: Littelfuse Inc.)

Opór cieplny podano w stopniach Celsjusza na wat (°C/W). Temperatura radiatora o znamionowym oporze cieplnym 10°C/W wzrośnie o 10°C w porównaniu do otaczającego powietrza na każdy 1W rozpraszanej mocy. Radiatory o niższym oporze cieplnym działają skuteczniej od radiatorów o wyższym oporze cieplnym, czyli chłodzą lepiej.

Przekaźniki półprzewodnikowe SRP1 posiadają certyfikaty zgodności z różnymi normami bezpieczeństwa, higieny, ochrony środowiska, kompatybilności elektromagnetycznej i odporności elektrostatycznej, włączając w to UL, CAN/CSA, IEC, CISPR, RoHS oraz REACH. Są one dobrze przystosowane do zastosowań w ogrzewaniu, sterowaniu ruchami oraz automatyce przemysłowej. Sprawdzają się również dobrze w przemyśle spożywczym i napojów, w sterowaniu piecami przemysłowymi, urządzeniami pakującymi i systemami przenośników. Omawiane przekaźniki wykorzystywane są w systemach ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji, w centralach wentylacyjnych i sprężarkach, a także dużych systemach oświetleniowych. Wszystkie te zastosowania wymagają znakomitych parametrów działania i ultrawysokiej niezawodności, a seria SRP1 zawiera opcje pozwalające spełnić różne wymagania w dziedzinie przełączania, prądu, napięcia oraz czasu odpowiedzi.

Na przykład przekaźnik półprzewodnikowy (SSR) SRP1-CBAZL-050NW-N charakteryzuje się prądem znamionowym 50A i napięciem wyjściowym od 24V~ do 240V~. Przyjmuje on napięcia wejściowe w zakresie od 90V~ do 280V~ i przełącza przy przejściu napięcia wyjściowego przez zero. Jego rezystancja w stanie włączenia wynosi maksymalnie 6,3mΩ, co przekłada się na spadek napięcia na przekaźniku wynoszący zaledwie 0,3V przy prądzie maksymalnym. Znamionowy maksymalny spadek napięcia wynosi 1,3V. Przekaźnik włącza w czasie krótszym od 20ms, uwzględniając w tym czas oczekiwania na przejście przez zero i wyłącza w czasie krótszym od 30ms.

Przykładem przekaźnika półprzewodnikowego uruchamianego prądem stałym jest urządzenie SRP1-CBDZL-010NF-N. Jego znamionowy prąd wyjściowy wynosi 10A przy zakresie napięć wyjściowych od 24V~ do 240V~. Zakres napięć wejściowych od 4V= do 32 V=. Również przełącza on w momencie przejścia napięcia wyjściowego przez zero i ma taką samą maksymalną rezystancję w stanie włączenia 6,3mΩ. Różni się od standardowych przekaźników SRP1-CB tym, że posiada zaciski szybkozłączne. Jego czas włączania jest równy połowie cyklu przebiegu wyjściowego.

Przekaźnik SRP1-CRARH-025TC-N jest bezpieczną w dotyku wersją urządzeń z serii SRP1 i posiada znamionowy prąd wyjściowy 25A. Model ten jest uruchamiany prądem zmiennym o napięciu wejściowym od 90V~ do 280V~. Różni się od innych modeli odpowiedzią w postaci przełączania natychmiastowego i może pracować w przedziale wysokich napięć wyjściowych od 48V~ do 600V~. Przekaźnik włącza w czasie krótszym od 20ms i wyłącza w czasie krótszym od 30ms.

Najkrótsze czasy odpowiedzi uzyskiwane są przy użyciu przekaźnika z wejściem prądu stałego i przełączania natychmiastowego. Przykładowym przekaźnikiem jest SRP1-CRDRL-010TC-N. Ten przekaźnik SSR znamionowy posiada znamionowy prąd wyjściowy 10A przy zakresie napięć wyjściowych od 24V~ do 240V~. Zakres napięć wejściowych od 4V= do 32 V=. Jego czas włączania wynosi 20µs, a czas wyłączania jest krótszy od połowy cyklu przebiegu wyjściowego, zaliczając się do najkrótszych czasów cykli wśród przekaźników.

Podsumowanie

Aby spełnić wymogi automatyki przemysłowej w dziedzinach parametrów przełączania, niezawodności oraz norm międzynarodowych, projektanci mogą sięgnąć po serię SRP1 przekaźników półprzewodnikowych (SSR). Seria ta wykorzystuje postępy w technologii półprzewodnikowej w celu uzyskania długich czasów użytkowania, wysokich szybkości przełączania oraz minimalnych zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) w szerokim przedziale prądów wyjściowych i opcji sterowania wejściowego.