Alacsony zajú, speciális szilárdtest relék alkalmazása az EMI-kibocsátás csökkentésére és a kritikus szabványoknak való megfelelésre

A három évtizeddel ezelőtti megjelenésük óta a szilárdtest relék (SSR, solid state relay) teljesen kiszorították az elektromágneses reléket (EMR) azokból az alkalmazásokból, ahol ultramegbízható, ívmentes és alacsony energiafogyasztású működésre van szükség. Az SSR-relék további előnyei közé tartozik a zajmentes működés, és a digitális vezérlő áramkörökkel való kompatibilitás.

Az igényes otthoni, kereskedelmi és orvosi alkalmazásokban azonban – különösen ott, ahol igazodni kell a nemzetközi elektromágneses összeférhetőségről (EMC) szóló rendeletekhez, például az IEC 60947-4-3 szabványhoz – a reléket gondosan meg kell választani annak biztosítására, hogy a relé által okozott elektromágneses interferencia (EMI) minimalizálva legyen. Egyes termékeknél feszültségcsúcsok lehetnek jelen, és ez veszélyeztetheti az EMC-előírások be nem tartását.

Ez a cikk az SSR-relék előnyeit és hátrányait ismerteti, valamint azokat az alkalmazásokat, ahol azok a legelőnyösebben használhatók. A cikk ezután megvizsgálja a relé azon főbb részeit, amelyek zavaró kibocsátást okozhatnak, majd ezt követően bemutat egy alacsony zajszintű SSR-relésorozatot a Sensata Technologies-tól, amelyeket a tervezők az elektromágneses interferenciára érzékeny kereskedelmi, otthoni és orvosi alkalmazásokhoz használhatnak.

Az elektromágneses (EMR) és a szilárdtest (SSR) relék összehasonlítása

Mivel zárt állapotban egy kapcsoló a teljes áramterhelésnek ki van téve, ezért erősáramú áramköröknek kapcsolókkal történő be- és kikapcsolgatása nem praktikus. A kapcsoló működése közben veszélyes ívek keletkeznek, és jellemző rájuk a túlmelegedés is. A megoldás az, hogy az erősáramú áramkör vezérlésére egy hagyományos kapcsolóval be-ki kapcsolgatott gyengeáramú áramkört kell használni.

Egy ilyen kialakítás előnyei közé sorolhatók a költség- és helycsökkentés, az erősáramú áramköröknél szükséges nagyobb keresztmetszetű vezetékek hosszának csökkenése miatt. Ez annak tudható be, hogy a relé elhelyezhető a terhelés közelében, és vékonyabb vezetékekkel lehet csatlakozni a gyengeáramú kapcsolóhoz, amely általában a felhasználó számára egy jól megközelíthető helyen van. A gyengeáramú áramkör ezenkívül galvanikusan elválasztható az erősáramú áramkörtől. Reléket használnak többek között például elektromos sütőknél, háztartási gépeknél és orvosi berendezéseknél.

A hagyományos elektromágneses relék (EMR) egy tekercset tartalmaznak. Ez a tekercs számára egy gyengeáramú áramkör biztosítja a gerjesztőáramot, és a létrejövő mágneses térnek köszönhetően a (normál esetben nyitott, NO) érintkezők zárt állapotba kerülnek. Az EMR-relék a maximális névleges értéküknek megfelelő váltakozó vagy egyenáramú terhelés kapcsolására képesek. A zárt érintkezők ellenállása a terhelés növekedésével csökken, ez csökkenti az energiaveszteséget és szükségtelenné teszi hűtőbordák használatát (1. ábra).

1. ábra Az elektromágneses relé akkor kapcsolja rá a váltakozó áramú tápellátást a terhelésre, ha a gyengeáramú áramkör kapcsolója zárt állapotba kerül, ekkor a tekercs gerjesztőáramot kap, és ennek következtében zárja az érintkezőket. (Kép: DigiKey)

Az elektromágneses relék legfőbb előnye az olcsóságuk és az, hogy garantált galvanikus elválasztást biztosítanak bármely rávezetett feszültségig, amely névleges átütési szilárdságuk alatt van. Ez az elválasztás különösen akkor fontos, ha az erősáramú áramkörnek teljesen ki- vagy bekapcsolt állapotban kell lennie anélkül, hogy fennállna a szivárgási áramok miatti áramütés veszélye. Jó döntés EMR-reléket használni akkor is, ha a váltóáramú tápegység várhatóan jelentős áram- vagy feszültségimpulzusokat generál.

Az elektormágneses relék legfontosabb hátrányai az általuk okozható elektromágneses interferencia (EMI), és hogy idővel elhasználódnak. Mivel a kontaktusok nyitásakor és zárásakor ívképződés léphet fel, a relé jelentős elektromágneses interferencia forrása lehet. A zavaró jelek erőssége általában alacsony, és a jól megtervezett EMR-relék árnyékolást is tartalmaznak az esetleges kibocsátások csökkentése érdekében, de mégis körültekintően kell eljárni az EMI-re érzékeny berendezések közelében történő használatuk esetén.

Mivel az elektromágneses relék mechanikus eszközök, idővel még a legjobban megtervezett és legyártott termékek is elhasználódnak. A legtöbb esetben először a tekercs mondja fel a szolgálatot, de a normál állapotban nyitott (NO) érintkezők miatt az eszköz teljesen üzembiztos állapotban marad, így a gyengeáramú áramkörök elszigeteltek maradnak az erősáramú áramköröktől. Mindettől függetlenül, a modern EMR-relék igen megbízhatóak, és gyakran előfordul, hogy a relével működtett berendezések romlanak előbb el.

Az SSR-relék igazán akkor kezdtek teret hódítani, amikor az erősáramú rendszerek kapcsolgatására használt vezérlő áramkörök a digitális elektronikára tértek át. Ahogy a nevük is mondja, az SSR-relék félvezető technológiás eszközök, és mint ilyenek, jól vezérelhetők mikrovezérlő-alapú digitális áramkörökkel, különösen a nagy kapcsolási sebességű alkalmazásoknál.

Az SSR-relék orvosolják mechanikus EMR rokonaik legfontosabb hátrányait. Mivel nem tartalmaznak mozgó alkatrészeket, nem is kopnak el. Ezek az eszközök élettartama általában több tízmillió kapcsolási ciklusban mérhető, de ha egyszer meghibásodnak, akkor általában a „bekapcsolt” helyzetben maradnak, és erre biztonsági szempontból ügyelni kell. Az SSR-relék nyitása vagy zárásakor villamos ív nem keletkezik, ami nemcsak hogy alkalmassá teszi őket veszélyes környezetekben való használatra, hanem kiküszöböli az EMR-reléknél jelentkező elektromágneses interferencia nagy részét. Emellett csendesek, széles bemeneti feszültségtartományban működnek, és nagy feszültségeken is csupán kevés energiát fogyasztanak. Az EMR-relékről az SSR-relékre való áttérés felgyorsult, mivel az utóbbi ára folyamatosan csökken.

Az SSR-relék legfontosabb hátrányai félvezető jellegükből adódnak. Például jelentős az ellenállásuk „bekapcsolt” állapotban, ami többtíz wattos energiaveszteséget jelent, és magával vonja az ezzel járó hőtermelődést is. Ezen termikus problémák általában olyan nagyok, hogy a tervezőknek egy jókora hűtőbordával is támogatniuk kell az áramkör működését, ami növeli a megoldás méretét és súlyát. Az SSR-relékre a környezeti hő is hatással van, ezért ha magas hőmérsékleten használják őket nem a névleges jellemzőkkel, hanem csökkentett értékekkel kell számolni. Az áramkör belső ellenállása feszültségesést is okozhat, ami egy tápfeszültség-változásokra érzékeny terhelés számára problémás lehet. „Kikapcsolt” állapotban az SSR-relék rendelkeznek némi szivárgási árammal. Nagy feszültségeken ez nemkívánatos lehet, vagy akár biztonsági problémát is jelenthet. Ezenkívül sok SSR-relé megfelelő működéséhez valamekkora minimális terhelést is biztosítani kell.

Az SSR-relék működése alapfokon

Az SSR-relék legfontosabb része a kimeneti kapcsoló. Váltóáramú kimeneti relé esetén a kimenetet egy triak vagy egymással fordított irányban párhuzamosan kapcsolt (back-to-back) tirisztorok vezérelhetik. A tirisztoros megoldás legfontosabb előnye, hogy feszültségváltozásra gyorsan reagál (nagy dv/dt), különösen, amikor a relé kikapcsol.

Például egy tiakkal vezérelt kimentű SSR kikapcsolásakor a dv/dt érték igen lomha, akár 5-10 V/ms is lehet. A lomha dv/dt jellemző gondot jelenthet, mert ha a di/dt áramcsökkenés (és/vagy az újrakapcsolt dv/dt feszültségnövekedés) túl lassú, akkor a triak vezető állapotba kerülhet a váltóáramú tápegység áram- vagy feszültségjelének a nullaponton való átlépésekor. Ilyen esetben a kimenet destabilizálódik, és az EMI fokozódhat.

Ezzel szemben, a tirisztorok dv/dt értéke körülbelül 500 V/µs, és nem vezetnek a nullapont átlépését követően. A tirisztoros SSR-relék másik előnye a jobb hőelvezetés, mivel az alkatrészek szélesebb területen vannak elosztva, nem csupán egyetlen triakon. A cikk további részében a back-to-back kapcsolású tirisztoros kimeneti fokozatú SSR-relékkel foglalkozunk.

Egy tirisztorokra épülő egyszerű SSR-relé a 2. ábrán látható. A váltóáramú kimenetű SSR-reléket általában a villamos hálózati vonalról táplálják. Ha a (bemeneti áramkör által vezérelt) S1 kapcsoló zárva van, az SCR1 és SCR2 tirisztorok gate kivezetései azonos potenciálra kerülnek, és a váltóáramú tápegységből jövő áram az R1 vagy az R2 ellenálláson keresztül a kettő tirisztor közül a nyitóirányban előfeszített gate elektródájára áramlik. Ezzel a tirisztor bekapcsol, a relé vezető állapotba kerül, és áramot ad a terhelésnek. A váltakozó tápfeszültség félperiódusaiban a tirisztorok felváltva kapcsolnak, és így biztosítják a terhelés számára az áramot. Amikor az S1 kapcsoló kikapcsolt állapotba kerül, az éppen bekapcsolt állapotban lévő tirisztor addig marad vezető állapotban, amíg a váltóáram értéke nullára nem csökken, amikor is a tirisztor kikapcsolódik. Ekkor a másik tirisztor gate elektródája már nem kap áramot, a relé bontja az áramkört, és a terhelés áramellátása megszűnik.

2. ábra Egymással fordított irányban párhuzamosan kapcsolt tirisztorokra épülő egyszerű relé kapcsolási rajza. Az S1 kapcsolót a gyengeáramú bemeneti áramkör alkotja. (Kép: Sensata-Crydom)

A mai SSR-reléknél a gyengeáramú és az erősáramú áramkörök egymástól való galvanikus elválasztása általában optoelektronikai csatolással van megoldva. A tervező számára két fő lehetőség áll rendelkezésre: egy LED/optotranzisztor alapú optocsatoló vagy pedig egy LED-et és optotriakot kombináló eszköz használata. Egy optotranzisztor kisebb vezérlőáramot igényel, helytakarékosabb, és több lehetőséget ad a tervezőnek a vezérlő áramkör jellemzőinek konfigurálására, míg a triakos megoldás legfontosabb előnye, hogy olcsóbb. A 3. ábrán egy optotriakkal vezérelt relé kapcsolási rajza látható.

3. ábra Ennél az SSR-relénél a gyenge- és erősáramú áramkörök elválasztása egy optotriakos optocsatolóval van megoldva. (Kép: Sensata-Crydom)

(Az SSR-relék megválasztásával kapcsolatos további információkért lásd a DigiKey „Áram vagy feszültség biztonságos és effektív kapcsolása SSR-relék használatával” című műszaki cikkét.)

SSR-relék használata alacsony elektromágneses interferenciás környezetekben

Az elektromágneses interferenciára érzékeny alkalmazásoknál jó választás a tirisztorral kapcsolt kimenetű SSR-relék használata, mivel ezeknek az eszközöknek a zajkibocsátása eredendően alacsony. A különösen érzékeny alkalmazásokhoz, például olyanokhoz, amelyeknél meg kell felelni az IEC 60947-4-3 szabvány kapcsolóeszközökre vonatkozó előírásainak, ultra-alacsony zajú komponenseket kell választani. Ilyen esetekben jó választás olyan SSR-relék használata, amelyek csak akkor kapcsolnak be, amikor a váltakozó feszültség átlépi a nullapontot – a bemenet bekapcsolódásának időpontjától függetlenül.

Az ilyen úgynevezett nullátmenet kapcsolók kiküszöbölik a bekapcsolási túláram és a feszültségcsúcsok keletkezését, amelyek az erősáramú áramkörök bekapcsolásakor keletkezhetnek, mikor a váltakozó kimeneti áram a ciklus közepén van. Ezzel együtt az elektromágneses interferencia előfordulásának gyakorisága is csökken. A tervezőknek figyelembe kell venniük, hogy bár a nullátmenetes tirisztorok rezisztív terhelések (például fűtőelemek) vezérlésére különösen alkalmasak, erősen induktív terheléseknél nem jól teljesítenek. Az ilyen rendszerek esetében jobb választás az azonnal kapcsoló (random-switching) SSR-relék használata, amelyek a bemenet bekapcsolásakor azonnal kapcsolnak, nem várják meg, hogy a váltakozó tápfeszültség nullpontra érjen.

A Sensata-Crydom márkanéven SSR-reléket kínáló Sensata Technologies nemrég három új termékkel bővítette az LN sorozatú váltóáramú kimenetű, alacsony zajú SSR-reléik családját. Az LND4425 típusjelű relé 25 A kimeneti áramot képes adni, az LND4450 esetében ez 50 A, az LND4475-nél pedig 75 A. Az eszközök stabil működéséhez 100 mA_rms szükséges, „hoki pakk” tokozásban érhetők el, és tömegük körülbelül 75 gramm (4. ábra). Mindhárom megoldás 48-528 V-os váltóáramú kimenettel rendelkezik, és 4,8-32 V DC vezérlőfeszültségről működik. A bemenet és a kimenet is védett a túlfeszültséggel szemben, és átütési szilárdságuk 3500 V_rms.

4. ábra A Sensata-Crydom LND44xx SSR-reléi 75 A/528 V kimeneti teljesítményre képesek, egy mindössze 75 g tömegű kompakt megoldásban. (Kép: Sensata-Crydom)

Az LN sorozatot minimális elektromágneses interferenciát kibocsátó működésre tervezték. A feszültségváltozásra történő lomha reagálás (alacsony dv/dt) miatt esetleg jelentkező EMI kiküszöbölésére optocsatolót használnak, egy optotriakkal a bemeneten, és back-to-back kapcsolású tirisztorokkal a kimenet kapcsolásához. Az egymással fordított irányban párhuzamosan kapcsolt tirisztorok dv/dt értéke 500 V/µs. A termékek egy saját fejlesztésű szabadalmaztatott kioldó áramkört is tartalmaznak, amely lehetővé teszi rezisztív terhelések kapcsolgatását is minimális EMI-vel. Az LN sorozatú SSR-relék kapcsolási rajza az 5. ábrán látható.

5. ábra A Sensata-Crydom LN sorozatú SSR-relék többek között egy szabadalmaztatott kioldó áramkört és egymással fordított irányban párhuzamosan kapcsolt tirisztorokat tartalmaznak, hogy elektromágneses zavaró hatásuk minimális legyen. (Kép: Sensata-Crydom)

Ezen EMI-csillapítási tulajdonságaiknak köszönhetően az IEC 60947-4-3 szabványban meghatározott „B környezethez” tartozó besorolásúak, kisfeszültségű háztartási, kereskedelmi és könnyűipari helyeken történő alkalmazáshoz (6. ábra).

6. ábra A Sensata-Crydom LND4450 SSR-reléknél elvégzett RF-emissziós teszt grafikonja. Az IEC 60947-4-3 szerinti „B környezetnek” való megfelelés határértékét a folytonos narancssárga vonal mutatja. (Kép: Sensata-Crydom)

Az LN sorozat különösen alkalmas például a nagykonyhai elektromos sütők fűtőelemeivel vagy hasonló elrendezésekben történő használatra (7. ábra).

7. ábra A nagykonyhai elektromos sütőkben használt reléknek meg kell felelniük az IEC 60947-4-3 szabvány szerinti „B környezetre” vonatkozó előírásoknak. Ezen az ábrán a relék helyeit számok jelölik. Az „1”-es jelzés azt jelenti, hogy ezeken a helyeken az LND44xx SSR-relék előnyösen használhatók. (Kép: Sensata-Crydom)

Összegzés

Egy egyszerű és bevált megoldás reléket használni erősáramú áramköröknek gyengeáramú áramkörökkel történő kapcsolgatásához. Elektromágneses reléket akkor jó használni, ha olcsó megoldásra van szükség, de ezek kevésbé alkalmasak nagyfrekvenciás kapcsolgatáshoz és az elektromágneses interferenciára (EMI-re) érzékeny területeken való használathoz. Az SSR-relék drágábbak, de stabil és elhasználódás-mentes működést kínálnak, és digitális elektronika általi vezérlésre különösen alkalmasak. Az SSR-reléket választó tervezőknek azonban tisztában kell lenniük azzal, hogy a hasonló jellegű alkalmazásoknál használt EMR-relékhez képest az SSR-relék használata fokozott hőtermeléssel jár.

Habár az elektromágneses zavaró hatás (EMI) mindegyik SSR típusnál alacsonyabb, mint bármely EMR típusé, egyes terveknél mégis kihívást jelent az EMC szabályozási követelményeknek, például az IEC60947-4-3 szabvány szerinti „B környezethez” tartozásnak való megfelelés. Amint azt bemutattuk, erre megoldást jelent a back-to-back kapcsolású tirisztoros kimeneti fokozattal rendelkező SSR-relék használata. Ezek nullátmenetes kapcsolást tesznek lehetővé, amely rendkívül alacsony RF-kibocsátással jár, megkönnyítve ezzel az előírásoknak való megfelelést.