Szilárdtestrelék használata a gyárautomatizálásában a nagy megbízhatóság, a gyors kapcsolás és a kis elektromágneses zavarás eléréséhez

A költséges állásidők elkerülése érdekében a fejlett diagnosztikát és a megelőző karbantartást egyre gyakrabban használják a gyárautomatizálásban olyan iparágakban, mint az élelmiszer- és italgyártás, az automatizált összeszerelés és más folyamatos feldolgozást végző rendszerek, valamint a fűtő-, szellőztető- és légkondicionáló (HVAC) rendszerek, a víztisztítás és az energiatermelő gépek területén. A kapcsolásokat végző megbízható relék kritikus fontosságúak ezekben az automatizált ipari folyamatokban. Képeseknek kell lenniük a gyors kapcsolásra, folyamatosan kell működniük kihívást jelentő körülmények között, minimális érintkezési kopás mellett, és nem szabad olyan elektromágneses zavarást (EMI) okozniuk, amely hatással lehet a vezeték nélküli érzékelőkre és vezérlőegységekre.

A félvezetős relék vagy más néven szilárdtestrelék (SSR, solid-state relay) megfelelnek a gyárautomatizálás kapcsolási követelményeinek, olyan újdonságnak számító technikát használva, amely növeli a megbízhatóságot és a tartósságot, így még zord környezetben is egyenletes teljesítményt nyújt.

Ez a cikk röviden tárgyalja a gyárautomatizálás kapcsolási követelményeit. Ezután bemutat néhány félvezetős relét a Littelfuse választékából, és megmutatja, hogyan lehet ezeket az említett követelmények teljesítésére felhasználni.

A gyárautomatizálás kapcsolási követelményeinek meghatározása és teljesítése

A gyárautomatizálás kapcsolási igényei közé tartozik a megbízhatóság kis költséggel történő elérése, a rövid műveletvégzési idő az érintkező remegése és ívképződés nélkül, a közeli áramkörökre és a gyárakban egyre gyakrabban használt vezeték nélküli érzékelőkre és hálózatokra kifejtett elektromágneses zavarás minimálisra csökkentése, valamint a mechanikai ütések és rezgések nagyfokú tűrése.

A szilárdtestrelék félvezetőeszközöket használnak a kapcsolási műveletek elvégzésére, hogy megfeleljenek ezeknek a követelményeknek. Működtethetők egyen- és váltakozó feszültséggel is, és mindkét működtetőfeszültség-típushoz külön relétípusok állnak rendelkezésre (1. ábra).

1. ábra: A szilárdtestrelék működését szemléltető blokkvázlatok a kritikus alkatrészeket mutatják az egyenfeszültséggel (felül), illetve a váltakozó feszültséggel (alul) működő típusok esetében (ábra: Littelfuse Inc.)

Az egyenáramú szilárdtestrelék (fent) szabályozzák a rájuk adott feszültséget. A váltakozó áramú szilárdtestrelék (alul) teljes hullámú hidas egyenirányítót használnak a működtetőfeszültség egyenfeszültséggé alakítására. Mindkét típusú szilárdtestrelé optikailag leválasztja a működtetőjelet a kimenetről. Ezeknek a szilárdtestreléknek az aktív eleme egy vezérelt szilícium egyenirányító (SCR, silicon controlled rectifier) (más néven tirisztor) páros. Ezek a szilárdtestrelék túlfeszültség-védelmet is tartalmaznak a két vezérelt szilícium egyenirányító kapuelektródája közé kapcsolt feszültséglökés-elnyomó (TVS) dióda (vagy röviden elnyomódióda) formájában, amely védi a szilárdtestrelét, és megakadályozza a váratlan állapotváltozásokat, ha feszültséglökések lépnek fel a hálózatban.

A kapcsolási reakció a félvezetőeszközök rövid kapcsolási idejét használja ki, és a kapcsolást az indítóáramkör vezérli. A kapcsolás (nyitás, turn-on) történhet a működtetőjel ráadása után a kimenőfeszültség nullpontátmeneténél (zero cross turn-on), vagy véletlenszerűen (azonnal) (random turn-on) a működtetőjel ráadásakor (relay input turned on) (2. ábra).

2. ábra: A kapcsolási karakterisztikát a szilárdtestrelé tervezett használati módjának megfelelően kell kiválasztani (ábra: Littelfuse Inc.)

A nullpontátmenetes nyitást nagy áramerősségű berendezésekben, például ipari fűtőberendezésekben használják, ahol ez a megoldás minimálisra csökkenti a bekapcsolási túláramokat. Az azonnali nyitást ott használják, ahol a kapcsolásnak nagyfrekvencián kell történnie. Az azonnali nyitás eredményezi a lehető legnagyobb kapcsolási frekvenciát.

Példák szilárdtestrelékre

Az ipari és kereskedelmi gépekben nagy áramokat kapcsoló megbízhatóbb és hosszabb élettartamú relék iránti igény kielégítésére a Littelfuse Inc. megtervezte az SRP1 termékcsaládba tartozó strapabíró szilárdtestreléket. A termékcsalád két altípusra oszlik: a strapabíró alapkiépítésű SRP1-CB szilárdtestrelékre és a strapabíró, érintés- és túlfeszültség-védelemmel ellátott bővített felszereltségű SRP1-CR szilárdtestrelékre (3. ábra, a bal oldali és a középső).

3. ábra: A képen az alapkiépítésű SRP1-CB szilárdtestrelé (balra), az érintésvédelemmel ellátott SRP1-CR szilárdtestrelé (középen), valamint az SRP1-CB...F szilárdtestrelé alternatív gyorscsatlakozói (jobbra) láthatóak (kép: Littelfuse Inc.)

A Littelfuse saját fejlesztésű félvezetőket tervezett, hogy minimálisra csökkentse a hő okozta alkatrészromlást, és a szilárdtestrelé optimális teljesítményt nyújtson zord körülmények között is. Mindkét alváltozatban vannak egyen- és váltakozó feszültségről működő és 10 A, 25 A, illetve 50 A kimenő áramerősségű egységek két kimenőfeszültség-tartományban, 24 V és 240 V közötti, illetve 48 V és 600 V közötti váltakozó kimenőfeszültséggel (V_AC). Az altípusok abban különböznek egymástól, hogy az SRP1-CR beépített védelmi és telepítési funkciókkal is el van látva, beleértve az IP20-as minősítésű, ujjal érintés ellen védő burkolatot, az elnyomódiódás túlfeszültség-védelmet és egy gyárilag beszerelt hővezető párnát. Az SRP1-CB...F változat (3. ábra, jobbra) gyorscsatlakozókkal is fel van szerelve.

A relék a kimeneti terheléssel sorba kapcsolt egypólusú, egy áramkörös (SPST, single-pole, single-throw) eszközök (4. ábra).

4. ábra: Az SRP1 szilárdtestrelék sorba vannak kötve a kimeneti terheléssel. A bemenetet altípustól függően egyen- vagy váltakozó feszültségű működtetőjel vezérli (kép: Littelfuse Inc.)

A szilárdtestrelékre hűtőbordát kell szerelni ahhoz, hogy a megadott névleges teljesítményen működjenek. A maximális megbízhatóságnak és a termék hosszú élettartamának biztosítása érdekében mindkét Littelfuse-alváltozat a legújabb közvetlen (azaz ragasztóanyag-mentes) kötési technikát használja. Az SRP1-CR relék a hatékony hűtés érdekében tartalmaznak egy beépített hővezető párnát, amelyhez nincs szükség hővezető pasztára, így tiszta és egyszerű beszerelést tesz lehetővé. A hőmérséklet-növekedés esetén bekövetkező teljesítménycsökkenést szemléltető ábrák (5. ábra) a különböző környezeti hőmérsékletek és különböző hőellenállású hűtőbordák esetén használható legnagyobb kimenő áramerősséget mutatják.

5. ábra: Az ábrán az SRP1-CR sorozatú szilárdtestrelék hőmérséklet-növekedés esetén bekövetkező teljesítménycsökkenését mutató jelleggörbék láthatók különböző környezeti hőmérsékletek és hűtőbordák esetén (ábra: Littelfuse Inc.)

A hőellenállást °C/W (Celsius-fok/watt) értékben adják meg. Egy 10 °C/W névleges hőellenállású hűtőborda minden egyes 1 W-nyi leadott hőmennyiség után 10 °C-kal lesz melegebb, mint a környező levegő. A kisebb hőellenállású hűtőbordák hatékonyabbak, mint a nagyobb hőellenállásúak, ezért jobban hűtenek.

Az SRP1 szilárdtestreléknek tanúsításuk van arról, hogy megfelelnek különböző egészségügyi, biztonsági, környezetvédelmi, elektromágneses összeférhetőségi és elektrosztatikus védettségi szabványoknak, köztük az UL, a CAN/CSA, az IEC, a CISPR, a RoHS és a REACH szabványnak. Jól használhatók az ipari automatizálás fűtéshez és mozgásvezérléshez kapcsolódó felhasználási területein. Az élelmiszer- és italiparban is jól működnek, ipari sütőket, csomagolóberendezéseket és szállítórendszereket vezérelve. A fűtő-, szellőző- és légkondicionáló rendszerekben ezeket a reléket használják a légkezelőkhöz és a légsűrítőkhöz, és a nagy méretű világítási rendszerekben is találkozhatunk ezekkel a relékkel. Mindezek a felhasználási területek kiváló teljesítményt és rendkívül nagy megbízhatóságot követelnek meg, és az SRP1 sorozatnak olyan jellemzői vannak, amelyek megfelelnek az áramerősségre, feszültségre, válaszidőre és kapcsolásra vonatkozó különböző követelményeknek.

Az SRP1-CBAZL-050NW-N például egy 50 A névleges áramerősségű szilárdtestrelé 24 V és 240 V közötti váltakozó kimenőfeszültséggel. A bemenetére 90 V és 280 V közötti váltakozó feszültség adható, és a relé a kimenőfeszültség nullpontátmeneténél kapcsol. A legnagyobb nyitóirányú ellenállása 6,3 mΩ (milliohm), ami a legnagyobb áramerősség esetén is mindössze 0,3 V feszültségesést eredményez a relén. A névleges legnagyobb feszültségesés 1,3 V. A relé kevesebb mint 20 ms (ezredmásodperc) alatt nyit ki, beleértve a nullpontátmenetre való várakozási időt is, és kevesebb mint 30 ms alatt zár le.

Az SRP1-CBDZL-010NF-N egy egyenfeszültséggel vezérelt szilárdtestrelé. A kimenő áramerőssége 10 A, a kimenőfeszültség-tartománya 24 V és 240 V váltakozó feszültség között van. A bemenőfeszültség-tartománya 4 V és 32 V közötti egyenfeszültség (V_DC). Ez a relé is a kimenőfeszültség nullpontmeneténél kapcsol, és ugyanúgy 6,3 mΩ a legnagyobb nyitóirányú ellenállása. Abban különbözik a szabványos SRP1-CB szilárdtestreléktől, hogy gyorscsatlakozókkal van felszerelve. Nyitási ideje a kimeneti hullámforma ciklusának felével egyenlő.

Az SRP1-CRARH-025TC-N az SRP1 sorozat érintésbiztos változata, és 25 A a névleges kimenő áramerőssége. Ezt a változatot váltakozó feszültség működteti, 90 V és 280 V közötti bemenőfeszültséggel használható. Eltér a többi változattól, mert azonnali a kapcsolási reakciója, és nagy, 48 V és 600 V váltakozó feszültség közötti a kimenőfeszültség-tartománya. A relé nyitási ideje kevesebb mint 20 ms, zárási ideje pedig kevesebb mint 30 ms.

A leggyorsabb válaszidő egyenfeszültségű bemenetű és azonnali kapcsolási reakciójú relével érhető el. Ilyen például az SRP1-CRDRL-010TC-N típus. Ennek a szilárdtestrelének10 A a kimenő áramerőssége, és 24 V és 240 V váltakozó feszültség közötti a kimenőfeszültség-tartománya. A bemenőfeszültség-tartománya 4 V és 32 V közötti egyenfeszültség. A nyitási ideje 20 µs (mikroszekundum), a zárási ideje pedig kevesebb mint a kimeneti hullámforma ciklusának fele, így a legrövidebb szilárdtestrelé-ciklusidők közé tartozik.

Összegzés

A gyárautomatizálás által támasztott kapcsolási teljesítménynek, megbízhatóságnak és a nemzetközi szabványokban előírt követelményeknek a teljesítéséhez a tervezők használhatják az SRP1 szilárdtestrelé-sorozatot. Ez a sorozat a félvezető-technika fejlődését felhasználva ér el hosszú élettartamot, nagy kapcsolási sebességet és nagyon kismértékű elektromágneses zavarást a kimenő áramerősségek és a bemeneti vezérlési lehetőségek kiterjedt tartományában.