PRZEKAŹNIKI PÓŁPRZEWODNIKOWE SSR

Przekaźniki półprzewodnikowe są elementami, które na rynku pojawiły się stosunkowo niedawno, bo w latach 80-tych. Technologia wytwarzania półprzewodników mocy odnotowała bardzo dynamiczny rozwój w ostatnich 10 latach. Ten dynamiczny rozwój powodowany jest tym, że w coraz większym stopniu w urządzeniach przemysłowych i powszechnego użytku sterowanie realizowane jest na bazie zespołów lub bloków energoelektronicznych.

Do niedawna problem łączenia większych prądów rozwiązywany był poprzez łączenia stykowe za pomocą przekaźników elektromagnetycznych i styczników. Oczywiście w wielu zastosowaniach elementy te nadal są bezkonkurencyjne, jednak potrzeby związane ze sterowaniem i nowymi technologiami powodują nieustanne rozszerzanie się zastosowań dla energoelektroniki w przemyśle. Wystarczy przywołać tu liczby odnoszące się do krajów takich jak USA, Japonia i Niemcy, gdzie ponad 70% energii elektrycznej jest przekształcane, przed przetworzeniem jej na inny rodzaj (ciepło, ruch, światło), przy użyciu układów elektronicznych. Jak wiadomo, wysoka sprawność energetyczna obwodów energoelektronicznych przekształtników wynika ze stosowania do ich budowy półprzewodnikowych przyrządów mocy, tj. elementów dwustanowych. Umożliwiają one sterowanie prądami nawet do kiloamperów oraz blokowanie napięć wynoszących kilka kilowoltów i, co jest istotne, operacje łączenia mogą być realizowane w czasie krótszym niż jedna mikrosekunda.

 

Przekaźnik półprzewodnikowy (ang. Solid State Relay) jest urządzeniem załączającym mocy, składającym się z komponentów elektronicznych. Termin „przekaźnik” (ang. Relay) wskazuje, że urządzenie jest porównywalne do przekaźnika elektromagnetycznego. „Stan stabilny” (ang. Solid State) – oznacza, że przekaźniki te nie zawierają żadnych elementów ruchomych w obwodzie załączającym obciążenie.

W dalszej części pozwolę sobie na zamienne stosowanie nazwy Przekaźnik Półprzewodnikowy i SSR.

Zadaniem przekaźników półprzewodnikowych jest sterowanie obciążeniem prądowym przy użyciu półprzewodnika mocy sterowanego niewielkim obwodem elektronicznym. Obwód sterujący jest prostym obwodem analogowym, w niektórych przypadkach zespolony z obwodem opartym na sterowniku mikroprocesorowym.

Separacja galwaniczna w tych przekaźnikach realizowana jest w oparciu o sprzężenie optyczne (transoptor lub optotriak) oddzielające obwód wejściowy przekaźnika od obwodu wykonawczego mocy pod względem elektrycznym.

Różnice i analogie w budowie między przekaźnikiem półprzewodnikowym a elektromagnetycznym pokazane są na Rys.1.

 

 

Rys.1. Przekaźnik elektromagnetyczny i przekaźnik półprzewodnikowy.

 

 

Obwód wejściowy zarówno w wykonaniu na napięcie AC, jak i DC działa w ten sam sposób. Jedyna różnica – w przypadku wejść przystosowanych do sterowania sygnałem AC zastosowany jest mostek prostowniczy, a rezystor ograniczający prąd diody jest większej wartości (ze względu na większą wartość skuteczną napięcia sterującego).

Najistotniejszym elementem przekaźnika półprzewodnikowego jest oczywiście złącze półprzewodnikowe. Technologia, a tym samym parametry techniczne (głównie rezystancja termiczna złącze – obudowa) są decydującym parametrem świadczącym o jakości przekaźnika. Najczęściej stosowanymi elementami wykonawczymi są triaki (maksymalnie do 40A) i para tyrystorów.

Technologia wykonania złącza półprzewodnikowego mocy, właśnie ze względu na rezystancję termiczną – jest bardzo istotna.

W najnowszych przekaźnikach końcówka mocy nanoszona jest bezpośrednio na płytkę ceramiczną. Płytka domieszkowana jest miedzią i pokryta nią obustronnie, a następnie sprasowana w wysokiej temperaturze i pod dużym ciśnieniem. Ograniczenie ilości warstw między złączem półprzewodnikowym a radiatora powoduje znaczne obniżenie wartości rezystancji termicznej w stosunku do tradycyjnych rozwiązań.

Innym wymogiem jest bezpieczna izolacja elektryczna między wysokonapięciowym złączem półprzewodnikowym a radiatorem (obudową). Podobnie jak w przypadku izolacji pomiędzy wejściem a wyjściem, tak i tu gwarantuje się izolację nie mniejszą niż 4kV. Wspomniana wyżej płytka ceramiczna musi spełnić bardzo rygorystyczne wymagania dotyczące materiału. Współczynnik jego rozszerzalności musi być możliwie najbliższy współczynnikowi rozszerzalności krzemowego złącza półprzewodnikowego. Dzięki nowoczesnej technologii wykonania końcówki mocy, miedź i powierzchnia substratu ceramicznego łączą się bezpośrednio. Połączenie jest tak silne, że miedź ma prawie taki sam współczynnik rozszerzalności jak materiał ceramiczny (Al₂ O₃). Redukuje to w sposób istotny stres termiczny wewnątrz przekaźnika.

 

SSR oferuje dużo szersze możliwości, jeśli chodzi o rodzaj sterowania obciążeniem niż tradycyjne układy łącznikowe takie jak przekaźniki elektromagnetyczne czy styczniki. Stosując przekaźniki półprzewodnikowe mamy możliwość znacznego zwiększenia częstotliwości operacji łączeniowych, możliwość wyboru momentu załączenia obciążenia w okresie przebiegu napięciowego (włączając moment przejścia napięcia przez wartość zero), oraz możliwość wyłączania obciążenia przy zerowym prądzie.

Urządzenia te znajdują zastosowanie w różnych gałęziach przemysłu. Służą one do sterowania (załączania / wyłączania) odbiorników rezystancyjnych, indukcyjnych lub pojemnościowych. Wykorzystywane są one m.in. w:

Systemach zabezpieczeń (ciągłości technologii)

Systemach pożarowych i alarmowych

Sprzęcie nawigacyjnym

Systemach kontroli temperatury (klimatyzacja, wentylacja, spawarki, zgrzewarki, procesy i

technologie przemysłowe związane z wytwarzaniem form ze szkła, tworzyw

sztucznych, sterowanie pompami, itd.)

Systemach testujących

Urządzeniach dla trakcji kolejowej tramwajowej i trolejbusowej

Maszynach biurowych

Zasilaczach przemysłowych i UPS-ach

Sprzęcie medycznym

Systemach oświetleniowych (kontrola ruchu ulicznego, sterowanie natężeniem oświetlenia

na fermach hodowlanych)

itd.

Wiele z powyższych zastosowań przekaźników półprzewodnikowych nie posiada alternatywy i wydają się one być elementami „nie do zastąpienia”. Powodem tego są ich zalety: brak mechanicznego elementu łączeniowego, a co z tym związane - duża żywotność (>10⁹ operacji) i bezgłośne działanie, możliwość sterowania dużymi mocami bezpośrednio przez układ mikroprocesorowy, szybkość działania, szeroki zakres zastosowań, odporność na wibracje, szczelność konstrukcji uodparniająca na działanie agresywnego środowiska chemicznego gazów i pyłów.

 

 

 

 

Rys.2. Czas reakcji wyjścia przekaźnika elektromagnetycznego i przekaźnika półprzewodnikowego.

W przekaźnikach półprzewodnikowych nie występuje zjawisko odskoków styków podczas załączania, jak ma to miejsce w przypadku przekaźników elektromagnetycznych.

 

Duża żywotność i niezawodność przekaźników półprzewodnikowych jest ich bezspornym atutem. SSR jest rozwiązaniem dla systemów, w których projektant potrzebuje wykonać operacje łączenia z bardzo dużą częstotliwością (a przynajmniej z taką, która nie pozwala na zastosowanie tradycyjnego łącznika elektromagnetycznego), jak na przykład we wszystkich aplikacjach związanych z kontrolą temperatury, np. przy sterowaniu obiektem z zastosowaniem regulacji PID (impulsowanie). SSR oferuje także wiele możliwości projektantom systemów w zakresie sterownia silnikami.

 

Oczywiście przekaźniki półprzewodnikowe posiadają także wady: spadek napięcia na złączu oraz brak możliwości przełączania niskich sygnałów - takich jak np. sygnały audio.

 

W ofercie firmy PATECH – dystrybutora elementów automatyki firmy Carlo-Gavazzi, w tym również szerokiej gamy przekaźników półprzewodnikowych – możemy znaleźć:

• przekaźniki 1-fazowe, do obwodów drukowanych, na prądy do 6A (AC lub DC)

• przekaźniki przemysłowe, 1-fazowe, do montażu na radiator, prądy do 125AACrms

• przekaźniki przemysłowe, 1-fazowe, do montażu na radiator, prądy do 100AACrms, sterowane liniowym sygnałem prądowym 4...20mA i 0...10VDC

• przekaźniki przemysłowe, do montażu na radiator, prądy do 200ADC

• przekaźniki przemysłowe, 1-fazowe, z radiatorem, prądy do 90AACrms

• przekaźniki przemysłowe, 3-fazowe trójpolowe, do montażu na radiator,

prądy do 3 x 75AACrms.

• przekaźniki przemysłowe, 3-fazowe dwupolowe (i trzypolowe) z radiatorem, prądy do 2 x 32AACrms (3 x 25AACrms).

 

Przekaźniki półprzewodnikowe (z wyjściem AC), ze względu na moment załączania obciążenia dzielą się na dwa podstawowe (ze względu na liczbę zastosowań) typy; Są to przekaźniki załączające „w zerze” napięcia i załączające w dowolnej chwili, czyli zaraz po pojawieniu się sygnału sterującego. Oba typy przekaźników podlegają podziałowi ze względu na rodzaj napięcia sterującego, które jest tu swoistą analogią do napięć sterujących cewek przekaźników elektromagnetycznych i styczników. Istotną różnicą w tym ostatnim podziale jest duża uniwersalność tego wejścia w odniesieniu do zakresu napięć. Dla napięć DC: 3...32V oraz dla napięć AC/DC: 24-265V i 90-265V. We wszystkich aplikacjach przedziały te gwarantują doskonałą współpracę z obwodami wyjściowymi sterowników, regulatorów, płyt interfejsowych komputerów, mierników cyfrowych i innych urządzeń pomiarowo – sterujących. Przekaźniki półprzewodnikowe stanowią idealny interfejs pomiędzy niskonapięciowym obwodem sterującym a wysokonapięciową częścią obwodów wykonawczych. Wysokie napięcie izolacji – ponad 4kV – między wejściem i wyjściem przekaźnika zapewnia systemowi niezbędną ochronę.

 

Rodzaje sterowania - wykresy czasowe obrazujące moment załączania obciążenia w zależności od sygnału sterującego i przebiegu napięcia obciążenia – przedstawiono na Rys.3.

P

 

rzekaźniki załączające „w zerze” napięcia typu RM1A – najczęściej stosowane – są doskonałymi urządzeniami w aplikacjach wymagających dużej częstotliwości łączeniowej. Dzięki korelowaniu momentu załączenia obciążenia z czasokształtem przebiegu napięcia zasilania, pozwalają na ograniczenie negatywnych skutków stanów nieustalonych występujących podczas załączeń odbiorników, minimalizując przeciążenia w sieci.

Sterowanie z zastosowaniem tego typu przekaźników daje możliwość uzyskiwania regulacji wartości średniej mocy na obciążeniu. przekaźnik działa na zasadzie załączania obciążenia przez określoną, całkowitą liczbę okresów napięcia.

Przekaźniki załączające „w zerze” znajdują szerokie zastosowanie w sterowaniu elementami grzejnymi; w maszynach do przetwórstwa tworzyw sztucznych, maszynach pakujących, lutujących (maszyny do lutowania elementów SMD), jak również w maszynach dla przemysłu spożywczego.

P

 

rzekaźnik sterowany analogowym sygnałem liniowym typu RM1E jest właściwie przekaźnikiem załączającym w dowolnej chwili, zintegrowanym ze sterownikiem, umożliwiającym współpracę ze standardowymi sygnałami napięciowymi (0...10VDC) lub prądowymi (4...20mA). Sterowanie takimi przekaźnikami (sterowanie fazowe) daje możliwość regulacji mocy średniej na odbiorniku jak i wartości skutecznej napięcia.

W przekaźnikach załączających w dowolnej chwili typu RM1B wyjście mocy aktywowane jest natychmiast po pojawieniu się wejściowego sygnału sterującego. Przekaźniki te stosowane są w aplikacjach, gdzie wymagana jest szybka reakcja (mniej niż 1ms).

Przekaźniki załączające w maksimum napięcia typu RM1C są przekaźnikami półprzewodnikowymi dedykowanymi do sterowania obciążeniami o charakterze wybitnie indukcyjnym, takimi jak transformatory. Umożliwiają one załączenie obciążenia w momencie wykrycia pierwszej wartości szczytowej przebiegu napięcia obciążenia. Ogranicza to znacznie przeciążenie prądowe przy załączaniu takich obciążeń.

Przekaźnik na napięcie DC typu RD, czyli z wyjściem stałoprądowym jest w zasadzie kluczem tranzystorowym mocy sterowany napięciem DC. Czas odpowiedzi na sygnał sterujący przekaźnika DC jest krótszy od 100μs.

 

Istotną sprawą w przypadku SSR jest implementowanie filtrów RC w strukturze przekaźnika. Rozwiązanie to zapewnia filtrację zakłóceń generowanych w czasie pracy przekaźnika, co jest bardzo istotnym zagadnieniem, choćby ze względu na konieczność spełnienia norm związanych z kompatybilnością elektromagnetyczną pracujących urządzeń i z zapewnieniem odpowiednio niskiego poziomu emisji wyższych harmonicznych do sieci energetycznej. Stosowanie filtrów konieczne jest zwłaszcza przy sterowaniu liniowym / fazowym.

W niemal wszystkich aplikacjach z przekaźnikami półprzewodnikowymi konieczne jest stosowanie warystora dobranego do wartości napięcia sterowanego a mniejszego od wartości granicznej dla przekaźnika, w celu zabezpieczenia wyjścia półprzewodnikowego SSR przed przepięciami.

W celu zabezpieczenia wyjścia przekaźnika przed przeciążeniem lub skutkami zwarć zaleca się stosowanie bezpieczników szybkich o wartościach energii niszczącej I²t, której wartość podawana jest w katalogu dla danego przekaźnika.

 

 

 

Rys.4. Właściwe zastosowanie przekaźnika półprzewodnikowego gwarantuje jego niemal wieczną pracę.

 

Warto tu nadmienić, że wszystkie przekaźniki półprzewodnikowe firmy Carlo-Gavazzi spełniają normy związane z Kompatybilnością Elektromagnetyczną (znak CE). Ponadto, posiadają aprobaty instytucji certyfikujących takie jak: UL, VDE i CSA.

 

 

 

DOBÓR – WIELKOŚCI CHARAKTERYZUJĄCE

 

Podstawowymi parametrami na jakie należy zwrócić uwagę podczas doboru przekaźników półprzewodnikowych są:

• maksymalny prąd obciążenia (prąd znamionowy)

• maksymalne napięcie obciążenia (znamionowe)

• rodzaj i przedział działania dla wejściowego sygnału sterującego

Istotnym zagadnieniem podczas realizacji danej aplikacji dla konkretnego układu sterującego są warunki termiczne, w jakich będzie pracował przekaźnik.

Jak powszechnie wiadomo złącze półprzewodnikowe charakteryzuje się określonym spadkiem napięcia i w zależności od zastosowanego rodzaju elementu wykonawczego (triak, tyrystory, tranzystor, itd.), w czasie pracy przekaźnika na jego wyjściu będzie miał miejsce spadek napięcia o wartości 1,1...1,6V (ACrms).

W zależności od wartości sterowanego prądu, na złączu półprzewodnikowym będzie wydzielała się moc cieplna proporcjonalna do wartości tego prądu, powodując wzrost temperatury złącza. Maksymalna wartość temperatury na złączu to 125°C, jednak praca przekaźnika w takich warunkach znacznie wpływa na jego żywotność. Stąd też istnieje konieczność zastosowania radiatora współpracującego z przekaźnikiem.

Z powyższego wynika kolejny istotny parametr dotyczący warunków pracy i doboru radiatora: rezystancja termiczna R_th [K/W]. W zależności od mocy traconej na samym przekaźniku półprzewodnikowym należy dobrać / ocenić zdolność emitowania energii cieplnej przez dany radiator, tak by nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy przewidzianej dla przekaźnika.

Wartość wymaganej rezystancji termicznej możemy oczywiście uzyskać poprzez zastosowanie radiatora który zapewni nam odpowiednią jakość chłodzenia, jednak w niektórych warunkach nawet zastosowanie wymuszonego obiegu powietrza (zastosowanie wentylatora) nie pozwoli nam na stworzenie optymalnych warunków pracy przekaźnika. Powodem tego może być zbyt duża rezystancja termiczna między złączem a obudową przekaźnika, która jest składową sumarycznej rezystancji termicznej, na jaką nie mamy wpływu – jest ona bowiem narzucona przez producenta. Dlatego też na parametr ten należy także zwracać uwagę.

Pozostałymi składowymi całkowitej rezystancji termicznej jest: rezystancja między obudową przekaźnika a radiatorem (konieczne jest tu stosowanie past przewodzących termicznie), oraz rezystancja termiczna między radiatorem a otoczeniem.

Wszelkie dane potrzebne do realizacji konkretnych aplikacji i doboru radiatora zamieszczone są w kartach katalogowych poszczególnych wyrobów, dostępnych na naszej stronie. Poza tym oferta ta zawiera także całą rodzinę przekaźników półprzewodnikowych zintegrowanych z radiatorem, typu: RN i RJ, co wyklucza konieczność jego doboru i montażu.

 

 

 

Technologia bazująca na przekaźnikach półprzewodnikowych jest sukcesywnie wprowadzana do zastosowań przemysłowych, domowych, biurowych i wraz z modernizacjami i nowymi konstrukcjami wykorzystującymi innowacyjne rozwiązania, do których niestety zaliczane są jeszcze sterowania realizowane z wykorzystaniem przekaźników półprzewodnikowych, przyczynia się do podwyższania jakości i niezawodności sterowania obciążeniami elektrycznymi.

Reasumując zainteresowanie rynku polskiego produktami związanymi z energoelektroniką jest coraz żywsze. Obserwując zachowania się rynków zachodnich i ich zapotrzebowanie na technologie związane z bardziej wydajnym i nowocześniejszym sterowaniem mocą, można zaryzykować stwierdzenie, że rozwój w tej dziedzinie będzie coraz szybszy. Na potwierdzenie wystarczy przywołać liczby mówiące o wartości rynku zachodnioeuropejskiego, który w dziedzinie przekaźników półprzewodnikowych osiągnął roczną wartość: 400 milionów dolarów.

 

 

Paweł Piechota - PATECH