Gebruik solid-state relais in fabrieksautomatisering voor hoge betrouwbaarheid, snel schakelen en lage EMI

Om dure stilstandtijd te voorkomen, worden geavanceerde diagnostiek en voorspellend onderhoud steeds vaker gebruikt in fabrieksautomatisering in industrieën zoals de productie van voedingsmiddelen en dranken, geautomatiseerde assemblage en andere systemen voor continue verwerking, evenals HVAC-, waterzuiverings- en energieopwekkingsmachines. Betrouwbare relais om te schakelen zijn cruciaal voor deze geautomatiseerde industriële processen. Ze moeten snel kunnen schakelen, continu werken onder moeilijke omstandigheden met minimale contactslijtage en geen elektromagnetische interferentie (EMI) veroorzaken die draadloze sensoren en besturingen kan beïnvloeden.

Solid-state relais (SSR's) voldoen aan de schakelvereisten van fabrieksautomatisering met behulp van innovatieve technologie die de betrouwbaarheid en duurzaamheid verbetert om consistente prestaties te garanderen, zelfs in zware omstandigheden.

Dit artikel bespreekt kort de schakelvereisten van fabrieksautomatisering. Vervolgens worden voorbeelden gegeven van SSR's van Littelfuse en wordt getoond hoe ze kunnen worden gebruikt om aan deze vereisten te voldoen.

Schakelvereisten voor fabrieksautomatisering definiëren en eraan voldoen

De schakelbehoeften voor fabrieksautomatisering omvatten betrouwbaarheid tegen lage kosten, snelle activeringstijden zonder contactbotsing of boogvorming, minimale EMI die naburige circuits of de draadloze sensoren en netwerken die steeds vaker in fabrieken worden gebruikt, kan beïnvloeden en een hoge tolerantie voor mechanische schokken en trillingen.

SSR's gebruiken halfgeleiderelementen om de schakeloperatie uit te voeren om aan deze vereisten te voldoen. Ze kunnen worden aangestuurd door wissel- of gelijkspanning met verschillende modellen voor elk type bekrachtiging (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: Deze functionele blokschema's van SSR's tonen de kritieke componenten voor zowel gelijkstroom (boven) als wisselstroom (onder) aangedreven modellen. (Bron afbeelding: Littelfuse Inc.)

Gelijkstroombediende SSR's (boven) regelen de toegepaste spanning. AC-gestuurde SSR's (onder) maken gebruik van een bruggelijkrichter met volledige golflengte om het opwindsignaal om te zetten naar DC. Beide typen SSR's scheiden het actuatorsignaal optisch van de uitgang. Het actieve element van deze SSR's is een paar siliciumgestuurde gelijkrichters (SCR's). Deze SSR's bevatten een overspanningsbeveiliging in de vorm van een TVS-diode (Transient Voltage Suppression) die is aangesloten tussen de poorten van de SCR's om de SSR te beveiligen en onverwachte toestandsveranderingen te voorkomen in de aanwezigheid van elektrische transiënten op het netwerk.

De schakelrespons maakt gebruik van de snelle schakeltijden van de halfgeleiderapparaten en wordt geregeld door het triggercircuit. Het schakelen kan plaatsvinden bij nuldoorgangen van de uitgangsspanning na toepassing van het bedieningssignaal of willekeurig (ogenblikkelijk) met het bedieningssignaal (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: De schakelkarakteristiek wordt geselecteerd voor de beoogde toepassing van de SSR. (Bron afbeelding: Littelfuse Inc.)

De nuldoorgangsschakeling wordt gebruikt voor toepassingen met hoge stromen, zoals industriële verwarmers, waar het de inschakelstromen minimaliseert. Onmiddellijk inschakelen wordt gebruikt wanneer schakelen moet gebeuren bij een hoge frequentie. Onmiddellijk schakelen levert de hoogst mogelijke schakelfrequentie op.

Voorbeelden van SSR's

Om tegemoet te komen aan de behoefte aan betrouwbaardere en duurzamere vermogensschakelrelais in industriële en commerciële machinetoepassingen, heeft Littelfuse Inc. de SRP1-familie van hoogwaardige SSR's ontworpen. Hij wordt aangeboden in twee modellijnen: de SRP1-CB high-endurance kale SSR en de SRP1-CR high-endurance alles-in-één SSR met Touch-Safe en overspanningsbeveiliging (Afbeelding 3, links en midden).

Afbeelding 3: Afgebeeld zijn de SRP1-CB kale SSR (links), de SRP1-CR Touch-Safe SSR (midden) en de alternatieve snelaansluitklemmen van de SRP1-CB...F (rechts). (Bron afbeelding: Littelfuse Inc.)

Littelfuse heeft eigen halfgeleiders ontworpen om de degradatie van componenten door hitte te minimaliseren en optimale prestaties te leveren onder zware omstandigheden. Beide modellijnen bieden eenheden met AC- of DC-activering en uitgangsstroomwaarden van 10 A, 25 A en 50 A in een van de twee uitgangsspanningsbereiken, 24 V_AC tot 240 V_AC of 48 V_AC tot 600 V_AC. Het verschil tussen de modellen is dat de SRP1-CR geïntegreerde beveiligings- en installatievoorzieningen heeft, waaronder een IP20 vingerveilig deksel, overspanningsbeveiliging met TVS-diode en een voorgemonteerd thermisch pad. De SRP1-CB...F-versie (Afbeelding 3, rechts) heeft ook snelaansluitklemmen.

De relais zijn enkelpolige, enkelwerkende (SPST) apparaten die in serie zijn geschakeld met de uitgangsbelasting (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: De SRP1 SSR's worden in serie geschakeld met de uitgangsbelasting; de ingang wordt aangestuurd door een AC of DC actuatorsignaal, afhankelijk van het model. (Bron afbeelding: Littelfuse Inc.)

SSR's hebben een koellichaam nodig om op hun gespecificeerde nominale waarden te werken. Beide modellen van Littelfuse maken gebruik van de nieuwste directe verbindingstechnologie om maximale betrouwbaarheid en een lange levensduur van het product te garanderen. De SRP1-CR-relais bevatten een ingebouwd thermisch pad voor efficiënte warmteafvoer dat geen thermisch compound nodig heeft, waardoor een schone en eenvoudige installatie mogelijk is. Thermische derating plots (Afbeelding 5) tonen de maximale uitgangsstroom die kan worden ondersteund voor verschillende omgevingstemperaturen en koellichamen met verschillende thermische weerstanden.

Afbeelding 5: Weergegeven zijn derating curves voor de SRP1-CR-serie SSR's voor verschillende omgevingstemperaturen en koellichamen. (Bron afbeelding: Littelfuse Inc.)

De thermische weerstand wordt opgegeven in ˚C per watt (°C/W). Een koellichaam met een nominale warmteafgifte van 10 °C/W wordt 10 °C heter dan de omringende lucht voor elke 1 W warmte die het afvoert. Koellichamen met een lagere thermische weerstand zijn efficiënter dan koellichamen met een hogere thermische weerstand en koelen dus beter.

De SRP1 SSR's zijn gecertificeerd om te voldoen aan verschillende gezondheids-, veiligheids-, milieu-, elektromagnetische compatibiliteits- en elektrostatische immuniteitsnormen, waaronder UL, CAN/CSA, IEC, CISPR, RoHS en REACH. Ze zijn zeer geschikt voor toepassingen voor verwarming en motion control in industriële automatisering. Ze werken ook goed in de voedingsmiddelen- en drankenindustrie, waar ze industriële ovens, verpakkingsapparatuur en transportbandsystemen besturen. Verwarmings-, ventilatie- en airconditioningsystemen gebruiken deze relais voor luchtbehandelingskasten en compressoren, net als grootschalige verlichtingssystemen. Al deze toepassingen vereisen superieure prestaties en ultrahoge betrouwbaarheid, en de SRP1-serie heeft opties om te voldoen aan verschillende stroom-, spannings-, responstijd- en schakelvereisten.

De SRP1-CBAZL-050NW-N is bijvoorbeeld een SSR van 50 A met een uitgang van 24 V_AC tot 240 V_AC. Het apparaat accepteert een ingangsspanning van 90 V_AC tot 280 V_AC en schakelt op de nuldoorgang van de uitgangsspanning. Het biedt een maximale inschakelweerstand van 6,3 milliohms (mΩ), wat zou resulteren in slechts een daling van 0,3 V over het relais bij maximale stroom. De nominale maximale spanningsval is 1,3 V. Het relais wordt ingeschakeld in minder dan 20 milliseconden (ms), inclusief de wachttijd voor de nuldoorgang, en wordt uitgeschakeld in minder dan 30 ms.

De SRP1-CBDZL-010NF-N is een voorbeeld van een DC-gestuurde SSR. Het apparaat heeft een uitgangsstroom van 10 A met een uitgangsspanningsbereik van 24 V_AC tot 240 V_AC. Het ingangsspanningsbereik is 4 V_DC tot 32 V_DC. Het schakelt ook op de nuldoorgang van de uitgangsspanning en heeft dezelfde maximale inschakelweerstand van 6,3 mΩ. Het verschilt van de standaard SRP1-CB relais door de snelaansluitklemmen. De inschakeltijd is gelijk aan de helft van de cyclus van de uitgangsgolfvorm.

De SRP1-CRARH-025TC-N is een aanraakveilige versie van de SRP1-serie en is berekend op een uitgangsstroom van 25 A. Dit model werkt op wisselstroom met een ingangsspanning van 90 _VAC tot 280 _VAC. Het apparaat verschilt van de andere modellen omdat hij een ogenblikkelijke schakelreactie heeft en een hoog uitgangsspanningsbereik van 48 V_AC tot 600 V_AC gebruikt. De inschakeltijd van het relais is minder dan 20 milliseconden (ms) en de uitschakeltijd is minder dan 30 ms.

De snelste reactietijd wordt bereikt met een relais met een DC-ingang en een ogenblikkelijke schakelreactie. Een voorbeeld is de SRP1-CRDRL-010TC-N. Deze SSR heeft een uitgangsstroom van 10 A met een uitgangsspanningsbereik van 24 V_AC tot 240 V_AC. Het ingangsspanningsbereik is 4 V_DC tot 32 V_DC. De inschakeltijd is 20 microseconden (µs) en de uitschakeltijd is minder dan de helft van de cyclus van de uitgangsgolfvorm, waardoor het een van de snelste relaiscyclustijden is.

Conclusie

Om te voldoen aan de schakelprestaties, betrouwbaarheid en internationale normvereisten van fabrieksautomatisering, kunnen ontwerpers vertrouwen op de SRP1-serie SSR's. Deze serie maakt gebruik van de vooruitgang in halfgeleidertechnologie voor een lange levensduur, hoge schakelsnelheid en minimale EMI over een breed scala aan uitgangsstromen en ingangsregelopties.