Jak používat speciální nízkošumová polovodičová relé k omezení elektromagnetického rušení a ke splnění kritických standardů

Od svého uvedení na trh před více než 30 lety nahradila polovodičová relé (SSR) ve spínacích aplikacích vyžadujících ultra spolehlivý bezobloukový provoz s nízkou spotřebou energie elektromagnetická relé (EMR). Mezi další výhody SSR patří bezšumový provoz a kompatibilita s digitálními řídicími obvody.

V náročných aplikacích v domácnostech, komerčních a zdravotnických aplikacích – obzvláště v těch, kde se vyžaduje dodržování mezinárodních standardů týkajících se elektromagnetické kompatibility (EMC), jako je norma IEC 60947-4-3 – je však nutný pečlivý výběr relé, aby bylo zajištěno, že je elektromagnetické rušení (EMI) generované relé minimalizováno. Některé produkty mohou produkovat napěťové špičky a riskují tak nedodržení standardů týkajících se EMC.

V tomto článku jsou vysvětleny výhody a nevýhody SSR a to, pro které aplikace jsou nejvhodnější. V článku se dále podíváme na klíčové součásti relé, které mohou způsobovat problematické emise, a pak představíme řadu nízkošumových SSR od společnosti Sensata Technologies, která mohou návrháři použít pro komerční, domácí a zdravotnické aplikace citlivé na elektromagnetické rušení.

EMR versus SSR

Vzhledem k tomu, že jsou relé jsou sepnutí zatížena proudem celého obvodu, je použití spínače k zapínání a vypínání vysoce výkonného obvodu nepraktické. Spínač vytváří během provozu nebezpečný oblouk a v provozu se přehřívá. Řešením je použít obvod s nízkým výkonem, zapínaný a vypínaný pomocí konvenčního spínače, a spouštět jím vysoce výkonný obvod.

K výhodám tohoto uspořádání patří úspora nákladů a místa vzhledem ke snížení délky těžké kabeláže nutné pro vysoce výkonné obvody. Tyto výhody vyplývají z faktu, že relé lze umístit do blízkosti zátěže a k připojení spínače s nízkým výkonem lze použít tenčí vodiče. Takový spínač se typicky umisťuje do polohy, která je pro uživatele pohodlnější. Obvod s nízkým výkonem lze navíc galvanicky izolovat od vysoce výkonného obvodu. Příklady nasazení relé jsou komerční trouby, domácí spotřebiče a zdravotnické přístroje.

Tradiční EMR využívají cívku, které dodává energii obvod s nízkým výkonem a vytváří se tak magnetické pole, které poté sepne (spínací) kontakty. EMR mohou přepínat AC nebo DC zátěž až na své maximální jmenovité hodnoty. Odpor jejich kontaktů se s rostoucí zátěží snižuje, snižuje se ztrátový výkon a eliminuje se potřeba chladiče (obrázek 1).

Obrázek 1: EMR propojují AC napájení se zátěží, když je spínač v obvodu s nízkým výkonem sepnutý a napájí cívku, která dále sepne kontakty. (Zdroj obrázku: společnost DigiKey)

Mezi hlavní výhody EMR patří jejich nízká cena a zaručená izolace při jakémkoli použitém napětí nižším než dielektrické jmenovité hodnoty zařízení. Izolace je důležitá zejména v případě, že vysoce výkonný obvod musí být zcela zapnut nebo vypnut, aniž by hrozilo nebezpečí úrazu uživatele svodovými proudy. Dobrou volbou jsou EMR také v případě, že se v AC napájení předvídají velké nárazové proudy nebo špičková napětí.

A hlavní nevýhodou EMR je potenciál elektromagnetického rušení a opotřebení. Vzhledem k tomu, že při rozpojení a sepnutí kontaktů může dojít ke vzniku oblouku, může relé generovat znatelné elektromagnetické rušení. Obecně jsou jeho úrovně nízké a dobře navržená EMR obsahují k potlačení jakýchkoli emisí stínění, ale v případě aplikací používaných v blízkosti vybavení citlivého na elektromagnetické rušení je třeba dbát opatrnosti.

EMR jsou mechanická zařízení, a proto se i ty nejlépe navržené a vyrobené produkty postupem času opotřebí. Ve většině případů selže jako první cívka a zařízení zůstane v bezpečném stavu při poruše, protože kontakty jsou spínací (NO), a obvody s nízkým výkonem jsou tak izolovány od vysoce výkonných obvodů. Jak je řečeno, moderní EMR jsou velmi spolehlivá a často dochází k tomu, že dříve než relé se opotřebuje napájené vybavení.

SSR mají svůj zvláštní význam, protože řídicí obvody používané ke spínání vysoce výkonných aplikací byly migrovány na digitální elektroniku. Jak již vypovídá sám název, jsou SSR zařízení založená na polovodičích a jako taková jsou velmi vhodná k dohlížení na digitální obvody založené na mikrokontroléru, zejména v aplikacích s vysokou rychlostí spínání.

SSR řeší hlavní negativa EMR. SSR se nepohybují a proto se neopotřebovávají. Tato zařízení typicky zvládnou desítky milionů cyklů. Když však selžou, je to obvykle v poloze „zapnuto“, což má dopad na bezpečnost. Při rozpínání ani spínání negenerují SSR žádné oblouky, díky čemuž jsou nejen vhodná do nebezpečných prostředí, ale eliminují tak i zdroj podstatné části elektromagnetického rušení, které může potrápit EMR. Polovodičová relé jsou také mechanicky tichá, fungují v širokém rozsahu vstupních napětí a spotřebovávají málo energie dokonce i při vysokých napětích. Přechod z EMR na SSR je čím dál rychlejší, protože cena druhých zmíněných neustále klesá.

Klíčová negativa SSR vyplývají z jejich základu, kterým je polovodičový obvod. Například při „zapnutí“ dochází k významnému odporu, což způsobuje ztrátový výkon desítek wattů s následným generování tepla. S těmito tepelnými problémy se konstruktéři obvykle vyrovnávají tak, že do řešení musí zahrnout robustní chladič, který zvětší velikost a hmotnost řešení. Na SSR má také vliv okolní teplo a proto musí být při používání ve vyšších teplotách předimenzována. Interní odpor obvodu může také generovat pokles napětí, který by mohl způsobovat problémy zátěži, pokud je na změny přívodního napětí citlivá. Ve „vypnutém“ stavu vykazují relé SSR mírný svodový proud. Při vysokých napětích se může jednat o nežádoucí jev nebo dokonce i bezpečnostní problém. Mnoho SSR navíc vyžaduje k řádnému fungování minimální zátěž.

Základy fungování SSR

Klíčovou součástí SSR je výstupní spínač. U výstupního AC relé lze výstup řídit triakem nebo antiparalelními (back-to-back) usměrňovači na bázi křemíku (SCR). Hlavní výhodou řešení SCR je rychlá charakteristika dv/dt, zejména při „vypnutí“ relé.

Když se například vypne SSR s triakem řídícím výstup, může být dv/dt až pouhých 5 až 10 V/ms. Pomalá charakteristika dv/dt může představovat problém, když je di/dt při snižujícím se proudu (anebo dv/dt pro opětovně použité napětí) příliš povrchní, triak může vést i poté, co AC napájení překročí bod nulového proudu/napětí. Taková událost destabilizuje výstup a může zvýšit elektromagnetické rušení.

Pro porovnání – SCR mají hodnotu dv/dt kolem 500 V/µs a po překročení nulového bodu již nevedou. Další výhodou SSR oproti SCR je lepší odvod tepla, protože součástky jsou rozloženy po větší ploše než u jednoho triaku. Ve zbytku článku budou popisována SSR s fází výstupu antiparalelního SCR.

Základní SSR využívající SCR je uvedeno na obrázku 2. SSR s AC výstupem jsou typicky napájena střídavým vedením. Je-li bod S1 (řízený vstupním obvodem) sepnutý, příslušná hradla SCR1 a SCR2 se propojí a proud AC napájení je veden buď R1, nebo R2 a do toho hradla, do kterého je vedeno SCR předpětí v propustném směru. Dojde tím k „zapnutí“ SCR a relé začne vést proud a napájet zátěž. SCR vedou proud střídavě každou polovinu cyklu AC napájení a dodávají proud zátěži. Je-li S1 otevřen, kterýkoli „zapnutý“ SCR pokračuje ve vedení proudu, dokud střídavý proud nedosáhne nuly. Pak se SCR „vypne“. V tomto bodě již SCR nepřijímá žádný proud hradla, relé se otevře a odebere se napájení zátěže.

Obrázek 2: Schéma základního rozložení relé využívajícího antiparalelní SCR. S1 je tvořen vstupním obvodem s nízkým výkonem. (Zdroj obrázku: společnost Sensata-Crydom)

Moderní SSR typicky spoléhají na optočlen, který zajišťuje izolaci mezi obvodem s nízkým výkonem a obvodem s vysokým výkonem. Návrhář má dvě hlavní možnosti – použít optočlen s LED/optotranzistorem, nebo použít zařízení kombinující LED a optotriak. Optotransistor vyžaduje nižší řídicí proud, šetří místo a poskytuje návrháři více příležitostí ke konfiguraci charakteristik řídicího obvodu. Hlavní výhodou použití triaku je jeho nižší cena. Relé řízené optotriakem je schematicky znázorněno na obrázku 3.

Obrázek 3: V tomto SSR je izolace mezi obvody s nízkým a vysokým výkonem zajištěna prostřednictvím optočlenu založeného na optotriaku. (Zdroj obrázku: společnost Sensata-Crydom)

(Další informace o výběru SSR viz technický článek společnosti DigiKey „Jak pomocí SSR bezpečně a efektivně spínat proud nebo napětí“.)

SSR pro prostředí s nízkým EMI

Výběr SSR s výstupem řízeným pomocí SCR je dobrou volbou pro aplikace citlivé na EMI, protože tato zařízení se vyznačují nízkošumovou charakteristikou. Pro obzvláště citlivé aplikace, jako jsou ty, které vyžadují použití spínacích produktů odpovídajících normě IEC 60947-4-3, je nutné vybrat produkty s ultra nízkým šumem. SSR, která spínají pouze v případě, že střídavé napětí překročí bod nulového napětí bez ohledu na to, kdy je vstup aktivován, jsou pro tyto aplikace dobrou volbou.

Tato takzvaná zařízení se spínáním v nule eliminují náběhový proud a napěťové špičky, které mohou vést k zapnutí vysoce výkonných obvodů, zatím AC výstup je uprostřed cyklu. Tímto způsobem se dále snižuje výskyt EMI. Konstruktéři musí pamatovat, že zatímco jsou SSR se spínáním v nule obzvláště vhodná pro odporové zátěže, jako jsou topná tělesa, nejsou vhodná pro vysoce induktivní zátěže. Lepší volbou jsou pro tyto aplikace takzvaná náhodně spínaná SSR. Dochází u nich ke spínání okamžitě po aktivaci vstupního spínače namísto toho, aby čekala, než AC napájení dosáhne nuly.

Společnost Sensata Technologies, která nabízí značku SSR Sensata-Crydom, nedávno představila tři produkty řady LN nízkošumových polovodičových relé s AC výstupem. Model LND4425 je schopný dodávat výstupu 25 A, zatímco model LND4450 dodává 50 A a model LND4475 až 75 A. Zařízení vyžadují ke stabilnímu fungování minimální zátěžový proud 100 mA_rms, dodávají se v provedení „hockey puck“ a váží kolem 75 g (obrázek 4). Všechna tři řešení jsou vybavena AC výstupem 48 až 528 V a fungují na základě řídicího napětí 4,8 až 32 V DC. Dále jsou vybavena vestavěnou ochranou vstupu/výstupu proti přepětí a jejich dielektrická pevnost od vstupu po výstup je 3 500 V_rms.

Obrázek 4: SSR modelu LND44xx značky Sensata-Crydom nabízí z kompaktního řešení vážícího pouhých 75 g až 75 A a 528 V. (Zdroj obrázku: společnost Sensata-Crydom)

Řada LN byla navržena tak, aby zajišťovala fungování s co nejnižším elektromagnetickým rušením. Výrobky této řady využívají na vstupu optočlen s optotriakem a antiparalelní SCR pro řízení výstupu ke zvládnutí potenciálního elektromagnetického rušení, ke kterému by mohlo dojít následkem pomalé charakteristiky dv/dt. Antiparalelní SCR nabízejí hodnotu dv/dt 500 V/µs. Produkty jsou také vybaveny patentovaným spouštěcím obvodem, který umožňuje spínání odporové zátěže s minimálním elektromagnetickým rušením. Schematický nákres SSR řady LN je uveden na obrázku 5.

Obrázek 5: SSR řady LN značky Sensata-Crydom jsou navržena k minimalizaci elektromagnetického rušení a jsou vybavena funkcemi, jako je patentovaný spouštěcí obvod a antiparalelní SCR. (Zdroj obrázku: společnost Sensata-Crydom)

Všechny tyto funkce potlačení elektromagnetického rušení vedou k souladu s normou IEC60947-4-3 prostředí B pro prostory obytné, obchodní a lehkého průmyslu s nízkým napětím (obrázek 6).

Obrázek 6: Test vedených emisí RF pro SSR LND4450 značky Sensata-Crydom. Prahová hodnota pro dodržení normy IEC60947-4-3 prostředí B je zobrazena nepřerušovanou oranžovou čárou. (Zdroj obrázku: společnost Sensata-Crydom)

Řada LN je obzvláště vhodná pro aplikace, jako jsou topná tělesa v komerčních troubách, viz obrázek 7.

Obrázek 7: Relé používaná v komerčních troubách musí vyhovovat normě IEC60947-4-3 prostředí B. V tomto grafu jsou umístění relé označena čísly, kde číslo „1“ značí, že SSR LND44xx by bylo dobrou volbou. (Zdroj obrázku: společnost Sensata-Crydom)

Závěr

Relé jsou jednoduchá a osvědčená řešení pro spínání vysoce výkonných obvodů pomocí aktivačního obvodu s nízkým výkonem. EMR jsou dobrou volbou tehdy, je-li nutné řešení s nízkými náklady, ale jsou méně vhodná pro použití v aplikacích s vysokou frekvencí spínání a v oblastech citlivých na elektromagnetické rušení. SSR představují dražší řešení, ale nabízejí robustní fungování nepodléhající opotřebení. Jsou obzvláště kompatibilní pro řízení digitální elektronikou. Návrháři vybírající SSR by měli mít na paměti tepelné změny, které přinášejí vzhledem k vyššímu odvodu tepla ve srovnatelných aplikacích v porovnání s EMR.

Přestože všechny typy SSR vykazují nižší EMI než EMR, některá provedení mají problémy splňovat zákonné požadavky EMC, jako jsou například požadavky normy IEC60947-4-3 prostředí B. Jak je uvedeno, řešením je použít SSR s fázemi výstupu antiparalelního SCR. Toto řešení nabízí spínání v nule, které vede k ultra nízkým emisím RF, díky čemuž je snazší splnit zákonné požadavky.