Využití polovodičových relé v tovární automatizaci díky jejich vysoké spolehlivosti, rychlému spínání a nízkému rušení EMI

Aby se předešlo drahým prostojům, pokročilá diagnostika a prediktivní údržba se stále více využívají v automatizaci továren napříč průmyslovými odvětvími, jako jsou výroba potravin a nápojů, automatizovaná montáž a další systémy kontinuálního zpracování, stejně jako stroje pro HVAC, čištění vody a výrobu energie. Spolehlivá spínací relé mají pro automatizované průmyslové procesy zásadní význam. Relé musejí být schopna provádět rychlé spínání, pracovat nepřetržitě v náročných podmínkách s minimálním opotřebením kontaktů a nesmí způsobovat elektromagnetické rušení (EMI), které může narušit bezdrátové senzory a ovládací prvky.

Polovodičová relé (SSR) splňují požadavky na spínání v tovární automatizaci pomocí inovativní technologie, která zvyšuje spolehlivost a odolnost pro zajištění konzistentního výkonu i v náročných prostředích.

Tento článek stručně pojednává o spínacích požadavcích tovární automatizace. Poté uvádí příklady relé SSR od společnosti Littelfuse a ukazuje, jak je lze využívat k řešení těchto požadavků.

Definice a splnění požadavků na spínání v oblasti tovární automatizace

Potřeby spínání pro tovární automatizaci zahrnují spolehlivost při nízkých nákladech, rychlé spouštěcí časy bez odskoku kontaktů nebo vzniku oblouku, minimální rušení EMI, které může ovlivňovat blízké obvody nebo bezdrátové senzory a sítě stále častěji využívané v továrnách, a vysokou toleranci vůči mechanickým otřesům a vibracím.

Pro splnění těchto požadavků provádějí relé SSR spínací operace pomocí polovodičových prvků. Tato relé lze ovládat střídavým nebo stejnosměrným napětím s různými modely pro každý typ buzení (obrázek 1).

Obrázek 1: tato funkční bloková schémata relé SSR ukazují kriticky důležité součásti pro modely ovládané stejnosměrným (nahoře) i střídavým napětím (dole). (Zdroj obrázku: Littelfuse Inc.)

Relé SSR ovládaná stejnosměrným napětím (nahoře) regulují přiváděné napětí. Relé SSR ovládaná střídavým napětím (dole) využívají celovlnný můstkový usměrňovač k převodu budícího signálu na stejnosměrné napětí. Oba typy relé SSR opticky izolují ovládací signál od výstupu. Aktivním prvkem těchto relé SSR je dvojice křemíkem řízených usměrňovačů (SCR). Tato relé SSR zahrnují přepěťovou ochranu v podobě transilu (TVS) zapojeného mezi hradla usměrňovače SCR, který chrání relé SSR a zabraňuje neočekávaným změnám stavu v přítomnosti elektrických přechodových jevů v síti.

Spínací odezva využívá rychlých spínacích časů polovodičových součástek a je řízena spouštěcím obvodem. Spínání může být probíhat při průchodu výstupního napětí nulou po přivedení ovládacího signálu nebo náhodně (okamžitě) pomocí ovládacího signálu (obrázek 2).

Obrázek 2: spínací charakteristika je zvolena tak, aby odpovídala přepodkládanému využití relé SSR. (Zdroj obrázku: Littelfuse Inc.)

Spínání při průchodu nulou se používá pro aplikace odebírající vysoké proudy, jako jsou průmyslové ohřívače, aby byly minimalizovány náběhové proudy. Okamžité spínání se používá tam, kde spínání musí probíhat na vysoké frekvenci. Okamžité spínání poskytuje nejvyšší možnou spínací frekvenci.

Příklady relé SSR

Jako odpověď na potřebu spolehlivějších a trvanlivějších výkonových spínacích relé v průmyslových a komerčních aplikacích navrhla společnost Littelfuse Inc. vysoce odolná relé SSR skupiny SRP1. Tato relé jsou nabízena ve dvou modelových řadách: vysoce odolná, holá relé SSR SRP1-CB a vysoce odolná relé SSR SRP1-CR typu vše v jednom ochranou proti dotyku a přepěťovou ochranou (obrázek 3, vlevo a uprostřed).

Obrázek 3: znázornění holého relé SSR SRP1-CB (vlevo), relé SSR SRP1-CR s ochranou proti dotyku (uprostřed) a alternativních rychlospojek relé SRP1-CB…F (vpravo). (Zdroj obrázku: Littelfuse Inc.)

Společnost Littelfuse navrhla vlastní polovodičové prvky s cílem minimalizace degradace součástí vlivem tepla a poskytnutí optimálního výkonu v náročných podmínkách. Obě modelové řady nabízejí jednotky se střídavým nebo stejnosměrným ovládáním a jmenovitými výstupními proudy 10 A, 25 A a 50 A v jednom ze dvou rozsahů výstupního napětí, a sice 24 V_AC až 240 V_AC nebo 48 V_AC až 600 V_AC. Modely se liší tím, že relé SRP1-CR je vybaveno integrovanou ochranou a instalačními funkcemi, včetně ochranného krytu IP20 proti dotyku, přepěťové ochrany pomocí transilu (TVS) a předem připevněné tepelné podložky. Verze SRP1-CB…F (obrázek 3, vpravo) je opatřena též rychlospojkami.

Relé jsou provedena jako jednopólová, jednocestná (SPST) zařízení zapojená do série s výstupní zátěží (obrázek 4).

Obrázek 4: relé SSR SRP1 jsou zapojena v sérii s výstupní zátěží; v závislosti na modelu je vstup řízen střídavým nebo stejnosměrným ovládacím signálem. (Zdroj obrázku: Littelfuse Inc.)

Aby relé SSR mohla pracovat při specifikovaných jmenovitých hodnotách, vyžadují chladič. Oba modely relé od společnosti Littelfuse využívají nejnovější technologii přímého spojování k zajištění maximální spolehlivosti a dlouhé životnosti produktu. Relé SRP1-CR obsahují vestavěnou tepelnou podložku pro účinný odvod tepla, která nepotřebuje teplovodivou pastu, což umožňuje čistou a snadnou instalaci. Grafy tepelného snížení (obrázek 5) ukazují maximální výstupní proud, který lze podporovat pro různé okolní teploty a chladiče s různými tepelnými odpory.

Obrázek 5: znázornění křivek snížení výkonu pro relé SSR řady SRP1-CR při různé teplotách okolí a chladičích. (Zdroj obrázku: Littelfuse Inc.)

Tepelný odpor se udává v ˚C na watt (°C/W). Chladič se jmenovitým tepelným odporem 10 °C/W bude mít o 10 °C vyšší teplotu než okolní vzduch na každý 1 W odvedeného tepla. Chladiče s nižším tepelným odporem jsou účinnější než chladiče s vyšším tepelným odporem, a proto lépe chladí.

Relé SSR řady SRP1 jsou certifikována tak, aby vyhovovala různým normám ochrany zdraví, bezpečnosti, životního prostředí, elektromagnetické kompatibility a elektrostatické odolnosti, včetně UL, CAN/CSA, IEC, CISPR, RoHS a REACH. Jsou dobře přizpůsobena aplikacím na vytápění a regulaci pohybu v průmyslové automatizaci. Odvádějí dobrou funkci také v potravinářském a nápojovém průmyslu, kde řídí průmyslové pece, balicí zařízení a dopravníkové systémy. Systémy topení, ventilace a klimatizace využívají tato relé k ovládání klimatizačních zařízení a kompresorů. Podobně tato relé využívají také rozsáhlé osvětlovací systémy. Všechny tyto aplikace vyžadují vynikající výkon a ultra-vysokou spolehlivost. Přičemž relé řady SRP1 nabízejí možnosti pro splnění různých požadavků na proudové zatížení, napětí, dobu odezvy a spínání.

Například model SRP1-CBAZL-050NW-N je relé SSR dimenzované na zatížení 50 A s výstupním napětím 24 V_AC až 240 V_AC. Relé přijímá vstupní napětí 90 V_AC až 280 V_AC a spíná při průchodu výstupního napětí nulou. Vykazuje maximální odpor v zapnutém stavu 6,3 mΩ, který při maximálním proudu způsobuje úbytek napětí na relé pouze 0,3 V. Jmenovitý maximální úbytek napětí je 1,3 V. Relé sepne za méně než 20 ms včetně čekací doby na průchod nulou, a vypne za méně než 30 ms.

Příkladem relé SSR se stejnosměrným ovládáním je model SRP1-CBDZL-010NF-N. Relé disponuje jmenovitým výstupním proudem 10 A s rozsahem výstupního napětí 24 V_AC až 240 V_AC. Rozsah vstupního napětí je 4 V_DC až 32 V_DC. Relé spíná také při průchodu výstupního napětí nulou a má stejný maximální odpor v zapnutém stavu 6,3 mΩ. Od standardních relé SRP1-CB se liší používáním rychlospojek. Jeho doba zapnutí je rovná polovině cyklu výstupního průběhu.

Relé SRP1-CRARH-025TC-N představuje dotykově bezpečnou verzi řady SRP1, která je dimenzována na výstupní proud 25 A. Tento model je ovládán střídavým vstupním napětím 90 V_AC až 280 V_AC. Od ostatních modelů se liší okamžitou spínací odezvou a používáním vysokého rozsahu výstupního napětí 48 V_AC až 600 V_AC. Doba sepnutí relé je kratší než 20 ms a doba vypnutí kratší než 30 ms.

Nejrychlejší doby odezvy je dosaženo při použití relé se stejnosměrným vstupem a okamžitou spínací odezvou. Příkladem je model SRP1-CRDRL-010TC-N. Toto relé SSR má jmenovitý výstupní proud 10 A a rozsah výstupního napětí 24 V_AC až 240 V_AC. Rozsah vstupního napětí je 4 V_DC až 32  V_DC. Doba zapnutí tohoto relé je 20 µs a doba vypnutí je kratší než polovina cyklu výstupního průběhu, čímž se řadí mezi relé s nejrychlejšími časy cyklu.

Závěr

Aby konstruktéři splnili požadavky na spínací výkon, spolehlivost a mezinárodní normy pro automatizaci továren, mohou využívat relé SSR řady SRP1. Tato řada využívá pokroky v polovodičových technologiích k dosažení dlouhé životnosti, vysoké spínací rychlosti a minimálního rušení EMI v širokém rozsahu výstupních proudů a možností ovládání vstupu.