Så här kan du säkert och effektivt omkoppla ström eller spänning med SSR:er

By Bill Schweber

Contributed By Digi-Keys nordamerikanska redaktörer

Eftersom elektronisk styrning är vanligt i konsumentbaserade, kommersiella, medicinska och industribaserade tillämpningar finns ett stigande behov av lågspännings- eller lågströmskretsar för att switcha högspännings- eller högströmskretsar. Elektromekaniska reläer (EMR:er) har sin plats, men solid state-reläer (SSR:er) föredras ofta på grund av sin begränsade storlek, lägre kostnad, högre hastighet, lågt elektriskt och hörbart brus och tillförlitlighet.

SSR:erna är populära, men för att tillämpa dem korrekt måste konstruktörerna förstå nyanserna i deras fysiska och elektriska drift och egenskaper. De kan därefter noggrant matcha rätt SSR med tillämpningens indata, utdata, belastning och termiska situation för att säkerställa en framgångsrik konstruktion.

Den här artikeln går igenom nyanserna på SSR-området, hur SSR:erna används korrekt samt introducerar några av de senaste SSR-lösningarna på problemet med att switcha högre spänning och ström.

SSR-grunder

SSR:er kan ha et tantal andra namn beroende på tillverkare eller leverantör. Till exempel kallar Omron dem för MOS FET-reläer medan Toshiba kallar dem fotoreläer (tabell 1).

Tillverkare Namn i katalogen
Toshiba Fotorelä
Matsushita Electric Works Foto-MOS-relä
OKI Electric Industry MOSFET-relä
OKI Electric Industry Foto-MOS-omkopplare
Okita Works Foto-DMOS-FET-relä
HP Solid-state-relä
OMRON MOS FET-relä

Tabell 1: Trots att den grundläggande driftprincipen är densamma använder olika leverantörer ett antal olika beteckningar för sina SSR:er, där vissa betonar deras unika eller skyddade SSR-implementering. (Bildkälla: Omron Corp.)

Oavsett använd nomenklatur är driftprincipen densamma och en förlängning av den välkända och allmänt använda optokopplaren (kallas även optoisolator). I den enklaste formen finns en LED på ingångssidan och en fototransistor på utgångssidan som skiljs med en optisk bana i millimeterskala (figur 1). Beroende på spännings- och strömnivå kan en ljuskänslig SCR eller TRIAC användas istället för fototransistorn.

Schema över optoisolatorns fysiska upplägg

Figur 1: Optoisolatorns fysiska anordning är förvillande enkel: en LED omvandlar elektrisk energi till fotoner som i sin tur aktiverar fototransistorn med ett lågt VBE-fall. Den optiska banan säkerställer galvanisk isolering. (Bildkälla: Technogumbo)

När LED-lampan strömsätts kommer fotonerna som den genererar att strömsätta fototransistorn som därefter går till ledande läge och låter ström gå till lasten. Detta kallas "på"-status. När LED-lampan är av är fototransistorn av eller leder inte och det ser ut som en bra (men inte perfekt) öppen krets.

Den galvaniska isoleringen mellan LED-lampan och fototransistorn är normalt i storleksordningen flera tusen volt på grund av LED/fototransistor-separeringen såväl som en optiskt transparent isolerande barriär. Observera att isolering är en spänningsgenombrottsparameter och inte detsamma som ingångs- till utgångsresistans, som är i storleksordningen 1000 till 1 miljon megaohm (kallas ofta ospecifikt "obegränsad" resistans). Switchningstiden mellan på- och av-status är normalt några få mikrosekunder.

Dock är en komplett SSR mer än bara LED och fototransistor eller ljuskänslig SCR/TRIAC. Det krävs även ytterligare kretsar och funktioner på både ingångs-LED-sidan och den utgående ljuskänsliga sidan (figur 2).

Schema över SSR kräver ytterligare kretsar och funktioner

Figur 2: En komplett SSR kräver ytterligare kretsar och funktioner på både ingångs-LED-sidan och den utgående ljuskänsliga sidan. (Bildkälla: Omron Corp.)

Trots att SSR:er är relativt enkla enheter finns det designrelaterade hänsyn när det gäller inmatning, storlek och typ av isolerad last samt särskilda omständigheter som måste vägas in när du väljer en.

Vid val av SSR måste konstruktören veta ingående drivnivå och typ (AC eller DC) och lastegenskaperna inklusive maximal ström, maximal spänning och typ (återigen, AC eller DC). Det finns SSR:er som kan drivas med allt från några få volt till tiotals och ännu högre spänningar, även om lägre ingångsspänningar blir allt vanligare och är mer kompatibla med modern elektronik av både säkerhets- och effektivitetsskäl.

Om den ingående drivkretsen är DC kan den eventuellt driva SSR-ingångens LED direkt. Om den är AC måste konstruktören lägga till en likriktarbrygga före SSR:en. Troligtvis finns en i övrigt identisk SSR där bryggan redan är inbyggd i enheten. Det interna likriktningsalternativet är ofta ett bra val eftersom det undviker subtila layoutproblem samtidigt som det ger helt specificerad ingångs-/utgångsprestanda. Den typiska ingångskänsligheten för en SSR omfattar cirka 6 milliwatt (mW).

Utgångssidan på SSR är något mer komplicerad än ingångssidan, beroende på lastens natur. Om SSR-utgången endast är en transistor, FET eller en enskild SCR kan den endast leda i en riktning. Därför kan den endast användas med DC-laster som icke-ledningsmatade värmare. För AC-laster används TRIAC- eller SCR-hopparning. Återförsäljarna erbjuder normalt liknande SSR:er med endast DC eller AC-utgångar. I allmänhet kan SSR:er med AC-utgångar även användas för DC. Utgångsvärdena sträcker sig från några få volt eller ampere till tiotals eller hundratals volt eller ampere.

SSR-alternativ: NO/NC-kontakter och multipol

Standard-SSR har en enda normalt öppen (NO) utgångsanordning. Dock finns det många tillämpningar som kräver motsatsen, en normalt stängd (NC) konfiguration, där utgångssteget öppnas när ström tillförs till ingångssteget. Det finns även konstruktioner som samtidigt behöver både NO och NC och även en kombination av en NO, en NC kanske några få andra kontaktpoler.

För att uppfylla behovet av flera poler samt NO- och NC-kontakter kan användarna lägga till skräddarsydda utgångskretsar, men det finns minst fyra problem med den här metoden. För det första är det ofta en situation med hög spänning och/eller hög ström, så konstruktionen har många inneboende utmaningar. För det andra måste den uppfylla och vara godkänd för de olika lagstadgade säkerhetsstandarderna. För det tredje är det en annan sak att göra det i ett projekt. För det fjärde är verifieringen av resulterande prestanda en komplicerad sak.

Alternativt kan användarna invertera ingångssignalen via en liten krets så att NO SSR är stängd utan signal och öppen när en ingångssignal tillförs. Dock medför detta potentiella säkerhetsproblem när det gäller SSR:ens utgångsstatus när det blir strömavbrott på ingångssidan eftersom reläets utsignal återgår till sin inneboende NO-status. Kom ihåg att en SSR:s ingående och utgående strömförsörjning är oberoende av definitionen av isolering. Därför kan konstruktören kanske inte garantera ett felsäkert utgångsläge.

I situationer där fler än en enda pol behövs kan flera SSR:er drivas i serie eller parallellt. Det är en möjlig lösning, men kräver noggrant övervägande av den nödvändiga drivströmmen och -spänningen, samt konsekvenserna vid kortslutning i en enhet i en serie- eller parallellkopplad topologi. Att använda flera SSR:er BOM ökar dessutom strukturlistan och kräver mer utrymme på kortet.

Med tanke på dessa NO/NC- och flerpolsbehov har leverantörerna lagt till fler kretsar i SSR:erna för att ge olika utgångsmöjligheter med fullständiga test och certifieringar. Många av dessa SSR:er är tillgängliga via familjer med liknande specifikationer med undantag för specifikationerna för utgångskonfigurationen som förenklar deras urval och användning.

Till exempel erbjuder IXYS Integrated Circuits Division tre SSR:er med nästan identiska prestanda och 3750 VRMS ingångs-/utgångsisolering, men med olika utgångsstrukturer:

LAA110 innehåller två enpoliga, NO (1-Form A) reläer, med märkvärde 350 volt/120 mA (AC eller DC) och finns med 8-polig DIP, SMT, och flat pack-hus (figur 3).

Schema över LAA110 från IXYS

Figur 3: LAA110 från IXYS är en grundläggande tvåkanalig SSR med två oberoende ingångar med respektive NO-utgångar. (Bildkälla: IXYS)

LCC110 har ett NO/NC-kontaktpar (1-Form-C) som drivs av en enda ingång med samma märkvärden och paket som LAA110 (figur 4).

Schema över LCC110 från IXYS

Figur 4: LCC110 från IXYS är en grundläggande tvåkanalig SSR med en enda ingång som styr en NO- och en NC-utgångspol. (Bildkälla: IXYS)

LBA110 består av två oberoende reläer: ett enpoligt, normalt öppet (1-Form-A) relä och ett enpoligt, normalt stängt (1-Form-B) relä, återigen med samma övergripande märkvärden och paketalternativ (figur 5).

Schema över IXYS LBA110

Figur 5: En annan medlem i familjen är IXYS LBA110, en tvåkanalig SSR med separata ingångar för var och en av NO- och NC-utgångspolerna. (Bildkälla: IXYS)

En liknande uppsättning tillval finns för de flesta SSR-familjer med högre effekt. Det kan vara lockande att helt enkelt parallellkoppla flera SSR-utgångar för att uppnå ett nödvändigt märkvärde om strömvärdet för en enda SSR med lägre ström inte räcker. I allmänhet är det dock inte god teknikerpraxis av flera skäl.

För det första är SSR:er med samma märkvärde inte perfekt matchade. En SSR kan komma att hantera mer ström än en annan, vilket belastar den utöver sina ström- och temperaturgränser vilket får den att gå sönder i förtid. För det andra, om en av SSR:erna går sönder av någon anledning kommer de andra att hantera för mycket ström och kommer snart att gå sönder i fallande ordning. Av dess skäl är det bättre att välja en enda SSR med korrekt utgångsmärkvärde.

SSR-skydd och gränser

Tröts att SSR:er är relativt robusta finns det situationer där de kan behöva extra skydd. För SSR:er som switchar resistiva (icke-induktiva) AC-laster som värmare av glödlampor kan det vara nödvändigt att specificera att en synkron SSR switchar utgången på/av endast vid nollgenomgångar i AC-ledningen, oberoende av ingångsstyrsignalens tidsinställning (figur 6).

Kurvan för synkron SSR är utformad att endast switcha sin utgång vid nollgenomgångar i AC-ledningen

Figur 6: En synkron SSR är utformad att endast switcha sin utgång vid nollgenomgångar i AC-ledningen för att minimera EMI-generering: a) icke-synkrona SSR-vågformer för en resistiv belastning; b) synkrona SSR-vågformer för en resistiv belastning. (Bildkälla: Crydom, via Omega Engineering)

Att endast switcha vid nollgenomgångar minimerar eller eliminerar ledningsbrus och strålat brus från initiering eller avslutning av AC-utgångsvågformen mitt i cykeln. Dock måste konstruktörerna vara medvetna om att nollgenomgångs-SSR:er kanske inte går att slå av vid höga induktiva laster. För att åtgärda detta erbjuder SSR-leverantörerna även så kallade random-switching SSR:er som slås på/av vid det ögonblick som krävs av insignalens övergång. Återigen måste konstruktören förstå lasten och välja en lämplig SSR i återförsäljarens katalog.

Det finns även termiska hänsyn på grund av interna förluster när en SSR används. Till och med när utgången är på sker det ett litet, men kritiskt fall över det aktiva elementet, precis som när en MOSFET driver en motor, till exempel. Den resulterande värmen måste spridas av SSR. Därför erbjuder leverantörerna SSR:er med specifikationer som definierar den tillåtna drifttemperaturen vid maximal belastning tillsammans med termiska reduceringskurvor. En SSR:s termiska miljö kan modelleras med standardverktyg. Stora SSR:er, med högre genererad värme, kan behöva mer komplicerade kylararrangemang, medan mindre SSR:er ofta kan använda standard-IC-kylare.

SSR:er för större belastningar med högre värmespridningskrav har också allt större fysiska konfigurationer. SSR:er finns i hus från 6-ledar-SOIC:Er för mindre belastningar till stora moduler för större belastningar samt i paket som kan vara panelmonterade, skenmonterade eller fristående.

Till exempel har Vishays LH1510 SSR, en SPST-NO-enhet (1-Form-A), specificerats till drift på 200 volt vid 200 mA och insluts i ett standard 6-ledar-SMT- eller DIP-paket (figur 7). Det kan användas med antingen AC- eller DC-belastningar (figur 8). Trots dess begränsade storlek erbjuder det här SSR:et 5300 VRMS kontinuerlig och 8000 VRMS transient toppisolering.

Bild på Vishay LH1510 SSR med låg effekt

Figur 7: Vishay LH1510 lågeffekt-SSR är en SPST-NO-enhet med märkvärde på 200 volt vid 200 mA och finns i ett ytmonterat paket med 6-ledare samt som DIP-hus. (Bildkälla: Vishay Semiconductors)

Schema över Vishay LH1510 kan konfigureras för AC/DC-utmatning eller endast DC

Figur 8: På grund av antalet tillgängliga paketledare kan LH1510 konfigureras för AC/DC-utmatning eller endast DC, men med något andra specifikationer för varje läge. (Bildkälla: Vishay Semiconductors)

I kontrast till detta stödjer EL240A-serien av AC-utmatande panelmonterade SSR:er från Crydom/Sensata Technologies utmatningsvärden på 5 A, 10 A, 20 A och 30 A vid 24 to 280 volt AC, med till val för 5, 12 och 24 volt DC-styrinsignaler. För den här mängden kraft kommer SSR:erna i större moduler på 36.6 × 21,1 × 14,3 millimeter (mm) med snabbkopplingsplintar (figur 9). Observera att den övergripande fysiska storleken inte är en indikering på isolering eftersom den här större modulen har ett märkvärde på 3750 VRMS isolering, något lägre än det mycket mindre 6-poliga Vishay-paketet.

Bild på EL240A-seriens SSR:er från Crydom/Sensata Technologies

Figur 9: EL240A-seriens SSR:er från Crydom/Sensata Technologies ger stöd för ström upp till 30 A och styrinsignaler på upp till 24 volt DC. (Bildkälla: Crydom/Sensata Technologies)

Belastningen på EL240A-serien kan anslutas till endera utgångsbenet vilket ger konstruktionsflexibilitet (figur 10). Den större storleken hos dessa moduler gör att återförsäljaren kan lägga till en LED-indikator (visas även i figur 10) för snabb visuell bedömning av SSR-ingångsstatusen.

Schema över Crydom/Sensata EL240A-serien

Figur 10: Belastningen kan anslutas till endera utgångsbenet på EL240A vilket ger högre konstruktionsflexibilitet. (Bildkälla: Crydom/Sensata Technologies)

Titta utanför SSR:en också

Som för de flesta strömrelaterade enheter finns det problem utöver extern maximal effekt, spänning, ström och värmeavledning. SSR:ets fysiska kablar, samlingsskenor eller kretskortsspår måste också dimensioneras för att bära lastströmmen utan för högt IR-fall. För anslutning till SSR måste allt dimensioneras och ha anpassade märkvärden oavsett om det är via skilda trådar, uttag eller lödningar på kretskortet.

Även vid låga strömnivåer kan SSR switcha högre spänningar. I den här situationen är problemet användarsäkerhet, inklusive obligatoriska minimiavstånd och krypsträcka jämfört med spänning (figur 11). Sådana krav definieras i IEC/UL 60950-1, IEC 60601-1, EN 60664-1:2007 och VDE 0110-1 bland de många aktuella standarderna.

Diagram över spel jämfört med krypström

Figur 11: Spel (överst) är den kortaste vägen mellan två ledande delar, eller mellan en ledande del och utrustningens gränsyta, mätt genom luften. Krypsträcka (nederst) är den kortaste vägen mellan två ledande delar, eller mellan en ledande del och utrustningens gränsyta, mätt längs isoleringens yta mellan dem. (Bildkälla: Optimum Design)

Spel definieras som den kortaste vägen mellan två ledande delar, eller mellan en ledande del och utrustningens gränsyta, mätt genom luften. Krypsträcka definieras som den kortaste vägen mellan två ledande delar, eller mellan en ledande del och utrustningens gränsyta, mätt längs isoleringens yta mellan dem. Att uppfylla kraven för dessa två parametrar hjälper till att se till att det inte förekommer överslag, gnistbildning eller användarexponering för höga spänningar.

Medan SSR:et själv kan ha ett märkvärde på flera tusen volts isolering är det viktigt att eventuella anslutningar till SSR behåller det nödvändiga avståndet för att de använda spänningarna ska certifieras.

SSR:er kan även behöva externt skydd. En AC-last-SSR kan uppleva höga spänningstoppar när dess egen eller närliggande induktiva belastningar stängs av, vilket skadar SSR-enhetens utgångsstruktur. Den vanligaste lösningen är att placera ett eller flera skyddselement som en metalloxidvaristor (MOV) eller transientspänningsdämpare (TVS) över SSR-enhetens lastterminaler som spänningsklämmor (figur 12).

Schema över SSR-enhetens utgång som kan kräva externt skydd mot spänningstoppar

Figur 12: SSR-enhetens utgång kan kräva externt skydd mot spänningstoppar som de som uppstår när induktiva laster switchas. Det här skyddet kan tillhandahållas av en MOV eller en TVS. (Bildkälla: Phidgets, Inc.)

Att dimensionera dessa enheter kräver analys av belastningens v = L(di/dt) storlek. Om märkvärdet för MOV-spänningen är för högt ger det inte skydd mot lägre toppar som fortfarande kan orsaka skador. Om det istället är för lågt kommer det ofta att utlösas och MOV:er slits med upprepade spänningstoppar.

Dessutom orsakar omkoppling på/av för en induktiv last med ett AC SSR med TRIAC- eller tyristorutmatning en dv/dt-spänningstransient som kan orsaka felaktig SSR-aktivering. Även om den här felaktiga aktiveringen inte skadar SSR-enheten på samma sätt som en strömtopp som induceras av di/dt gör, är det fortfarande ett problem. För att förhindra att detta händer läggs även en RC-snubberkrets till för att dämpa den plötsliga spänningsökningen som TRIAC upplever (figur 13).

Schema över Omron RC-snubber på SSR-utgången

Figur 13: En RC-snubber på SSR-utgången hindrar felaktig aktivering på grund av induktiva belastningar. (Bildkälla: Omron Corp.)

Situationen för DC SSR:er är liknande, men något enklare. Om lasten är induktiv kan strömtoppen den genererar när den stängs av skada den nu öppna SSR-utgången. Standardlösningen är att ansluta en diod med katoden på den positiva polen för att ge en väg förbi SSR-enheten så att strömmen kan flöda och avledas (samma teknik används med spolarna i EMR:er och solenoider).

Slutsatser

Solid state-reläer är extremt användbara och kraftfulla komponenter för på-/avslagning av AC- och DC-laster samtidigt som de ger elektrisk isolering mellan reglering och last. De är robusta och logiska att använda, men konstruktörerna måste göra en noggrann bedömning av inmatning, utmatning, belastning och termisk situation för att välja en lämplig SSR och använda den för att tillförlitligt realisera dess prestanda.

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of Digi-Key Electronics or official policies of Digi-Key Electronics.

Om skribenten

Bill Schweber

Bill Schweber är en elektronikingenjör som har skrivit tre skolböcker om elektronikkommunikationssystem samt hundratals tekniska artiklar, kolumner och produktfokusartiklar. Tidigare har han arbetat som tekniskt ansvarig för ett flertal ämnesspecifika webbplatser hos EE Times, samt varit både Executive Editor och Analog Editor på EDN.

På Analog Devices, Inc. (en ledande leverantör av analoga kretsar och blandsignalskretsar) arbetade Bill med marknadskommunikation (PR). Det innebär att han har befunnit sig på bägge sidor av tekniken: han har både tagit fram produkter, berättelser och information till media och stått som mottagare.

Innan han kom till marknadskommunikationsavdelningen på Analog var Bill redaktör för deras välrenommerade tekniska magasin och deltog även i arbetet i företagets produktmarknadsförings- och applikationsingenjörsgrupper. Dessförinnan var Bill på Instron Corp. och arbetade praktiskt med design av analoga kretsar och strömkretsar samt systemintegration av maskinkontroller för materialtestning.

Han har en MSEE (Univ. of Mass) och kandidatexamen i elektroteknik (Columbia Univ.), är Registered Professional Engineer och har en amatörradiolicens av graden Advanced Class. Bill har även planerat, skrivit och presenterat onlinekurser i diverse teknikämnen, däribland grunderna om MOSFET, ADC-val och LED-drivkretsar.

Om utgivaren

Digi-Keys nordamerikanska redaktörer