Använd solid state-reläer i fabriksautomation för hög tillförlitlighet, snabb växling och låga elektromagnetiska störningar

Avancerad diagnostik och förebyggande underhåll används i allt högre grad för att undvika dyrbar stilleståndstid för fabriksautomation inom branscher som livsmedels- och dryckesproduktion, automatiserad montering och andra kontinuerliga bearbetningssystem, likväl som för luftbehandling, vattenrening och kraftgenerering. Tillförlitliga reläer för växling är avgörande för dessa automatiserade industriella processer. De måste kunna växla snabbt, fungera kontinuerligt under krävande förhållanden med minimalt kontaktslitage och inte orsaka elektromagnetiska störningar (EMI) som kan påverka trådlösa sensorer och styrenheter.

Solid state-reläer (SSR) uppfyller växlingskraven för fabriksautomation med hjälp av innovativ teknik som förbättrar tillförlitligheten och hållbarheten för att garantera en konsekvent prestanda även i tuffa miljöer.

Artikeln beskriver kortfattat de krav på växling som gäller för fabriksautomation. Därefter presenteras exempel på solid-state reläer från Hirose och hur de kan användas för att uppfylla kraven.

Definiera och uppfylla kraven för omkoppling inom fabriksautomation

Växlingsbehoven inom fabriksautomation omfattar tillförlitlighet till låg kostnad, snabba aktiveringstider utan kontaktstuds eller ljusbågar, minimala elektromagnetiska störningar som kan påverka närliggande kretsar eller de trådlösa sensorer och nätverk som används i allt större utsträckning i fabrikerna, samt hög tolerans mot mekaniska stötar och vibrationer.

SSR:er använder halvledarkomponenter för att utföra växlingen och uppfylla dessa krav. De kan manövreras med antingen lik- eller växelspänning och det finns olika modeller för alla typer av excitering (figur 1).

Figur 1: Dessa blockdiagram över SSR:ers funktion visar de viktiga komponenterna för både lik- (överst) och växelspänningsmanövrerade (nederst) modeller. (Bildkälla: Harwin Inc.)

Likspänningsaktiverade SSR:er (överst) reglerar den tillförda spänningen. Växelströmsaktiverade SSR:er (nederst) använder en likriktarbrygga för att omvandla aktiveringssignalen till likström. Båda typerna av SSR:er isolerar manöversignalen optiskt från utgången. Det aktiva elementet i SSR:erna är ett par kiselstyrda likriktare (SCR). SSR:erna har ett överspänningsskydd i form av en TVS-diod (transientspänningsdämpning) som är ansluten mellan SCR:ernas grindar för att skydda SSR:en och förhindra oväntade tillståndsändringar vid elektriska transienter i nätet.

Växlingen drar nytta av halvledarkomponenternas snabba växlingstider och styrs av triggerkretsen. Växlingen kan ske vid nollgenomgångar av utspänningen efter att manöversignalen applicerats, eller slumpmässigt (momentant) med manöversignalen (Figur 2).

Bild 2: Växlingskarakteristiken väljs för att passa den avsedda tillämpningen av SSR. (Bildkälla: Littelfuse Inc.)

Tillslag vid nollgenomgång används för tillämpningar med höga strömmar, som t.ex. industriella värmare, där den minimerar strömrustningar. Omedelbar tillslag används när växlingen måste ske med hög frekvens. Omedelbar växling ger högsta möjliga växlingsfrekvens.

Exempel på SSR:er

Littelfuse Inc. har utvecklat SSR-reläfamiljen SRP1 med hög tålighet för att tillgodose behovet av mer tillförlitliga och långlivade effektreläer i industriella och kommersiella maskintillämpningar. Den finns i två modellserier: SRP1-CB SSR med hög tålighet, och SRP1-CR allt-i-ett SSR med hög tålighet, beröringssäkerhet och överspänningsskydd (bild 3, vänster och mitten).

Figur 3: Här visas den rena SSR:en SRP1-CB (vänster), den beröringssäkra SSR:n SRP1-CR (mitten) och de alternativa snabbkopplingsplintarna på SRP1-CB...F (höger). (Bildkälla: Littelfuse Inc.)

Littelfuse har utvecklat proprietära halvledare för att minimera komponentförsämring på grund av värme och ge optimala prestanda vid tuffa förhållanden. Båda modellserierna har enheter med lik- eller växelspänningsaktivering och utströmmar på 10, 25 och 50 A i två olika utspänningsområden, 24 V_AC till 240 V_AC eller 48 V_AC till 600 V_AC. Modellerna skiljer sig åt genom att SRP1-CR har integrerade skydds- och installationsfunktioner, inklusive ett IP20-lock för fingerskydd, överspänningsskydd med TVS-diod och en förmonterad termisk dyna. Versionen SRP1-CB...F (figur 3, höger) har även snabbkopplingsplintar.

Reläerna är SPST-enheter (single-pole, single-throw) och är kopplade i serie med utgångens belastning (figur 4).

Figur 4: SRP1 SSR:erna är seriekopplade med utgångsbelastningen; ingången drivs av antingen en lik- eller växelspänningssignal, beroende på modell. (Bildkälla: Littelfuse Inc.)

SSR:er kräver en kylfläns för att fungera vid sina angivna märkvärden. Båda modellerna från Littelfuse använder den senaste direktbindningstekniken för att garantera maximal tillförlitlighet och lång livslängd för produkten. Reläerna SRP1-CR har en inbyggd termisk dyna för effektiv värmeavledning som inte kräver någon kylpasta, för att möjliggöra en ren och enkel installation. Termiska korrigeringskurvor (figur 5) visar den maximala utgångsström som kan hanteras vid olika omgivningstemperaturer och kylflänsar med olika termiska resistanser.

Figur 5: Här visas korrigeringskurvor för SSR:er i serien SRP1-CR för olika omgivningstemperaturer och kylflänsar. (Bildkälla: Harwin Inc.)

Värmeresistansen anges i ˚C per watt (°C/W). En kylfläns som är klassad till 10 °C/W blir 10 °C varmare än den omgivande luften för varje 1 W värme som den avger. Kylflänsar med lägre värmeresistans är mer effektiva än kylflänsar med högre värmeresistans och kyler därför bättre.

SRP1 SSR är certifierade för att uppfylla olika standarder för hälsa, säkerhet, miljö, elektromagnetisk kompatibilitet och elektrostatisk immunitet, inklusive UL, CAN/CSA, IEC, CISPR, RoHS och REACH. De är väl lämpade för tillämpningar med uppvärmning och rörelsekontroll inom industriell automation. De fungerar även bra inom livsmedels- och dryckesindustrin, där de styr industriugnar, förpackningsutrustningar och transportsystem. I värme-, ventilations- och luftkonditioneringssystem används reläerna för luftbehandlingsaggregat och kompressorer, likväl som i storskaliga belysningssystem. Alla dessa tillämpningar kräver överlägsen prestanda och extremt hög tillförlitlighet, och SRP1-serien har alternativ för att uppfylla olika krav på ström, spänning, svarstid och växling.

SRP1-CBAZL-050NW-N är t.ex. en SSR som är klassad för 50 A med en utgång på 24 V_AC till 240 V_AC. Den tar emot en inspänning på 90 V_AC till 280 V_AC och växlar vid nollgenomgången av utspänningen. Den har en maximalt resistans i tillslaget läge på 6,3 milliohm (mΩ), vilket innebär att reläet endast ger ett spänningsfall på 0,3 V vid maximal strömstyrka. Det nominella maximala spänningsfallet är 1,3 V. Reläet aktiveras på mindre än 20 ms, inklusive väntetiden för nollgenomgången, och slås av på mindre än 30 ms.

SRP1-CBDZL-010NF-N är ett exempel på ett likspänningsaktiverat SSR. Det har en utström på 10 A med en utspänning på 24 V_AC till 240 V_AC. Inspänningen är 4 V_DC till 32 V_DC. Den växlar även vid utspänningens nollgenomgång och har samma maximala resistans i på 6,3 mΩ i tillslaget läge. Det skiljer sig från standardreläerna SRP1-CB genom att det har snabbkopplingsplintar. Dess tillslagstid är lika med en halv cykel av utgångens vågform.

SRP1-CRARH-025TC-N är en beröringssäker version av serien SRP1 och är klassificerad för en utström på 25 A. Modellen är växelspänningsstyrd med en inspänning på 90 V_AC till 280 V_AC. Den skiljer sig från de andra modellerna genom att den har en omedelbar växling och använder ett högt utspänningsområde på 48 V_AC till 600 V_AC. Reläets tillslagstid är mindre än 20 ms och dess frånslagstid är mindre än 30 ms.

Den snabbaste responstiden uppnås med ett relä med likspänningsingång och direkt växling. Ett exempel är SRP1-CRDRL-010TC-N. Detta SSR har en utström på 10 A med en utspänning på 24 V_AC till 240 V_AC. Inspänningen är 4 V_DC till 32 V_DC. Tillslagstiden är 20 µs och frånslagstiden är mindre än en halv cykel av utgångens vågform, vilket är en av de snabbaste cykeltiderna för reläer.

Sammanfattning

För att uppfylla kraven på växlingsprestanda, tillförlitlighet och internationella standarder inom fabriksautomation kan konstruktörer förlita sig på SSR-serien SRP1. Serien använder framsteg inom halvledarteknik för att uppnå lång livslängd, hög växlingshastighet och minimala elektromagnetiska störningar för en stor mängd utströmmar och inspänningar som styrningsalternativ.