Hvordan man anvender specialiserede lav-støj solid-state relæer til at begrænse EMI og opfylde kritiske standarder

Siden introduktionen for mere end tre årtier siden har solid state-relæer (SSR'er) fortrængt elektromagnetiske relæer (EMR'er) til skiftende applikationer, der kræver ultra-pålidelig, lysbuefri drift med lav effekt. Yderligere fordele ved SSR'er inkluderer lydløs drift og kompatibilitet med digitale kontrolkredsløb.

I krævende hjemmebrug, kommercielle og medicinske applikationer og især dem, hvor overholdelse af internationale elektromagnetiske kompatible standarder (EMC) som IEC 60947-4-3 er påkrævet - er det nødvendigt med omhyggeligt relævalg for at sikre elektromagnetisk interferens (EMI) genereret af relæ minimeres. Nogle produkter kan producere spændingsspidser og risikere manglende overholdelse af EMC-standarder.

Denne artikel vil forklare fordele og ulemper ved SSR'er og de applikationer, som de er bedst egnede til. Artiklen vil derefter se på nøgledelene i relæet, der kan forårsage generende emissioner, før der introduceres en række SSR'er med lavt støjniveau fra Sensata Technologies som designere kan bruge til EMI-følsomme kommercielle, hjemlige og medicinske applikationer.

EMR'er versus SSR'er

Fordi det udsættes for den fulde kredsløbsstrøm, når det er lukket, er det upraktisk at bruge en kontakt til at tænde og slukke for et kraftigt kredsløb. Afbryderen kan foresage farligt lysbuer under drift og overophedes i drift. Løsningen er at bruge et laveffektkredsløb, tændt og slukket af en konventionel switch, til at udløse højeffektkredsløbet.

Blandt fordelene ved dette arrangement er omkostnings- og pladsreduktioner på grund af en reduktion i længden af tunge ledninger, der er nødvendige til højeffektkredsløbet. Disse fordele skyldes, at relæet kan placeres tæt på belastningen, og tyndere ledninger kan bruges til at oprette forbindelse til lavstrømskontakten. Denne switch er typisk placeret i en position, der er mere bekvem for brugeren. Derudover kan laveffektkredsløbet isoleres galvanisk fra højeffektkredsløbet. Eksempler, hvor relæer anvendes, er kommercielle ovne, husholdningsapparater og medicinsk udstyr.

Traditionelle EMR'er bruger en spole, der får strøm fra laveffektkredsløbet til at skabe et magnetfelt, som derefter lukker (normalt åbne) kontakter. EMR'erne kan skifte en AC- eller DC-belastning op til deres maksimale nominelle værdi. Deres kontaktmodstand reduceres, når belastningen øges, hvilket reducerer strømforsyningen og eliminerer behovet for en kølelegeme (figur 1).

Figur 1: EMR'er forbinder vekselstrøm til belastningen, når kontakten i laveffektkredsløbet er lukket og aktiverer spolen, som igen lukker kontakterne. (Billedkilde: DigiKey)

De vigtigste fordele ved EMR'er er lave omkostninger og garanteret isolering ved enhver anvendt spænding under enhedens dielektriske værdi. Isolering er især vigtig, når højeffektkredsløbet skal være helt til eller fra uden brug af personskade som følge af lækstrømme. EMR'er er også en god mulighed, hvis der forventes store overspændingsstrømme eller spids-spændinger i vekselstrømsforsyningen.

De vigtigste ulemper ved EMR er potentialet for EMI og slitage. Fordi lysbuer kan forekomme, når kontakterne åbnes og lukkes, kan relæet generere mærkbar EMI. Generelt er niveauerne lave, og veldesignede EMR'er indeholder afskærmning for at mindske enhver emission, men der er behov for pleje til applikationer, der anvendes i områder tæt på EMI-følsomt udstyr.

Fordi EMR'er er mekaniske enheder, vil selv de bedst designede og fremstillede produkter i sidste ende slides op. I de fleste tilfælde er det spolen, der fejler først og efterlader enheden i en fejlsikker tilstand, fordi kontakterne normalt er åbne (NO), hvilket efterlader laveffektskredsløb isoleret fra højeffektskredsløbene. Når det er sagt, er moderne EMR'er meget pålidelige, og det er ofte tilfældet, at udstyret, der drives af relæet, slides først.

SSR'er er kommet til deres ret, da kontrolkredsløbene, der bruges til at skifte applikationer med høj effekt, er migreret til digital elektronik. Som navnet antyder, er SSR'er halvlederbaserede enheder, og som sådan er de velegnet til overvågning af mikrokontroller-baserede digitale kredsløb, især til applikationer med høj skiftehastighed.

SSR'er adresserer de vigtigste ulemper ved EMR'er. Fordi der ikke er nogen bevægelige dele, slides SSR'er ikke op. Enhederne udfører typisk i titusinder af cyklusser, men når de fejler, er det normalt i en "tændt" position, som kan have sikkerhedsmæssige konsekvenser. SSR'er genererer ingen lysbuer, når de åbnes eller lukkes, hvilket ikke kun gør dem egnede til brug i farlige miljøer, men eliminerer også kilden til meget af EMI, der kan plage EMR'er. De er også mekanisk lydløse, fungerer over en bred vifte af indgangsspændinger og bruger lidt strøm selv ved høje spændinger. Overgangen fra EMR'er til SSR'er er accelereret, da prisen på sidstnævnte fortsat falder.

De vigtigste ulemper ved SSR'er stammer fra deres basis som et halvlederkredsløb. For eksempel, når "tændt", er der betydelig modstand, der forårsager strømafledning af snesevis af watt med resulterende varmeopbygning. De termiske udfordringer er normalt sådan, at designeren skal inkludere en betydelig køleplade, som øger størrelsen og vægten af løsningen. SSR'er påvirkes også af omgivende varme og skal derfor nedsættes, hvis de anvendes ved forhøjede temperaturer. Den interne kredsløbsmodstand kan også generere et spændingsfald, som kan forårsage problemer for belastningen, hvis den er følsom over for ændringer i forsyningsspændingen. Mens de er i "slukket" tilstand, udviser SSR'er en vis lækstrøm. Ved høje spændinger kan dette være uønsket eller endda en sikkerhedsudfordring. Derudover kræver mange SSR'er en minimumsbelastning for at fungere korrekt.

Grundlæggende om SSR-operationer

Output-kontakten er nøgledelen til SSR. For et AC-udgangsrelæ kan udgangen styres af en triac eller back-to-back silicium-kontrollerede ensrettere (SCR'er). Den vigtigste fordel ved SCR-løsningen er en hurtig dv / dt-egenskab, især når relæet er slukket.

For eksempel, når en SSR med en triac, der styrer udgangen, slukker, kan dv/dt være så langsom som 5 til 10 volt/millisekund (volt/ms). Den langsomme dv/dt-karakteristik kan være et problem, fordi hvis di/dt for den faldende strøm (og/eller dv/dt for den genindførte spænding) er for lav, kan triac'en lede efter at AC-forsyningen krydser nulstrøm/spændingspunktet. En sådan begivenhed destabiliserer output og kan øge EMI.

Til sammenligning har SCR'er en dv/dt på omkring 500 volt/mikrosekund (volt/µs) og vil ikke lede efter nul-krydsningspunktet. En anden fordel ved en SSR med SCR er bedre varmeafledning, da komponenterne er spredt over et bredere område end en enkelt triac. Resten af denne artikel beskriver SSR'er med et back-to-back SCR-outputtrin.

En grundlæggende SSR ved anvendelse af SCR'er er vist i figur 2. AC-output SSR'er drives typisk af AC-ledningen. Når S1 (styret af indgangskredsløbet) er lukket, forbindes de respektive porte til SCR1 og SCR2, og strøm fra vekselstrømforsyningen strømmer gennem enten R1 eller R2 og ind i porten, uanset hvilken SCR der er forspændt fremad. Dette tænder SCR'en og relæet leder, hvilket giver belastning. For hver halve cyklus af vekselstrømsforsyningen fører SCR'erne skiftevis, og der tilføres strøm til belastningen. Når S1 åbnes, fortsætter uanset hvilken SCR der er “til”, indtil vekselstrømmen når nul, når SCR slukkes ”. På dette tidspunkt modtager den anden SCR ikke længere portstrøm, relæet åbnes, og strømmen til lasten fjernes.

Figur 2: Grundlæggende layout på et relæ ved hjælp af back-to-back SCR'er. S1 er dannet af lavt effektindgangskredsløb. (Billedkilde: Sensata-Crydom)

Moderne SSR'er er typisk afhængige af en optokobler for at give isolationen mellem lav- og højeffektskredsløb. De to nøglemuligheder for designeren er at bruge en LED/optotransistor-baseret optokobler eller en enhed, der kombinerer en LED og optotriac. En opto-transistor kræver mindre kontrolstrøm, sparer plads og giver designeren mere mulighed for at konfigurere kontrolkredsløbets egenskaber. Den vigtigste fordel ved triac-tilgangen er lavere omkostninger. En optotriac-styret relæskema er vist i figur 3.

Figur 3: I denne SSR er isolering mellem lav- og højeffektskredsløb via en optokobler baseret på en optotriac. (Billedkilde: Sensata-Crydom)

(For mere information om, hvordan du vælger en SSR, se DigiKey tekniske artikel, “Sådan skiftes strøm eller spænding sikkert og effektivt ved hjælp af SSR'er ”.)

SSR'er til lave EMI-miljøer

Valg af en SSR med SCR-styret output er en god mulighed for EMI-følsomme applikationer, fordi enhederne har iboende støjsvage egenskaber. Til særligt følsomme applikationer, såsom dem, der kræver brug af switch-produkter, der overholder IEC 60947-4-3-standarden, skal der vælges produkter med lavt støjniveau. SSR'er, der kun tændes, når AC-spændingen krydser nul-spændingspunktet, uanset hvornår input er aktiveret, er en god mulighed for disse applikationer.

Disse såkaldte nulkrydsningsanordninger eliminerer indgangsstrøm og spændingsspidser, der kan opstå, når der tændes for kraftige kredsløb, mens AC-udgangen er midt i cyklus. Dette sænker igen forekomsten af EMI. Designere bør bemærke, at selvom nulkrydsende SSR'er er særligt velegnede til modstandsbelastninger såsom varmeapparater, er de ikke velegnet til meget induktive belastninger. Et bedre valg for disse applikationer er såkaldte randon-switch SSR'er. Disse skifter, med det øjeblik indgangskontakten aktiveres, snarere end at vente på, at vekselstrømforsyningen når nul.

Sensata Technologies, der tilbyder Sensata-Crydom SSR-mærke, har for nylig introduceret tre produkter i LN-serien AC-output SSR'er med lavt støjområde. LND4425 kan levere 25 ampere (A) til udgangen, mens LND4450 leverer 50 A og LND4475 forsyninger 75 A. Enhederne kræver en mindstebelastningsstrøm på 100 milliampere _rms (mA_rms) til stabil drift, leveres i formfaktoren "hockey-puck" og vejer omkring 75 gram (g) (figur 4). Alle tre løsninger har en 48 til 528 volt AC-udgang og fungerer fra en kontrolspænding på 4,8 til 32 volt DC. De har indbygget input/output overspændingsbeskyttelse, og deres dielektriske styrke fra input til output er 3500 volt_rms.

Figur 4: Sensata-Crydoms LND44xx SSR'er tilbyder op til 75 A og 528 volt fra en kompakt opløsning, der kun vejer 75 g. (Billedkilde: Sensata-Crydom)

LN-serien er designet til den laveste EMI-operationer. De bruger en optokobler med en optotriac på indgangen og back-to-back SCR'er til outputkontrol for at overvinde potentiel EMI, der kan opstå som et resultat af en langsom dv/dt-karakteristik. Back-to-back SCR'erne har en dv/dt på 500 volt/µs. Produkterne har også et patenteret triggerkredsløb, der muliggør resistiv belastningskobling med minimal EMI. En skematisk oversigt over LN-seriens SSR'er er vist i figur 5.

Figur 5: Sensata-Crydoms SSR'er i LN-serien er designet til at minimere EMI med funktioner såsom et patenteret triggerkredsløb og back-to-back SCR'er. (Billedkilde: Sensata-Crydom)

Resultatet af disse EMI-afbødningsfunktioner er overensstemmelse med IEC60947-4-3 Miljø B for lavspændings-, kommercielle og lette industrielle placeringer (figur 6).

Figur 6: Udført RF-emissionstest til Sensata-Crydom LND4450 SSR. Tærsklen for overholdelse af IEC60947-4-3 Miljø B vises som en solid orange linje. (Billedkilde: Sensata-Crydom)

LN-serien er særligt velegnet til applikationer såsom varmeapparater i kommercielle ovne som vist i figur 7.

Figur 7: Relæer, der anvendes i kommercielle ovne, skal overholde IEC60947-4-3 miljø B-reglerne. I denne grafik er relæplaceringer markeret med tal med “1”, der angiver, hvor LND44xx SSR'er ville være et godt valg. (Billedkilde: Sensata-Crydom)

Konklusion

Relæer er en enkel og gennemprøvet løsning til at skifte et kraftigt kredsløb ved hjælp af et aktiveringskredsløb med lav effekt. EMR'er er en god mulighed, hvor der er behov for en billig løsning, men er mindre velegnede til brug i højfrekvente koblingsapplikationer og EMI-følsomme områder. SSR'er er dyrere, men tilbyder robust og slitagefri drift og er særligt kompatible med digital elektronik. Imidlertid bør designere, der vælger SSR'er, være opmærksomme på de termiske udfordringer, de medfører på grund af højere varmeafledning i lignende applikationer sammenlignet med EMR'er.

Mens alle typer SSR'er udviser lavere EMI end EMR'er, kæmper nogle designs for at imødekomme EMC-lovgivningsmæssige krav som dem, der er specificeret i IEC60947-4-3 Miljø B. som er vist løsningen at bruge SSR'er med back-to-back SCR-outputtrin. Disse tilbyder nul-krydsningskobling, hvilket resulterer i ultralave RF-emissioner, hvilket gør det lettere at opfylde overholdelsen.