Hvis der er uklarheder i denne artikel, bedes du se den originale engelske version.

Brug faststofrelæer i fabriksautomatisering til høj pålidelighed, hurtig kobling og lav EMI

Af Art Pini

Bidraget af DigiKeys nordamerikanske redaktører

For at undgå dyr nedetid bruges avanceret diagnostik og forebyggende vedligeholdelse i stigende grad i fabriksautomatisering på tværs af brancher som fødevare- og drikkevareproduktion, automatiseret samling og andre kontinuerlige behandlingssystemer samt HVAC, vandrensning og elproduktionsmaskiner. Pålidelige relæer til kobling er afgørende for disse automatiserede industriprocesser. De skal kunne koble hurtigt, fungere kontinuerligt under udfordrende forhold med minimal kontaktslitage og ikke forårsage elektromagnetisk interferens (EMI), som kan påvirke trådløse sensorer og styringer.

Solid-state relæer (SSR'er) opfylder koblingskravene til fabriksautomatisering ved hjælp af innovativ teknologi, der forbedrer pålideligheden og holdbarheden for at sikre ensartet ydeevne selv i barske miljøer.

Denne artikel diskuterer kort kravene til kobling i fabriksautomatisering. Derefter introduceres eksempler på SSR'er fra Littelfuse, og det vises, hvordan de kan bruges til at opfylde disse krav.

Definition og opfyldelse af koblingskrav til fabriksautomatisering

Behovet for koblinger til fabriksautomatisering omfatter pålidelighed til lave omkostninger, hurtige aktiveringstider uden kontaktstød eller lysbuer, minimal EMI, der kan påvirke nærliggende kredsløb eller de trådløse sensorer og netværk, der i stigende grad bruges på fabrikker, og høj tolerance over for mekaniske stød og vibrationer.

SSR'er anvender halvlederkomponenter til at udføre koblingsoperationen for at opfylde disse krav. De kan aktiveres af enten AC- eller DC-spændinger med forskellige modeller til hver type excitation (figur 1).

Billede af funktionelle blokdiagrammer af SSR'er (klik for at forstørre)Figur 1: Disse funktionelle blokdiagrammer af SSR'er viser de kritiske komponenter for både DC- (øverst) og AC- (nederst) aktiverede modeller. (Billedkilde: Littelfuse Inc.)

DC-aktiverede SSR'er (øverst) regulerer den tilførte spænding. AC-aktiverede SSR'er (nederst) bruger en fuldbølgebro-ensretter til at konvertere det exciterede signal til DC. Begge typer SSR'er isolerer aktiveringssignalet optisk fra udgangen. Det aktive element i disse SSR'er er et par siliciumstyrede ensrettere (SCR'er). Disse SSR'er omfatter overspændingsbeskyttelse i form af en TVS-diode (Transient Voltage Suppression), der er forbundet mellem SCR'ernes gates for at beskytte SSR'en og forhindre uventede tilstandsændringer i tilfælde af elektriske transienter på netværket.

Koblingssvaret udnytter de hurtige koblingstider for halvlederenhederne og styres af triggerkredsløbet. Koblingen kan ske ved nulgennemgang af udgangsspændingen efter påføring af aktiveringssignalet eller tilfældigt (momentant) med aktiveringssignalet (figur 2).

Graf over koblingskarakteristikaFigur 2: Koblingskarakteristikken vælges, så den passer til den påtænkte anvendelse af SSR'en. (Billedkilde: Littelfuse Inc.)

Nulgennemgang tønding bruges til applikationer med høje strømme, som f.eks. industrielle varmelegemer, hvor den minimerer indkoblingsstrømme. Øjeblikkelig tænding bruges, hvor der skal kobles ved en høj frekvens. Øjeblikkelig kobling giver den højest mulige koblingsfrekvens.

Eksempler på SSR'er

For at imødekomme behovet for mere pålidelige og langtidsholdbare effektrelæer i industrielle og kommercielle maskinapplikationer har Littelfuse Inc. designet SRP1-familien af SSR'er med høj holdbarhed. Den tilbydes i to modelserier: SRP1-CB med høj holdbarhed, bare SSR og SRP1-CR med høj holdbarhed, alt-i-en SSR med berøringssikring og overspændingsbeskyttelse (figur 3, til venstre og i midten).

Billede af Littelfuse SRP1-CB bare SSR (til venstre), SRP1-CR berøringssikker SSR (i midten) og SRP1-CB...FFigur 3: Her ses SRP1-CB bare SSR (venstre), SRP1-CR berøringssikker SSR (midten) og de alternative hurtigkoblingsterminaler på SRP1-CB...F (højre). (Billedkilde: Littelfuse Inc.)

Littelfuse har designet proprietære halvledere for at minimere komponentnedbrydning på grund af varme og levere optimal ydelse under barske forhold. Begge modelrækker tilbyder enheder med AC- eller DC-aktivering og en udgangsstrøm på 10 A, 25 A og 50 A i et af to udgangsspændingsområder, 24 VAC til 240 VAC eller 48 VAC til 600 VAC. Modellerne adskiller sig ved, at SRP1-CR har integrerede beskyttelses- og installationsfunktioner, herunder et IP20-fingersikkert dæksel, TVS-diode-overspændingsbeskyttelse og en forudmonteret termisk pude. SRP1-CB...F-versionen (figur 3, til højre) har også hurtigkoblingsterminaler.

Relæerne er SPST-enheder (enkeltpolet, enkeltkast), der er koblet i serie med udgangsbelastningen (figur 4).

Billede af Littelfuse SRP1 SSR'er er seriekobledeFigur 4: SRP1 SSR'erne er koblet i serie med udgangsbelastningen; indgangen drives af enten et AC- eller DC-aktiveringssignal, afhængigt af modellen. (Billedkilde: Littelfuse Inc.)

SSR'er kræver et kølelegeme for at fungere ved deres specificerede værdier. Begge Littelfuse-modeller bruger den nyeste direkte bonding-teknologi for at sikre maksimal pålidelighed og produktlevetid. SRP1-CR-relæerne har en indbygget termisk pude til effektiv varmeafledning, der ikke behøver en termisk forbindelse, hvilket giver en ren og nem installation. Diagrammer over termisk reducering (figur 5) viser den maksimale udgangsstrøm, der kan understøttes ved forskellige omgivelsestemperaturer og kølelegemer med forskellige termiske modstande.

Billede af reduceringskurver for SSR'er i Littelfuse SRP1-CR-serien (klik for at forstørre)Figur 5: Der vises reduceringskurver for SSR'erne i SRP1-CR-serien for forskellige omgivelsestemperaturer og køleplader. (Billedkilde: Littelfuse Inc.)

Varmemodstand angives i ˚C pr. watt (°C/W). En kølelegeme, der er klassificeret til 10 °C/W, bliver 10 °C varmere end den omgivende luft for hver 1 W varme, den afgiver. Kølelegemer med lavere termisk modstand er mere effektive end kølelegemer med højere termisk modstand og køler derfor bedre.

SRP1 SSR'erne er certificeret til at overholde forskellige standarder for sundhed, sikkerhed, miljø, elektromagnetisk kompatibilitet og elektrostatisk immunitet, herunder UL, CAN/CSA, IEC, CISPR, RoHS og REACH. De passer godt til applikationer til opvarmning og bevægelseskontrol i industriel automatisering. De fungerer også godt i føde- og drikkevareindustrien, hvor de styrer industriovne, emballeringsudstyr og transportsystemer. Varme-, ventilations- og klimaanlæg bruger disse relæer til luftbehandlere og kompressorer, og det samme gør store belysningssystemer. Alle disse anvendelser kræver fremragende ydeevne og ultrahøj pålidelighed, og SRP1-serien har muligheder for at opfylde forskellige krav til strøm, spænding, responstid og kobling.

SRP1-CBAZL-050NW-N er f.eks. en SSR på 50 A med en udgang på 24 VAC til 240 VAC. Den accepterer en indgangsspænding på 90 VAC til 280 VAC og skifter ved nulgennemgangen af udgangsspændingen. Det har en maksimal on-tilstand-modstand på 6,3 milliohm (), hvilket kun giver et fald på 0,3 V over relæet ved maksimal strøm. Det nominelle maksimale spændingsfald er 1,3 V. Relæet tænder på mindre end 20 millisekunder (ms), inklusive ventetiden på nulgennemgangen, og slukker på mindre end 30 ms.

SRP1-CBDZL-010NF-N er et eksempel på en DC-aktiveret SSR. Den har en udgangsstrøm på 10 A med et udgangsspændingsområde på 24 VAC til 240 VAC. Indgangsspændingsområdet er 4 VDC til 32 VDC. Den kobler også ved nulgennemgangen af udgangsspændingen og har samme maksimale on-tilstand modstand på 6,3 . Det adskiller sig fra standard SRP1-CB-relæerne ved at have hurtigkoblingsterminaler. Dens tændingstid er lig med en halv cyklus af udgangsbølgeformen.

SRP1-CRARH-025TC-N er en berøringssikker version af SRP1-serien og er beregnet til en udgangsstrøm på 25 A. Denne model er AC-aktiveret med en indgangsspænding på 90 VAC til 280 VAC. Den adskiller sig fra de andre modeller, fordi den har en øjeblikkelig koblingsrespons og bruger et højt udgangsspændingsområde på 48 VAC til 600 VAC. Relæets tændtid er mindre end 20 millisekunder (ms), og dets sluktid er mindre end 30 ms.

Den hurtigste reaktionstid opnås ved at bruge et relæ med DC-indgang og en øjeblikkelig koblingsrespons. Et eksempel er SRP1-CRDRL-010TC-N. Dette SSR har en udgangsstrøm på 10 A med et udgangsspændingsområde på 24 VAC til 240 VAC. Indgangsspændingsområdet er 4 VDC til 32 VDC. Dets tændtid er 20 mikrosekunder (µs), og dets sluktid er mindre end halvdelen af udgangsbølgeformens cyklus, hvilket gør det til et af de hurtigste relæcyklustider.

Konklusion

For at opfylde kravene til koblingsydelse, pålidelighed og internationale standarder for fabriksautomatisering kan designere stole på SRP1-serien af SSR'er. Denne serie bruger fremskridt inden for halvlederteknologi til at opnå lang levetid, høj koblingshastighed og minimal EMI på tværs af en bred vifte af udgangsstrømme og indgangsstyringsmuligheder.

DigiKey logo

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 DigiKey or official policies of DigiKey.

Om denne forfatter

Image of Art Pini

Art Pini

Arthur (Art) Pini er en bidragydende forfatter hos DigiKey. Han har en kandidatgrad i electrical engineering fra City College i New York og en universitetsgrad i electrical engineering fra City University of New York. Han har over 50 års erfaring inden for elektronik og har arbejdet som nøgleingeniør og i en marketing-rolle hos Teledyne LeCroy, Summation, Wavetek og Nicolet Scientific. Han har interesser i måleteknologi og omfattende erfaring med oscilloskoper, spektrumanalysatorer, vilkårlige bølgeformgeneratorer, digitaliseringsmaskiner og effektmålere.

Om udgiveren

DigiKeys nordamerikanske redaktører