Cum se aplică releele de stare solidă specializate cu zgomot redus pentru limitarea interferențelor EMI și pentru respectarea cerințelor standardelor critice

De la introducerea lor cu peste trei decenii în urmă, releele în stare solidă (SSR) au înlocuit releele electromagnetice (EMR) în aplicațiile de comutare care au nevoie de o funcționare ultra-fiabilă, fără generare de arcuri electrice, cu putere joasă. Avantajele suplimentare ale SSR-urilor includ funcționarea fără zgomot și compatibilitatea cu circuitele de control digital.

Cu toate acestea, în aplicațiile rezidențiale, comerciale și medicale solicitante – în special în cazul celor în care se impune respectarea standardelor internaționale de compatibilitate electromagnetică (EMC), cum ar fi IEC 60947-4-3 – este necesară selectarea atentă a releului în scopul asigurării minimizării interferențelor electromagnetice (EMI) generate de releu. Anumite produse pot produce vârfuri de tensiune și riscă nerespectarea cerințelor standardelor referitoare la EMC.

Acest articol va explica avantajele și dezavantajele SSR-urilor și aplicațiile pentru care acestea sunt cele mai potrivite. Apoi, articolul va analiza acele părți cheie ale releului care pot genera emisii problematice înainte de introducerea unei game de SSR-uri cu zgomot redus de la Sensata Technologies, pe care proiectanții le pot utiliza pentru aplicații comerciale, rezidențiale și medicale sensibile la interferențele EMI.

EMR-uri versus SSR-uri

Deoarece comutatorul este expus la curentul întregului circuit atunci când este închis, utilizarea unui comutator pentru pornirea și oprirea unui circuit de mare putere nu este practică. În timpul funcționării, comutatorul formează arcuri electrice periculoase și se supraîncălzește. Soluția este utilizarea unui circuit de joasă putere, pornit și oprit de un comutator convențional, pentru declanșarea circuitului de putere ridicată.

Printre avantajele acestui aranjament se numără reducerea costurilor și a spațiului datorită reducerii lungimii cablajelor grele necesare circuitului de mare putere. Aceste avantaje se datorează faptului că releul poate fi amplasat aproape de sarcină, iar firele mai subțiri pot fi utilizate pentru conectarea la întrerupătorul de joasă putere. De obicei, acest comutator este situat într-o poziție mai avantajoasă pentru utilizator. În plus, circuitul de joasă putere poate fi izolat galvanic de circuitul de putere ridicată. Exemple în care sunt utilizate relee includ cuptoarele comerciale, aparatele de uz casnic și echipamentele medicale.

EMR-urile tradiționale folosesc o bobină alimentată de circuitul de joasă putere pentru a crea un câmp magnetic, care, ulterior, închide contactele (deschise în mod normal). EMR-urile pot comuta o sarcină de curent alternativ sau continuu până la valoarea maximă. Rezistența lor la contact se reduce pe măsură ce sarcina crește, reducând disiparea puterii și eliminând necesitatea unui disipator termic (Figura 1).

Figura 1: EMR-urile conectează alimentarea c.a. la sarcină atunci când comutatorul din circuitul de joasă putere este închis și alimentează bobina care, la rândul său, închide contactele. (Sursă imagine: DigiKey)

Avantajele cheie ale EMR-urilor sunt costurile reduse și izolația garantată la orice tensiune aplicată sub valoarea dielectrică a dispozitivului. Izolația este deosebit de importantă atunci când circuitul de mare putere trebuie să fie complet pornit sau oprit, fără pericolul de rănire a utilizatorului din cauza curenților de scurgere. De asemenea, EMR-urile sunt o opțiune bună dacă se anticipează prezența unor mari creşteri bruște ale curentului sau vârfuri de tensiune în alimentarea c.a.

Dezavantajele cheie ale EMR-urilor sunt potențialul pentru interferențele EMI și pentru uzură. Deoarece la deschiderea și închiderea contactelor se pot forma arcuri electrice, releul poate genera interferențe EMI considerabile. În general, nivelurile sunt scăzute și EMR-urile bine proiectate încorporează ecranare pentru atenuarea emisiilor, dar este necesară precauție în cazul aplicațiilor utilizate în zone apropiate de echipamente sensibile la interferențele EMI.

Deoarece EMR-urile sunt dispozitive mecanice, chiar și produsele cel mai bine concepute și fabricate se vor uza în cele din urmă. În cele mai multe cazuri, bobina este prima care se defectează, lăsând dispozitivul într-o stare autoprotejată, căci contactele sunt, în mod normal, deschise (NO), lăsând circuitele de joasă putere izolate de circuitele de putere ridicată. Acestea fiind spuse, EMR-urile moderne sunt foarte fiabile și, cel mai adesea, echipamentul alimentat de releu este cel care se uzează primul.

SSR-urile își intră în rol pe măsură ce circuitele de control utilizate pentru comutarea aplicațiilor de mare putere migrează către electronica digitală. După cum sugerează și numele, SSR-urile sunt dispozitive bazate pe semiconductori și, ca atare, sunt potrivite pentru supravegherea prin circuite digitale bazate pe microcontrolere, în special pentru aplicații cu viteză mare de comutare.

SSR-urile abordează dezavantajele cheie ale EMR-urilor. Deoarece nu conțin piese mobile, SSR-urile nu se uzează. Dispozitivele funcționează, de obicei, pe parcursul a zeci de milioane de cicluri, dar atunci când se defectează, acestea sunt de obicei în poziția „pornit”, ceea ce ar putea avea implicații pentru siguranță. SSR-urile nu generează arcuri electrice la deschidere sau închidere, ceea ce nu numai că le face adecvate pentru utilizare în medii periculoase, dar elimină și sursa multor interferențe EMI care pot afecta EMR-urile. De asemenea, sunt silențioase din punct de vedere mecanic, funcționează pe o gamă largă de tensiuni de intrare și consumă puțină energie, chiar și la tensiuni înalte. Trecerea de la EMR-uri la SSR-uri a accelerat pe măsură ce prețul acestora din urmă continuă să scadă.

Dezavantajele cheie ale SSR-urilor derivă din baza lor ca circuit semiconductor. De exemplu, când sunt în poziția „pornit”, există o rezistență substanțială, provocând disiparea puterii de zeci de wați, cu acumulare de căldură rezultantă. Provocările termice sunt de obicei de o asemenea natură, încât proiectantul trebuie să includă un disipator termic substanțial, care crește dimensiunea și greutatea soluției. De asemenea, SSR-urile sunt afectate de căldura ambiantă și, prin urmare, acestea trebuie să funcționeze în subregim dacă sunt utilizate la temperaturi ridicate. Rezistența circuitului intern poate genera, de asemenea, o cădere de tensiune ce ar putea cauza probleme pentru sarcină dacă este sensibilă la modificările tensiunii de alimentare. Când se află în starea „oprit”, SSR-urile prezintă un curent de scurgere. La tensiuni ridicate, acest lucru poate fi indezirabil sau poate constitui chiar o provocare pentru siguranță. În plus, multe SSR-uri necesită o sarcină minimă pentru a funcționa corect.

Bazele funcționării SSR

Comutatorul de ieșire este partea cheie a SSR. Pentru un releu de ieșire c.a., ieșirea poate fi controlată de un triac sau de redresoare controlate cu siliciu (SCR) montate în serie. Avantajul cheie al soluției SCR este caracteristica ratei dv/dt rapide, în special atunci când releul este „oprit”.

De exemplu, când un SSR cu ieșirea controlată de un triac se oprește, rata dv/dt poate fi destul de lentă, chiar între 5 și 10 volți/milisecundă (volți/ms). Caracteristica ratei dv/dt lente poate reprezenta o problemă, deoarece dacă di/dt pentru curentul descrescător (și/sau dv/dt pentru tensiunea reaplicată) este prea superficială, triacul poate conduce electricitatea după ce sursa c.a. traversează punctul de curent/tensiune zero. Un astfel de eveniment destabilizează ieșirea și poate crește interferențele EMI.

Prin comparație, SCR-urile au o rată dv/dt de aproximativ 500 volți/microsecundă (volți/µs) și nu vor conduce electricitate după punctul de trecere zero. Un alt avantaj al unui SSR cu SCR-uri este disiparea mai bună a căldurii, deoarece componentele sunt împrăștiate pe o zonă mai largă comparativ cu un singur triac. În continuare, acest articol va descrie SSR-urile cu o etapă de ieșire SCR-uri montate în serie.

Un SSR de bază care utilizează SCR-uri este prezentat în Figura 2. SSR-urile de ieșire c.a. sunt alimentate de obicei de linia c.a. Când S1 (controlat de circuitul de intrare) este închis, porțile respective ale SCR1 și SCR2 sunt conectate, iar curentul de la sursa de curent alternativ circulă fie prin R1, fie prin R2, și intră în poarta oricărui SCR care este polarizat direct. Acest lucru activează SCR-ul și releul conduce electricitate, alimentând sarcina. Pentru fiecare jumătate de ciclu de alimentare c.a., SCR-urile conduc electricitate în mod alternativ, curentul fiind alimentat sarcinii. Când S1 este deschis, oricare dintre SCR-uri este „pornit” va continua să conducă electricitate până când curentul c.a. ajunge la zero atunci când SCR-ul „se oprește”. În acest moment, celălalt SCR nu mai primește curent de poartă, releul se deschide și alimentarea sarcinii este eliminată.

Figura 2: Aspectul de bază al unui releu utilizând SCR-uri montate în serie. S1 este format de circuitul de intrare de joasă putere. (Sursă imagine: Sensata-Crydom)

De obicei, SSR-urile moderne se bazează pe un optocuplor pentru a asigura izolația între circuitele de joasă putere și circuitele de putere ridicată. Cele două opțiuni cheie pentru proiectant sunt utilizarea unui optocuplor pe bază de led/optotranzistor sau a unui dispozitiv care combină un led și optotriac. Un optotranzistor necesită mai puțin curent de control, economisește spațiu și îi oferă proiectantului mai multe oportunități de configurare a caracteristicilor circuitului de control. Avantajul cheie al abordării triacului este costul mai mic. În Figura 3 este prezentată schema unui releu controlat cu optotriac.

Figura 3: În acest SSR, izolația dintre circuitele de joasă putere și circuitele de putere ridicată se realizează printr-un optocuplor bazat pe un optotriac. (Sursă imagine: Sensata-Crydom)

(Pentru mai multe informații despre modul de selectare a unui SSR, consultați articolul tehnic DigiKey, „Cum să comutați în siguranță și eficient curentul sau tensiunea utilizând SSR-urile”.)

SSR-uri pentru medii cu nivel redus de interferențe EMI

Selectarea unui SSR cu ieșire controlată cu SCR este o opțiune bună pentru aplicațiile sensibile la interferențele EMI, deoarece dispozitivele au caracteristici inerente de zgomot redus. Pentru aplicații deosebit de sensibile, cum ar fi cele care implică utilizarea produselor de comutare conforme cu standardul IEC 60947-4-3, trebuie selectate produse cu zgomot redus. SSR-urile care pornesc numai atunci când tensiunea c.a. traversează punctul de tensiune zero – indiferent de momentul în care intrarea este activată – sunt o opțiune bună pentru aceste aplicații.

Aceste așa-numite dispozitive de trecere prin valoarea zero elimină vârfurile curentului de anclanşare și vârfurile de tensiune ce ar putea rezulta atunci când porniți circuite de mare putere, când ieșirea de c.a. este la mijlocul ciclului. La rândul său, aceasta reduce incidența interferențelor EMI. Proiectanții trebuie să rețină că, deși SSR-urile cu trecere prin valoarea zero sunt potrivite, în special, pentru sarcini rezistive, cum ar fi încălzitoarele, nu sunt potrivite pentru sarcini cu inducție ridicată. O alegere mai bună pentru aceste aplicații sunt așa-numitele SSR-uri cu comutare aleatorie. Acestea comută în momentul în care comutatorul de intrare este activat, mai degrabă decât să aștepte până când sursa de curent alternativ ajunge la zero.

Sensata Technologies, care oferă marca de SSR-uri Sensata-Crydom, a introdus recent trei produse în SSR-urile sale din seria LN din gama cu zgomot redus cu ieșire c.a. LND4425 poate furniza 25 de amperi (A) la ieșire, în timp ce LND4450 furnizează 50 A și LND4475 furnizează 75 A. Dispozitivele necesită un curent de sarcină minim de 100 miliamperi_rms (mA_rms) pentru o funcționare stabilă, sunt furnizate în factor de formă „puc de hochei” și cântăresc în jur de 75 de grame (g) (Figura 4). Toate cele trei soluții oferă o ieșire de 48 până la 528 de volți c.a. și funcționează începând de la o tensiune de control de 4,8 până la 32 de volți c.c. Acestea oferă protecție încorporată la supratensiunea de intrare/ieșire, iar puterea lor dielectrică de la intrare la ieșire este de 3500 de volți_rms.

Figura 4: SSR-urile LND44xx de la Sensata-Crydom oferă până la 75 A și 528 de volți dintr-o soluție compactă care cântărește doar 75 g. (Sursă imagine: Sensata-Crydom)

Seria LN a fost proiectată pentru funcționarea cu cel mai mic nivel de interferențe EMI. Aceste produse utilizează un optocuplor cu un optotriac la intrare și SCR-uri montate în serie pentru controlul ieșirii pentru rezolvarea potențialelor interferențe EMI ce pot apărea ca urmare a unei caracteristici a ratei dv/dt lente. SCR-urile succesive au o rată dv/dt de 500 volți/µs. De asemenea, produsele au un circuit de declanșare brevetat, care permite comutarea rezistivă a sarcinii cu interferențe EMI minime. În Figura 5 este prezentată o schemă pentru SSR-urile din seria LN.

Figura 5: SSR-urile din seria LN de la Sensata-Crydom sunt concepute pentru a minimiza nivelul de interferențe EMI cu caracteristici precum un circuit de declanșare patentat și SCR-uri montate în serie. (Sursă imagine: Sensata-Crydom)

Rezultatul acestor caracteristici de atenuare a interferențelor EMI este conformitatea cu IEC60947-4-3 Mediu B pentru locații de joasă tensiune rezidențiale, comerciale și industriale ușoare (Figura 6).

Figura 6: Test de emisii RF efectuat pentru SSR-urile LND4450 de la Sensata-Crydom. Pragul de conformitate cu IEC60947-4-3 Mediul B este prezentat sub forma unei linii portocalii continue. (Sursă imagine: Sensata-Crydom)

Seria LN este potrivită, în special, pentru aplicații precum încălzitoarele din cuptoarele comerciale, conform ilustrației din Figura 7.

Figura 7: Releele utilizate în cuptoarele comerciale trebuie să fie conforme cu reglementările standardului IEC60947-4-3 Mediu B. În acest grafic, locațiile releelor sunt marcate cu numere, unde „1” indică pozițiile în care SSR-urile LND44xx ar fi o alegere bună. (Sursă imagine: Sensata-Crydom)

Concluzie

Releele sunt o soluție simplă și testată pentru comutarea unui circuit de putere ridicată utilizând un circuit de activare de joasă putere. EMR-urile sunt o opțiune bună în cazul în care este necesară o soluție cu buget redus, dar sunt mai puțin potrivite pentru utilizare în aplicații de comutare de înaltă frecvență și în zonele sensibile la interferențele EMI. SSR-urile sunt mai scumpe, dar oferă o funcționare robustă și fără uzură și sunt deosebit de compatibile pentru controlul prin electronică digitală. Cu toate acestea, proiectanții care aleg SSR-uri trebuie să fie conștienți de provocările termice pe care le aduce disiparea mai mare a căldurii în aplicațiile similare comparativ cu EMR-urile.

În timp ce toate tipurile de SSR-uri prezintă un nivel de interferențe EMI mai scăzut decât EMR-urile, unele modele se luptă să îndeplinească cerințele de reglementare EMC, cum ar fi cele specificate în standardul IEC60947-4-3 Mediu B. După cum s-a arătat, soluția este utilizarea SSR-urilor cu etape de ieșire SCR montate în serie. Acestea oferă comutare cu trecere prin valoarea zero, ceea ce rezultă în emisii ultra-scăzute de RF, ceea ce face mai ușoară respectarea conformității.