Utilizați relee cu semiconductori în automatizarea fabricilor pentru fiabilitate ridicată, comutare rapidă și EMI redus

Pentru a evita timpii morți costisitori, tot mai des se utilizează diagnosticarea avansată și întreținerea predictivă în automatizarea fabricilor din industrii precum producția de alimente și băuturi, asamblarea automată și alte sisteme de procesare continuă, precum și HVAC, purificarea apei și utilajele de generare a energiei. Releele fiabile pentru comutare sunt esențiale pentru aceste procese industriale automatizate. Acestea trebuie să poată comuta rapid, să funcționeze continuu în condiții dificile cu uzura minimă a contactelor și să nu provoace interferențe electromagnetice (EMI) care pot afecta senzorii și comenzile fără fir.

Releele cu semiconductori (SSR) răspund cerințelor de comutare ale automatizării fabricilor folosind o tehnologie inovatoare care sporește fiabilitatea și durabilitatea pentru a asigura performanțe constante chiar și în medii dificile.

Acest articol discută pe scurt cerințele de comutare ale automatizării fabricilor. Apoi prezintă exemple de SSR-uri de la Littelfuse și arată cum pot fi acestea utilizate pentru a răspunde acestor cerințe.

Definirea și îndeplinirea cerințelor de comutare pentru automatizarea fabricilor

Nevoile de comutare pentru automatizarea fabricilor includ fiabilitate la costuri reduse, timpi rapizi de acționare fără ricoșeu de contact sau arc electric, EMI minime care pot afecta circuitele din apropiere sau senzorii și rețelele fără fir care sunt din ce în ce mai utilizate în fabrici și toleranță ridicată la șocuri mecanice și vibrații.

Pentru a îndeplini aceste cerințe, SSR-urile utilizează dispozitive semiconductoare pentru efectuarea operației de comutare. Acestea pot fi acționate fie prin tensiuni de curent alternativ, fie prin tensiuni de curent continuu, cu modele distincte pentru fiecare tip de excitație (Figura 1).

Figura 1: Aceste scheme bloc funcționale ale SSR-urilor prezintă componentele critice atât pentru modelele acționate în curent continuu (sus), cât și pentru cele acționate în curent alternativ (jos). (Sursa imaginii: Littelfuse Inc.)

SSR-urile acționate în curent continuu (sus) reglează tensiunea aplicată. SSR-urile acționate în curent alternativ (jos) utilizează un redresor în punte cu undă completă pentru a converti semnalul de excitație în curent continuu. Ambele tipuri de SSR izolează optic semnalul de acționare de la ieșire. Elementul activ al acestor SSR-uri este o pereche de redresoare controlate cu siliciu (SCR-uri). Aceste SSR-uri includ protecție la supratensiune sub forma unei diode de suprimare a tensiunii tranzitorii (TVS), care este conectată între porțile SCR-urilor pentru a proteja SSR și pentru a preveni schimbările de stare neașteptate în prezența unor fenomene tranzitorii electrice în rețea.

Răspunsul la comutare se folosește de timpii rapizi de comutare ai dispozitivelor semiconductoare și este controlat de circuitul de declanșare. Comutarea poate avea loc la trecerea prin zero a tensiunii de ieșire după aplicarea semnalului de acționare sau aleatoriu (instantaneu) cu semnalul de acționare (Figura 2).

Figura 2: Caracteristica de comutare este selectată pentru a se potrivi cu aplicația prevăzută a SSR-ului. (Sursa imaginii: Littelfuse Inc.)

Pornirea cu trecere prin zero este utilizată pentru aplicații cu curenți mari, cum ar fi încălzitoarele industriale, unde minimizează curenții de anclanșare. Pornirea instantanee este utilizată atunci când comutarea trebuie să aibă loc la o frecvență ridicată. Comutarea instantanee produce cea mai mare frecvență de comutare posibilă.

Exemple de SSR-uri

Littelfuse Inc. a conceput familia SRP1 de SSR-uri de înaltă rezistență pentru a răspunde nevoii de relee de comutare a puterii mai fiabile și mai durabile în aplicațiile industriale și comerciale. Aceasta este oferită cu două game de modele: SSR simplu de înaltă rezistență SRP1-CB și SSR complet de înaltă rezistență SRP1-CR cu siguranță la atingere și protecție la supratensiune (Figura 3, stânga și mijloc).

Figura 3: Se prezintă SSR simplu SRP1-CB (stânga), SSR cu siguranță la atingere SRP1-CR (centru) și bornele alternative de conectare rapidă ale SRP1-CB...F (dreapta). (Sursa imaginii: Littelfuse Inc.)

Littelfuse a proiectat semiconductori brevetați pentru minimizarea degradării componentelor din cauza căldurii și pentru a oferi performanțe optime în condiții dificile. Ambele game de modele oferă unități cu acționare c.a. sau c.c. și curent de ieșire nominal de 10 A, 25 A și 50 A în oricare dintre cele două game de tensiune de ieșire, de la 24 V_c.a. la 240 V_c.a. sau de la 48 V_c.a. la 600 V_c.a. Modelele diferă prin faptul că SRP1-CR include caracteristici integrate de protecție și instalare, inclusiv un capac IP20 de siguranță pentru degete, protecție la supratensiune cu diodă TVS și o plăcuță termică atașată în prealabil. Versiunea SRP1-CB...F (Figura 3, dreapta) are, de asemenea, borne cu conectare rapidă.

Releele sunt dispozitive unipolare cu o singură direcție (SPST) conectate în serie cu sarcina de ieșire (Figura 4).

Figura 4: SSR-urile SRP1 sunt cablate în serie cu sarcina de ieșire; intrarea este comandată de un semnal de acționare c.a. sau c.c., în funcție de model. (Sursa imaginii: Littelfuse Inc.)

SSR-urile necesită un radiator pentru a funcționa la valorile nominale specificate. Ambele modele Littelfuse utilizează cea mai recentă tehnologie de lipire directă pentru a asigura fiabilitatea maximă și longevitatea produsului. Releele SRP1-CR includ o plăcuță termică încorporată pentru disiparea eficientă a căldurii care nu necesită un compus termic, permițând o instalare curată și ușoară. Diagramele de reducere termică (Figura 5) arată curentul maxim de ieșire care poate fi suportat pentru diferite temperaturi ambientale și radiatoare cu diferite rezistențe termice.

Figura 5: Sunt prezentate curbele de reducere a sarcinii de funcționare pentru SSR-urile din seria SRP1-CR pentru diferite temperaturi ambientale și radiatoare. (Sursa imaginii: Littelfuse Inc.)

Rezistența termică este specificată în ˚C pe watt (°C/W). Un radiator evaluat la 10 °C/W se va încălzi cu 10 °C mai mult decât aerul înconjurător pentru fiecare 1 W de căldură pe care îl disipă. Radiatoarele cu rezistență termică mai mică sunt mai eficiente decât radiatoarele cu rezistență termică mai mare și, prin urmare, răcesc mai bine.

SSR-urile SRP1 sunt certificate pentru conformitate cu diverse standarde de sănătate, siguranță, mediu, compatibilitate electromagnetică și imunitate electrostatică, inclusiv UL, CAN/CSA, IEC, CISPR, RoHS și REACH. Acestea sunt potrivite pentru aplicații de încălzire și control al mișcării în automatizarea industrială. De asemenea, acestea funcționează bine în industria alimentară și a băuturilor, controlând cuptoarele industriale, echipamentele de ambalare și sistemele transportoare. Sistemele de încălzire, ventilație și aer condiționat utilizează aceste relee pentru manipulatoarele și compresoarele de aer, la fel ca și sistemele de iluminat la scară largă. Toate aceste aplicații necesită performanțe superioare și fiabilitate ultra-înaltă, iar seria SRP1 are opțiuni pentru a îndeplini diferite cerințe de curent, tensiune, timp de răspuns și comutare.

De exemplu, SRP1-CBAZL-050NW-N este un SSR evaluat la 50 A cu o ieșire de la 24 V_c.a. la 240 V_c.a. Acesta acceptă o tensiune de intrare de la 90 V_c.a. la 280 V_c.a. și comută la trecerea prin zero a tensiunii de ieșire. Oferă o rezistență maximă în stare activă de 6,3 miliohmi (mΩ), ceea ce ar duce la o cădere de numai 0,3 V în releu la curent maxim. Căderea de tensiune maximă nominală este de 1,3 V. Releul pornește în mai puțin de 20 de milisecunde (ms), inclusiv timpul de așteptare pentru trecerea prin zero, și se oprește în mai puțin de 30 ms.

SRP1-CBDZL-010NF-N este un exemplu de SSR acționat în curent continuu. Are un curent nominal de ieșire de 10 A, cu un interval de tensiune de ieșire de la 24 V_c.a. la 240 V_c.a. Intervalul tensiunii de intrare este de la 4 V_c.c. la 32 V_c.c. De asemenea, acesta comută la trecerea prin zero a tensiunii de ieșire și are aceeași rezistență maximă în stare activă de 6,3 mΩ. Diferă de releele SRP1-CB standard prin faptul că dispune de borne cu conectare rapidă. Timpul său de pornire este egal cu o jumătate din ciclul formei de undă de ieșire.

SRP1-CRARH-025TC-N este o versiune cu siguranță la atingere a seriei SRP1 și are un curent de ieșire de 25 A. Acest model este acționat în curent alternativ folosind o tensiune de intrare de la 90 V_c.a. la 280 V_c.a. Diferă de celelalte modele deoarece are un răspuns de comutare instantaneu și utilizează o gamă de tensiune de ieșire ridicată, de la 48 V_c.a. la 600 V_c.a. Timpul de pornire al releului este mai mic de 20 de milisecunde (ms), iar timpul de oprire este mai mic de 30 ms.

Cel mai rapid timp de răspuns se obține utilizând un releu cu o intrare de curent continuu și un răspuns de comutare instantaneu. Un exemplu este SRP1-CRDRL-010TC-N. Acest SSR are un curent de ieșire nominal de 10 A, cu un interval de tensiune de ieșire de la 24 V_c.a. la 240 V_c.a. Intervalul tensiunii de intrare este de la 4 V_c.c. la 32 V_c.c. Timpul său de pornire este de 20 de microsecunde (µs), iar timpul de oprire este mai mic de jumătate din ciclul formei de undă de ieșire, ceea ce îl face unul dintre cei mai rapizi timpi de ciclu ai releului.

Concluzie

Pentru a îndeplini cerințele privind performanța de comutare, fiabilitatea și standardele internaționale ale automatizării fabricilor, proiectanții se pot baza pe seria SRP1 de SSR-uri. Această serie utilizează progresele în tehnologia semiconductorilor pentru a obține o durată lungă de viață, o viteză mare de comutare și EMI minime într-o gamă largă de curenți de ieșire și opțiuni de control al intrării.