Puolijohdereleet tarjoavat tehdasautomaatiossa korkean luotettavuuden, nopean kytkennän ja alhaiset sähkömagneettiset häiriöt.

Kehittynyttä diagnostiikkaa ja ennakoivaa kunnossapitoa käytetään yhä useammin kalliiden seisokkiaikojen välttämiseksi tehdasautomaatiossa eri teollisuudenaloilla, kuten elintarvike- ja juomatuotannossa, automatisoidussa kokoonpanossa ja muissa jatkuvatoimisissa käsittelyjärjestelmissä sekä LVI-, vedenpuhdistus- ja energiantuotantokoneissa. Luotettavat kytkentäreleet ovat ratkaisevan tärkeitä näissä automatisoiduissa teollisuusprosesseissa. Niiden täytyy kytkeä nopeasti, niiden täytyy toimia jatkuvasti haastavissa olosuhteissa mahdollisimman vähäisellä koskettimien kulumisella, eivätkä ne saa aiheuttaa sähkömagneettisia häiriöitä (EMI), jotka voivat vaikuttaa haitallisesti langattomiin antureihin ja ohjainlaitteisiin.

Puolijohdereleet (Solid-State Relay, SSR) täyttävät tehdasautomaation kytkentävaatimukset käyttämällä innovatiivista teknologiaa, joka parantaa luotettavuutta ja kestävyyttä sekä varmistaa tasaisen suorituskyvyn myös vaativissa käyttöympäristöissä.

Tässä artikkelissa käsitellään lyhyesti tehdasautomaation kytkentävaatimuksia. Sen jälkeen artikkelissa esitellään esimerkkejä Littelfusen puolijohdereleistä ja näytetään, miten niitä voidaan käyttää näiden vaatimusten täyttämiseen.

Tehdasautomaation kytkentävaatimusten määrittely ja täyttäminen

Tehdasautomaation kytkentätarpeisiin kuuluvat luotettavuus ja edullisuus, nopeat kytkentäajat ilman kosketusvärähtelyä ja valokaaria, minimaalinen sähkömagneettinen häiriö (EMI), joka voi vaikuttaa läheisiin virtapiireihin tai langattomiin antureihin ja verkkoihin, joita tehtaissa käytetään yhä useammin, sekä hyvä mekaanisten iskujen ja tärinän sietokyky.

SSR-releissä nämä vaatimukset täytetään suorittamalla kytkentätoiminto käyttämällä puolijohdekomponentteja. Niitä voidaan ohjata joko vaihto- tai tasajännitteellä, ja kummallekin ohjaustyypille on omat mallinsa (kuva 1).

Kuva 1: Nämä SSR-puolijohdereleiden toiminnalliset lohkokaaviot näyttävät sekä DC- (ylhäällä) että AC (alhaalla) -ohjatun mallin kriittiset komponentit. (Kuvan lähde: Littelfuse Inc.)

DC-ohjatut SSR-releet (ylhäällä) säätävät syötettyä jännitettä. AC-ohjatut SSR-releet (alhaalla) käyttävät kokoaallon siltatasasuuntaajaa muuntaakseen ohjaussignaalin DC-jännitteeksi. Molemmat SSR-tyypit käyttävät optista erotusta ohjaussignaalin erottamiseen lähdöstä. Näiden SSR-releiden aktiivinen elementti on tyristoripari SCR). Nämä SSR-releet sisältävät ylijännitesuojauksen, joka toteutetaan TVS-diodilla (Transient Voltage Suppression). Tämä on kytketty tyristorien porttien väliin suojaamaan SSR-relettä ja estämään odottamattomat tilamuutokset, joita verkon sähköiset transientit saattaisivat muutoin aiheuttaa.

Kytkentävasteessa hyödynnetään puolijohdekomponenttien nopeita kytkentäaikoja, ja sitä ohjataan laukaisupiirillä. Kytkentä voi tapahtua aktivointisignaalin jälkeen lähtöjännitteen ylittäessä nollakohdan tai satunnaisesti (välittömästi) signaalin aktivoiduttua (kuva 2).

Kuva 2: Kytkentäominaisuus valitaan SSR-releen käyttötarkoituksen mukaan. (Kuvan lähde: Littelfuse Inc.)

Nollanylityskytkentää käytetään sovelluksissa, joissa virrat ovat suuria, kuten teollisuuslämmittimissä, koska se minimoi käynnistysvirran. Välitöntä kytkentää käytetään silloin, kun kytkentä on suoritettava korkealla taajuudella. Välitön kytkentä tarjoaa mahdollisimman korkean kytkentätaajuuden.

Esimerkkejä SSR-releistä

Littelfuse Inc. on suunnitellut SRP1-tuoteperheen erittäin kestävät SSR-releet vastatakseen luotettavampien ja pitkäikäisempien tehokytkentäreleiden tarpeeseen teollisissa ja kaupallisissa konesovelluksissa. Tarjolla on kaksi mallisarjaa: SRP1-CB pelkkä erittäin kestävä SSR-rele ja SRP1-CR, erittäin kestävä all-in-one SSR-rele, jossa on mukana Touch-Safe ja ylijännitesuoja (kuva 3, vasemmalla ja keskellä).

Kuva 3: Kuvassa näytetään SRP1-CB pelkkä SSR (vasemmalla), SRP1-CR kosketusturvallinen SSR (keskellä) ja SRP1-CB…F-releen vaihtoehtoiset pikaliittimet (oikealla). (Kuvan lähde: Littelfuse Inc.)

Littelfuse on suunnitellut omat puolijohteensa, jotka minimoivat lämmön aiheuttaman komponenttien heikkenemisen ja tarjoavat optimaalisen suorituskyvyn vaativissa käyttöolosuhteissa. Molemmat mallisarjat tarjoavat laitteita AC- tai DC-aktivoinnilla ja niiden lähtövirtaluokitukset ovat 10 A, 25 A, ja 50 A. Lähtöjännitealue on joko 24 V_AC – 240 V_AC tai 48 V_AC – 600 V_AC. Mallit eroavat toisistaan siten, että SRP1-CR sisältää integroidut suojaus- ja asennusominaisuudet, kuten IP20-sormiturvallisen suojauksen, ylijännitesuojauksen TVS-diodilla ja valmiiksi kiinnitetyn lämpöteknisen alustan. SRP1-CB…F-versio (kuva 3, oikealla) tarjoaa myös pikaliittimet.

Releet ovat toiminnaltaan lähtökuorman kanssa sarjaan kytkettyjä SPST-laitteita (Single-Pole, Single-Throw) (kuva 4).

Kuva 4: SRP1 SSR-releet kytketään sarjaan lähtökuorman kanssa; tuloa ohjataan joko AC- tai DC-aktivointisignaalilla mallista riippuen. (Kuvan lähde: Littelfuse Inc.)

SSR-releet tarvitsevat jäähdytyselementin, jotta niitä voitaisiin käyttää releelle määritellyillä nimellisarvoilla. Molemmissa Littelfuse-malleissa käytetään uusinta suoraliimaustekniikkaa maksimaalisen luotettavuuden ja tuotteen pitkäikäisyyden parantamiseksi. SRP1-CR-releissä käytetään sisäänrakennettua lämpöteknistä alustaa tehokkaaseen lämmönpoistoon. Se ei tarvitse lämpöteknistä liima-ainetta, mikä mahdollistaa siistin ja helpon asennuksen. Lämpötekniset tehonalennuskuvaajat (kuva 5) osoittavat maksimin lähtövirran, jonka laite kestää eri ympäristölämpötiloissa ja lämpöresistanssiltaan erilaisilla jäähdytyselementeillä.

Kuva 5: Kuvassa näytetään SRP1-CR-sarjan SSR-releiden tehonalennuskuvaajat erilaisissa ympäristön lämpötiloissa ja erilaisilla jäähdytyselementeillä. (Kuvan lähde: Littelfuse Inc.)

Lämpöresistanssi ilmoitetaan yksiköissä ˚C per watti (°C/W). Jäähdytyselementti, jonka luokitus on 10 °C/W, kuumuu 10 °C ympäröivää ilmaa kuumemmaksi jokaista 1 W:n tehoa kohti, jonka se dissipoi. Jäähdytyslevyt, joiden lämpövastus on pienempi, ovat tehokkaampia kuin jäähdytyslevyt, joiden lämpövastus on suurempi, ja ne jäähdyttävät näin ollen paremmin.

SRP1 SSR-releet on sertifioitu useiden terveys-, turvallisuus-, ympäristö-, sähkömagneettista yhteensopivuutta ja sähköstaattista häiriönsietoa koskevien standardien, kuten UL, CAN/CSA, IEC, CISPR, RoHS ja REACH, mukaan. Ne soveltuvat hyvin teollisuusautomaation lämmitys- ja liikkeenohjaussovelluksiin. Ne toimivat hyvin myös elintarvike- ja juomateollisuudessa, jossa ne ohjaavat teollisia uuneja, pakkauslaitteita ja kuljetinjärjestelmiä. Lämmitys-, ilmanvaihto- ja ilmastointijärjestelmissä näitä releitä käytetään ilmankäsittelylaitteissa ja kompressoreissa, samoin kuin kookkaissa valaistusjärjestelmissä. Kaikki nämä sovellukset edellyttävät huippuluokan suorituskykyä ja erittäin korkeaa luotettavuutta, ja SRP1-sarja tarjoaa vaihtoehdot, jotka täyttävät erilaiset virta-, jännite-, vasteaika- ja kytkentävaatimukset.

Esimerkiksi SRP1-CBAZL-050NW-N on SSR-rele, jonka virtaluokitus on 50 A lähtöjännitteellä 24 V_AC – 240 V_AC. Sen tulojännite on 90 V_AC – 280 V_AC ja se käyttää lähtöjännitteen nollanylityskytkentää. Se tarjoaa maksimin johtamisresistanssin 6,3 milliohmia (mΩ), mikä aiheuttaa releen ylitse maksimivirralla vain 0,3 V:n jännitehäviön. Maksimi jännitehäviöluokitus on 1,3 V. Rele kytkeytyy päälle alle 20 millisekunnissa (ms), mukaan lukien nollanylityksen odotusaika, ja sen poiskytkeytymisaika on alle 30 ms.

SRP1-CBDZL-010NF-N on esimerkki DC-ohjattavasta SSR-releestä. Sen lähtövirtaluokitus on 10 A ja sen lähtöjännitealue on 24 V_AC – 240 V_AC. Sen tulojännitealue on 4 V_DC – 32 V_DC. Myös tämä rele kytkee, kun lähtöjännite ylittää nollan, ja sen maksimi johtamisresistanssi on 6,3 mΩ. Se poikkeaa tavallisista SRP1-CB-releistä siinä, että se tarjoaa pikaliittimet. Sen käynnistysaika vastaa lähdön aaltomuodon puolikasta sykliä.

SRP1-CRARH-025TC-N on kosketusturvallinen versio SRP1-sarjasta ja sen lähtövirtaluokitus on 25 A. Tämä malli on AC-ohjattu ja se käyttää tulojännitettä 90 V_AC – 280 V_AC. Se poikkeaa muista malleista siinä, että se tarjoaa välittömän kytkentävasteen ja korkean lähtöjännitealueen 48 V_AC – 600 V_AC. Releen käynnistysaika on alle 20 millisekuntia (ms) ja sen sammutusaika on alle 30 ms.

Nopein vasteaika saavutetaan DC-tulon ja välittömän kytkentävasteen tarjoavalla releellä. Yksi tällainen esimerkki on SRP1-CRDRL-010TC-N. Tämän SSR-releen lähtövirtaluokitus 10 A ja sen lähtöjännitealue 24 V_AC – 240 V_AC. Sen tulojännitealue on 4 V_DC – 32 V_DC. Sen käynnistysaika on 20 mikrosekuntia (µs) ja sammutusaika on vähemmän kuin lähdön aaltomuodon puolikas sykli, mikä on yksi nopeimmista releiden sykliajoista.

Yhteenveto

Suunnittelijat voivat luottaa SRP1-sarjan SSR-releisiin täyttääkseen tehdasautomaation kytkentäsuorituskyky- ja luotettavuusvaatimukset sekä kansainvälisten standardien vaatimukset. Tässä sarjassa käytetään puolijohdetekniikan edistysaskeleita pitkän käyttöiän, korkean kytkentänopeuden ja minimaalisen sähkömagneettisen häiriön tarjoamiseksi erilaisilla lähtövirroilla sekä ohjaustulovaihtoehdoilla.