Wie man spezialisierte rauscharme Halbleiterrelais verwendet, um EMI zu begrenzen und kritische Normen zu erfüllen

Seit ihrer Einführung vor über drei Jahrzehnten haben Halbleiterrelais (SSRs) elektromagnetische Relais (EMRs) für Schaltanwendungen verdrängt, die einen äußerst zuverlässigen, lichtbogenfreien Betrieb mit geringer Leistung erfordern. Weitere Vorteile von SSRs sind der geräuschlose Betrieb und die Kompatibilität mit digitalen Regelkreisen.

Bei anspruchsvollen Heim-, kommerziellen und medizinischen Anwendungen - insbesondere dort, wo die Einhaltung internationaler Normen zur elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) wie IEC 60947-4-3 erforderlich ist - ist jedoch eine sorgfältige Relaisauswahl erforderlich, um sicherzustellen, dass die vom Relais erzeugten elektromagnetischen Störungen (EMI) minimiert werden. Einige Produkte können Spannungsspitzen erzeugen und die Nichteinhaltung von EMV-Normen riskieren.

In diesem Artikel werden die Vor- und Nachteile von SSRs und die Anwendungen, für die sie am besten geeignet sind, erläutert. Der Artikel befasst sich dann mit den Schlüsselteilen des Relais, die störende Emissionen verursachen können, bevor eine Reihe rauscharmer SSRs von Sensata Technologies vorgestellt wird, die von den Entwicklern für EMI-empfindliche kommerzielle, private und medizinische Anwendungen verwendet werden können.

EMRs versus SSRs

Da er im geschlossenen Zustand dem gesamten Schaltstrom ausgesetzt ist, ist die Verwendung eines Schalters zum Ein- und Ausschalten eines Hochleistungsschaltkreises unpraktisch. Der Schalter bildet während des Betriebs gefährliche Lichtbögen und überhitzt sich im Betrieb. Die Lösung besteht darin, eine Schaltung mit geringem Stromverbrauch zu verwenden, die durch einen konventionellen Schalter ein- und ausgeschaltet wird, um die Schaltung mit hohem Stromverbrauch zu triggern.

Zu den Vorteilen dieser Anordnung gehören Kosten- und Platzersparnis durch eine Verringerung der Länge der schweren Verdrahtung, die für die Hochleistungsschaltung benötigt wird. Diese Vorteile ergeben sich aus der Tatsache, dass das Relais nahe an der Last platziert werden kann und dünnere Drähte zum Anschluss an den Niederleistungsschalter verwendet werden können. Dieser Schalter befindet sich in der Regel an einer für den Benutzer bequemeren Position. Darüber hinaus kann der Niederleistungsschaltkreis vom Hochleistungsschaltkreis galvanisch getrennt werden. Beispiele für den Einsatz von Relais sind gewerbliche Öfen, Haushaltsgeräte und medizinische Geräte.

Herkömmliche EMRs verwenden eine Spule, die durch den Niederleistungskreislauf erregt wird, um ein Magnetfeld zu erzeugen, das dann die (normalerweise offenen) Kontakte schließt. Die EMRs können eine AC- oder DC-Last bis zu ihrer maximalen Nennleistung schalten. Ihr Kontaktwiderstand nimmt mit zunehmender Last ab, wodurch die Verlustleistung reduziert und ein Kühlkörper überflüssig wird (Abbildung 1).

Abbildung 1: EMRs verbinden Wechselstrom mit der Last, wenn der Schalter im Niederstromkreis geschlossen wird und die Spule erregt, die wiederum die Kontakte schließt. (Bildquelle: DigiKey)

Die Hauptvorteile von EMRs sind niedrige Kosten und garantierte Isolierung bei jeder angelegten Spannung unterhalb der dielektrischen Nennwerte des Geräts. Die Isolierung ist besonders wichtig, wenn der Hochleistungsschaltkreis vollständig ein- oder ausgeschaltet sein muss, ohne dass die Gefahr einer Verletzung des Benutzers durch Leckströme besteht. EMRs sind auch eine gute Option, wenn große Stoßströme oder Spitzenspannungen in der Wechselstromversorgung zu erwarten sind.

Die größten Nachteile von EMRs sind das Potential für EMI und Verschleiß. Da beim Öffnen und Schließen der Kontakte Lichtbögen entstehen können, kann das Relais beträchtliche EMI erzeugen. Im Allgemeinen sind die Pegel niedrig und gut konzipierte EMRs enthalten eine Abschirmung, um jegliche Emissionen zu mindern, aber bei Anwendungen, die in Bereichen in der Nähe von EMV-empfindlichen Geräten eingesetzt werden, ist Vorsicht geboten.

Da es sich bei EMRs um mechanische Geräte handelt, werden selbst die am besten entworfenen und hergestellten Produkte irgendwann verschleißen. In den meisten Fällen ist es die Spule, die zuerst ausfällt und das Gerät in einem fehlersicheren Zustand belässt, da die Kontakte normalerweise offen sind (Schließer) und damit die Schaltkreise mit niedriger Leistung von den Schaltkreisen mit hoher Leistung isoliert bleiben. Dennoch sind moderne EMRs sehr zuverlässig, und es kommt häufig vor, dass die vom Relais gespeisten Geräte zuerst verschleißen.

Mit der Migration der Steuerschaltkreise, die zum Schalten von Hochleistungsanwendungen verwendet werden, zu digitaler Elektronik haben die SSRs an Bedeutung gewonnen. Wie der Name schon sagt, handelt es sich bei SSRs um Halbleiter-basierte Bauelemente und eignen sich als solche gut für die Überwachung durch Mikrocontroller-basierte digitale Schaltungen, insbesondere für Anwendungen mit hoher Schaltgeschwindigkeit.

SSRs adressieren die wichtigsten Nachteilen der EMRs. Da es keine beweglichen Teile gibt, verschleißen SSRs nicht. Die Geräte arbeiten in der Regel über mehrere zehn Millionen Zyklen, aber wenn sie ausfallen, befinden sie sich normalerweise in einer „Ein“-Stellung, was Auswirkungen auf die Sicherheit haben kann. SSRs erzeugen beim Öffnen oder Schließen keine Lichtbögen, was sie nicht nur für den Einsatz in gefährlichen Umgebungen geeignet macht, sondern auch die Quelle eines Großteils der EMI eliminiert, die EMRs plagen kann. Außerdem sind sie mechanisch geräuschlos, funktionieren über einen weiten Eingangsspannungsbereich und verbrauchen selbst bei hohen Spannungen wenig Strom. Die Umstellung von EMRs auf SSRs hat sich beschleunigt, da der Preis für letztere weiter sinkt.

Die größten Nachteile der SSRs ergeben sich aus ihrer Basis als Halbleiterschaltkreis. Wenn sie sich beispielsweise im „Ein“-Zustand befinden, gibt es einen beträchtlichen Widerstand, der eine Verlustleistung von einigen zehn Watt mit daraus resultierender Wärmeentwicklung verursacht. Die thermischen Herausforderungen sind in der Regel so groß, dass der Entwickler einen beträchtlichen Kühlkörper einbauen muss, der die Größe und das Gewicht der Lösung erhöht. SSRs werden auch von der Umgebungswärme beeinflusst und müssen daher mit herabgesetzter Leistung betrieben werden, wenn sie bei erhöhten Temperaturen eingesetzt werden. Der interne Schaltungswiderstand kann auch einen Spannungsabfall erzeugen, der Probleme für die Last verursachen kann, wenn diese empfindlich auf Änderungen der Versorgungsspannung reagiert. Im „Aus“-Zustand weisen SSRs einen gewissen Leckstrom auf. Bei hohen Spannungen kann dies unerwünscht oder sogar eine sicherheitstechnische Herausforderung sein. Darüber hinaus benötigen viele SSRs eine Mindestlast, um ordnungsgemäß zu funktionieren.

Grundlagen zum Betrieb der Halbleiterrelais

Der Ausgangsschalter ist das Kernstück des SSR. Bei einem Relais mit Wechselstromausgang kann der Ausgang durch einen Triac oder siliziumgesteuerte Back-to-Back-Gleichrichter (SCRs) gesteuert werden. Der Hauptvorteil der SCR-Lösung ist eine schnelle dv/dt-Kennlinie, insbesondere wenn das Relais „ausgeschaltet“ ist.

Wenn zum Beispiel ein SSR mit einem Triac, der den Ausgang steuert, abschaltet, kann dv/dt so langsam wie 5 bis 10 Volt/Millisekunde (V/ms) sein. Die langsame dv/dt-Kennlinie kann ein Problem darstellen, denn wenn di/dt für den abnehmenden Strom (und/oder dv/dt für die wieder angelegte Spannung) zu flach ist, kann der Triac leitend werden, nachdem die Wechselstromversorgung den Strom-/Spannungsnullpunkt durchquert hat. Ein solches Ereignis destabilisiert den Ausgang und kann die EMI erhöhen.

Im Vergleich dazu haben SCRs einen dv/dt von etwa 500 Volt/Mikrosekunde (V/µs) und sind nach dem Nulldurchgang nicht leitend. Ein weiterer Vorteil eines SSRs mit SCRs ist die bessere Wärmeableitung, da die Komponenten über eine größere Fläche als ein einzelner Triac verteilt sind. Im weiteren Verlauf dieses Artikels werden SSRs mit einer Back-to-Back-SCR-Ausgangsstufe beschrieben.

Ein grundlegendes SSR unter Verwendung von SCRs ist in Abbildung 2 dargestellt. SSRs mit AC-Ausgang werden typischerweise über die AC-Leitung mit Strom versorgt. Wenn S1 (gesteuert durch den Eingangskreis) geschlossen ist, sind die jeweiligen Gates von SCR1 und SCR2 verbunden und der Strom von der Wechselstromversorgung fließt entweder durch R1 oder R2 und in das Gate des jeweils in Vorwärtsrichtung vorgespannten SCR. Dadurch wird der SCR „eingeschaltet“ und das Relais leitet und versorgt die Last mit Strom. Bei jedem Halbzyklus der Wechselstromversorgung leiten die SCRs abwechselnd und die Last wird mit Strom versorgt. Wenn S1 geöffnet wird, leitet derjenige SCR, der „eingeschaltet“ ist, weiter, bis der Wechselstrom Null erreicht und der SCR „ausschaltet“. Zu diesem Zeitpunkt empfängt der andere SCR keinen Gate-Strom mehr, das Relais öffnet, und die Stromversorgung der Last wird unterbrochen.

Abbildung 2: Grundlegendes Layout eines Relais mit Back-to-Back-SCRs. S1 wird durch die Eingangsschaltung mit geringer Leistung gebildet. (Bildquelle: Sensata-Crydom)

Moderne SSRs sind typischerweise auf einen Optokoppler angewiesen, um die Isolation zwischen den Schaltungen mit niedriger und hoher Leistung zu gewährleisten. Die beiden wichtigsten Optionen für den Entwickler sind die Verwendung eines Optokopplers auf LED/Fototransistor-Basis oder eines Bausteins, der eine LED und einen Foto-Triac kombiniert. Ein Fototransistor benötigt weniger Steuerstrom, spart Platz und gibt dem Entwickler mehr Möglichkeiten zur Konfiguration der Steuerschaltungseigenschaften. Der Hauptvorteil des Triac-Ansatzes sind die geringeren Kosten. Ein per Foto-Triac gesteuertes Relais ist in Abbildung 3 schematisch dargestellt.

Abbildung 3: In diesem SSR erfolgt die Isolation zwischen Schaltungen mit niedriger und hoher Leistung über einen Optokoppler, der auf einem Foto-Triac basiert. (Bildquelle: Sensata-Crydom)

(Weitere Informationen zur Auswahl eines SSRs finden Sie im DigiKey-Fachartikel „Sicheres und effizientes Schalten von Strom oder Spannung mit Hilfe von Halbleiterrelais“)

SSRs für Umgebungen mit geringer EMI

Die Wahl eines SSR mit SCR-gesteuertem Ausgang ist eine gute Option für EMI-empfindliche Anwendungen, da die Geräte über inhärente rauscharme Eigenschaften verfügen. Für besonders empfindliche Anwendungen, wie z.B. solche, die den Einsatz von Schaltprodukten erfordern, die der Norm IEC 60947-4-3 entsprechen, sollten besonders rauscharme Produkte gewählt werden. SSRs, die sich nur dann einschalten, wenn die Wechselspannung den Nullspannungspunkt überschreitet - unabhängig davon, wann der Eingang aktiviert wird - sind eine gute Option für diese Anwendungen.

Diese so genannten Nulldurchgangsbauelemente eliminieren Einschaltstrom- und Spannungsspitzen, die beim Einschalten von Hochleistungsschaltkreisen entstehen können, wenn der AC-Ausgang sich mitten im Zyklus befindet. Dies wiederum senkt das Auftreten von EMI. Entwickler sollten beachten, dass im Nulldurchgang schaltende SSRs zwar besonders für ohmsche Lasten wie Heizgeräte, nicht aber für hochinduktive Lasten geeignet sind. Eine bessere Wahl für diese Anwendungen sind zufällig schaltende SSRs. Diese schalten in dem Moment, in dem der Eingangsschalter aktiviert wird, anstatt darauf zu warten, dass die AC-Versorgung Null erreicht.

Sensata Technologies, das die SSRs der Marke Sensata-Crydom anbietet, hat vor kurzem drei SSRs der Serie LN mit rauscharmem AC-Ausgang eingeführt. Der LND4425 kann 25 Ampere (A) an den Ausgang liefern, während der LND4450 50 A und der LND4475 75 A liefert. Die Bausteine benötigen für einen stabilen Betrieb einen Mindestlaststrom von 100 Milliampere_eff (mA_eff), werden im „Hockey-Puck“-Formfaktor geliefert und wiegen etwa 75 Gramm (g) (Abbildung 4). Alle drei Lösungen verfügen über einen 48 bis 528 Volt AC-Ausgang und arbeiten mit einer Steuerspannung von 4,8 bis 32 Volt DC. Sie verfügen über einen eingebauten Eingangs-/Ausgangs-Überspannungsschutz, und ihre Durchschlagfestigkeit vom Eingang bis zum Ausgang beträgt 3500 V_eff.

Abbildung 4: Die SSRs LND44xx von Sensata-Crydom bieten bis zu 75 A und 528 V aus einer kompakten Lösung mit einem Gewicht von nur 75 g. (Bildquelle: Sensata-Crydom)

Die LN-Serie wurde für den Betrieb bei geringster EMI entwickelt. Sie verwenden einen Optokoppler mit einem Foto-Triac am Eingang und Back-to-Back-SCRs für die Ausgangssteuerung, um potenzielle EMI zu überwinden, die als Folge einer langsamen dv/dt-Charakteristik auftreten können. Die Back-to-Back-SCRs bieten einen dv/dt von 500 V/µs. Die Produkte verfügen außerdem über eine patentierte Triggerschaltung, die das Schalten von ohmscher Last bei minimaler EMI ermöglicht. Ein Schaltbild für die SSRs der LN-Serie ist in Abbildung 5 dargestellt.

Abbildung 5: Die SSRs der LN-Serie von Sensata-Crydom sind so konzipiert, dass die EMI durch Merkmale wie eine patentierte Triggerschaltung und Back-to-Back-SCRs minimiert wird. (Bildquelle: Sensata-Crydom)

Das Ergebnis dieser Merkmale zur EMI-Minderung ist die Konformität mit IEC60947-4-3 Environment B für Niederspannungsanlagen in Privathaushalten, Gewerbe und Leichtindustrie (Abbildung 6).

Abbildung 6: Durchgeführter HF-Emissionstest für das SSR LND4450 von Sensata-Crydom. Der Schwellenwert für die Einhaltung von IEC60947-4-3 Environment B ist als durchgehende orangefarbene Linie dargestellt. (Bildquelle: Sensata-Crydom)

Die LN-Serie eignet sich besonders für Anwendungen wie Heizgeräte in gewerblichen Öfen, wie in Abbildung 7 dargestellt.

Abbildung 7: Relais, die in gewerblichen Öfen verwendet werden, sollten den Bestimmungen von IEC60947-4-3 Environment B entsprechen. In dieser Grafik sind die Relaisstandorte durch Nummern gekennzeichnet, wobei „1“ angibt, wo die SSRs LND44xx eine gute Wahl wären. (Bildquelle: Sensata-Crydom)

Fazit

Relais sind eine einfache und bewährte Lösung zum Schalten eines Hochleistungsschaltkreises unter Verwendung eines Aktivierungsschaltkreises mit geringer Leistung. EMRs sind eine gute Option, wenn eine kostengünstige Lösung benötigt wird, eignen sich aber weniger für den Einsatz in Hochfrequenz-Schaltanwendungen und EMI-sensiblen Bereichen. SSRs sind zwar teurer, bieten aber einen robusten und verschleißfreien Betrieb und sind besonders kompatibel zur Steuerung durch digitale Elektronik. Entwickler, die sich für SSRs entscheiden, sollten sich jedoch der thermischen Herausforderungen bewusst sein, die sie aufgrund der höheren Wärmeableitung bei gleichartigen Anwendungen im Vergleich zu EMRs mit sich bringen.

Während alle Arten von SSRs eine geringere EMI als EMRs aufweisen, haben einige Designs Schwierigkeiten, die EMV-Anforderungen zu erfüllen, wie sie in IEC60947-4-3 Environment B spezifiziert sind. Wie gezeigt, besteht die Lösung in der Verwendung von SSRs mit Back-to-Back-SCR-Ausgangsstufen. Diese bieten eine Nulldurchgangsschaltung, die zu extrem niedrigen HF-Emissionen führt, wodurch die Einhaltung der Vorschriften erleichtert wird.