Auswahl des richtigen Halbleiterrelais für die Anforderungen einer Anwendung

Halbleiterrelais (SSRs) werden in einer immer größeren und vielfältigeren Anzahl von Branchen eingesetzt, z. B. in der Kunststoff-, Verpackungs-, Lebensmittel- und Getränkeindustrie, in der HLK-Branche, in der Halbleiterindustrie, bei erneuerbaren und konventionellen Energien, in der Öl- und Gasindustrie, im Transportwesen, in der Druckindustrie, in Labors, in Öfen, in der Beleuchtung, in der Medizin und in der Bewegungssteuerung. SSRs werden häufig anstelle von elektromagnetischen Relais (EMR) eingesetzt, da sie keine beweglichen Teile haben und eine lange Lebensdauer aufweisen. Außerdem sind sie nicht anfällig für Kontakterosion und elektrische Störungen aufgrund von Lichtbögen an den Kontaktflächen.

Da SSRs in verschiedenen Konfigurationen erhältlich sind, die unterschiedliche Lasttypen unterstützen, müssen Entwickler wissen, wie sie SSRs für die beabsichtigte Verwendung auswählen. Dies gilt insbesondere für industrielle Anwendungen wie die Steuerung von Motoren, Pumpen und Lüftern mit ihren induktiven Lasten, die einen anderen Relaistyp erfordern als Heizungs- und Beleuchtungsanwendungen, die Widerstandslasten darstellen.

In diesem Artikel wird kurz erörtert, warum SSRs eine gute Option für die Industrie- und Fabrikautomation sind. Anschließend werden ihre Verwendung, ihre Eigenschaften und ihre Auswahl für eine Anwendung anhand von Beispielkomponenten von Carlo Gavazzi beschrieben.

Warum SSRs verwenden?

Industrie- und Fabrikautomatisierungssysteme erfordern Schaltgeräte, die sich durch niedrige Kosten, Zuverlässigkeit, schnelle Betätigungszeiten ohne Kontaktprellen oder Lichtbogenbildung, minimale elektromagnetische Interferenz (EMI), geringe Anfälligkeit für raue Umgebungen und hohe mechanische Stoß- und Vibrationstoleranz auszeichnen. SSRs verwenden Halbleiterbauelemente, um die Anker und Kontakte mechanischer Relais bei Schaltvorgängen zu ersetzen, wodurch sie diese Anforderungen erfüllen können. Da sie vollständig gekapselt sind, widerstehen SSRs auch Stößen, Vibrationen, Feuchtigkeit, aggressiven Chemikalien und Staub. Das Ergebnis sind Komponenten mit langer Lebensdauer und hoher Zuverlässigkeit.

Die Auswahl eines SSR für eine Anwendung erfordert ein Verständnis der zu steuernden Last und der wesentlichen Merkmale von SSRs, um die Anforderungen der Anwendung mit den Relaisspezifikationen in Einklang zu bringen.

SSR-Steuerung und Lastspezifikationen

SSRs können entweder mit einer AC- oder DC-Steuerspannung gesteuert werden. Die DC-Steuerung verwendet eine niedrige Spannung, typischerweise 4 V bis 32 V. Sie können auch eine Stromschleife von 4 mA bis 20 mA oder einen Analogeingang von 1 V_DC bis 10 V_DC verwenden. Die AC-Steuerung verwendet Spannungen im Bereich von 24 V_AC bis 275 V_AC.

SSR-Lasten können entweder AC oder DC sein. SSRs mit maximalen AC-Lastspannungen von bis zu 690 V_AC und AC-Stromstärken von 125 A sind verfügbar. Die DC-Nennwerte betragen 500 V_DC und 100 A.

Arten von elektrischen Lasten

Elektrische Lasten werden nach ihren vorherrschenden elektrischen Eigenschaften klassifiziert. Motoren, Lüfter und Pumpen werden als induktive Lasten eingestuft. Der Laststrom und die Spannung sind phasenverschoben, wobei der Strom der Spannung hinterherhinkt. Induktive Lasten widerstehen Änderungen ihres Laststroms, indem sie ein Gegenspannungspotenzial erzeugen, das als elektromotorische Gegenkraft (EMK) bezeichnet wird. Halbleiterrelais, die mit induktiven Lasten verwendet werden, müssen diese Spannungen verkraften können.

Geräte wie Heizungen, Öfen, Elektroherde, Trockner und Lampen sind Beispiele für ohmsche Lasten. Spannung und Strom sind bei ohmschen Lasten gleichphasig.

Kapazitive Lasten widerstehen Änderungen der Lastspannung. Strom und Spannung sind bei einer kapazitiven Last phasenverschoben, wobei der Strom der Spannung vorauseilt. Die meisten Schaltnetzteile und einige medizinische Geräte wie Defibrillatoren stellen eine kapazitive Last dar. Wenn eine kapazitive Last zum ersten Mal mit Spannung beaufschlagt wird, bietet sie eine sehr niedrige Impedanz, was zu einem hohen Einschaltstrom führt.

Die Eigenschaften der einzelnen Lasttypen bestimmen den Typ des SSR, der für ihre Steuerung erforderlich ist.

Arten von SSRs

Es gibt fünf übliche Arten von SSRs (Abbildung 1): Nullschaltung oder Nulldurchgang, sofortige Einschaltung oder Zufallsschaltung, Gleichstromschaltung, Spitzenwertschaltung und Phasenwinkel- oder Analogschaltung.

Abbildung 1: Die Art des SSR wird dadurch bestimmt, wann das SSR im Verhältnis zur Netzspannung schaltet. (Bildquelle: Carlo Gavazzi Inc.)

Die SSR-Typen basieren darauf, wann das Gerät im Verhältnis zur Netzspannungsphase schaltet. Das nullpunktschaltende SSR ist ein Wechselstromrelais, das die Last beim ersten Nulldurchgang der Netzspannung nach Anlegen des Steuersignals schaltet. Die Schaltzeit des SSR beträgt höchstens eine halbe Periode der Netzfrequenz, also bei einer Netzfrequenz von 60 Hertz (Hz) 8,3 Millisekunden (ms). Nullpunktschaltende Halbleiterrelais werden vor allem bei ohmschen Lasten eingesetzt, um hohe Stoßströme zum Zeitpunkt des Schaltens zu begrenzen. Da die Netzspannung gleich Null ist, wenn die Last angeschlossen ist, ist auch der Strom in einer ohmschen Last gleich Null. Dieser Relaistyp ist auch für die meisten induktiven und kapazitiven Lasten geeignet.

Das zufällig schaltende oder sofort einschaltende SSR, ebenfalls ein Wechselstromrelais, liefert sofort nach Anlegen der Steuerspannung Strom an die Last. Es schaltet sich bei jeder Phase der Netzspannung ein. Die typische Antwortverzögerung beträgt weniger als 1 ms. Zufallsschaltrelais werden bei induktiven Lasten eingesetzt.

Das gleichstromschaltende SSR ist für ohmsche und induktive Gleichstromanwendungen vorgesehen. Wie das Zufallsschaltrelais schaltet es die Last sofort nach Anlegen des Steuersignals ein. Die Reaktionszeit beträgt weniger als 100 Mikrosekunden (μs).

Das spitzenschaltende Halbleiterrelais schaltet bei der nächsten Netzspannungsspitze nach Anlegen der Steuerspannung. Diese Relais werden für schwere induktive Lasten wie z. B. Transformatoren verwendet.

Das Phasenanschnittrelais oder analog schaltende SSR liest die Spannung des analogen Steuersignals. Es variiert die Durchlasszeit des Relaisausgangs proportional zur Amplitude der Steuerspannung. Dieser SSR-Typ wird in Systemen mit geschlossenem Regelkreis und in Anwendungen eingesetzt, bei denen ein Sanftanlauf zur Begrenzung des Einschaltstroms verwendet wird.

Andere SSR-Typen, Varianten der beschriebenen, werden weniger häufig für spezielle Anwendungen verwendet.

Anzahl der Pole

SSRs sind Komponenten mit einem Schaltkreis, die einen Pol entweder ein- oder ausschalten können. Die Anzahl der Pole bezieht sich auf die Anzahl der Netzspannungen, die er steuern kann. Für eine einphasige Wechselstromleitung oder eine Gleichstromleitung ist ein einpoliges SSR erforderlich. Eine 220V-Einphasenleitung benötigt zwei Pole, einen für jede der 110V-Komponenten. Für dreiphasige Anwendungen wird ein dreipoliges Relais benötigt.

Die Relais werden als einpolige einkreisige (SPST), zweipolige einkreisige (DPST) oder dreipolige einkreisige (3PST) Komponenten klassifiziert.

Design von SSRs

Die Funktionsblockdiagramme von SSRs unterscheiden sich je nachdem, ob sie für Wechsel- oder Gleichstromanwendungen vorgesehen sind. SSRs für bipolare Wechselstromanwendungen, wie das DPST-Nullschaltrelais RK2A60D50P von Carlo Gavazzi (Abbildung 2), verwenden Thyristoren als Steuerkomponenten.

Abbildung 2: Abgebildet ist das funktionale Blockdiagramm des DPST-SSRs RK2A60D50P für AC-Anwendungen. (Bildquelle: Carlo Gavazzi Inc.)

Das RK2A60D50P ist für Ausgangsspannungen von 660 V und Ausgangsströme von bis zu 50 A ausgelegt. Andere Halbleiterrelais dieser Familie können Ausgangsströme von bis zu 75 A verarbeiten. Es benötigt eine Steuerspannung von 4 V_DC bis 32 V_DC. Wie alle SSRs verwendet er einen Optokoppler, um eine galvanische Trennung zwischen der Steuerspannungsquelle und der Leitung von 4000 V_eff zu gewährleisten. Dieses Relais hat einen gemeinsamen Steuereingang für beide Ausgänge; andere Versionen der Produktfamilie haben separate Steuereingänge für jeden Ausgang. Das Anlegen der Steuerspannung löst einen Nulldurchgangsdetektor aus, der die antiparallelen Thyristoren im Nulldurchgang der Leitung für beide Pole zündet.

Gleichstromanwendungen, die unipolar sind, verwenden Transistoren als primäre Schaltkomponente. Dies ist im Funktionsblockdiagramm des SPST-DC-SSRs RM1D060D50 von Carlo Gavazzi (Abbildung 3) dargestellt.

Abbildung 3: Dargestellt ist das funktionale Blockdiagramm des DC-SPST-SSRs RM1D060D50; DC-SSRs verwenden Transistoren als primäre Schaltvorrichtung. (Bildquelle: Carlo Gavazzi Inc.)

Diese Komponente verarbeitet Ausgangsspannungen von 1 V_DC bis 60 V_DC und Ausgangsströme von 50 A. Diese Serie von SSRs verfügt über Relais, die 500 V_DC und Ströme von 100 A bewältigen können. Da die Leitung unipolar ist, wird ein MOSFET als Primärschalter verwendet. Das Ergebnis ist ein Relais mit Ein- und Ausschaltzeiten von jeweils weniger als 100 μs. Dieses Relais kann mit einer Schaltgeschwindigkeit von 1000 Hz arbeiten und verwendet einen Gleichstrom-Steuerspannungsbereich von 4 V_DC bis 32 V_DC. Andere Bauteile dieser Produktfamilie bieten AC-Steuerspannungen von bis zu 280 V. Die Steuerspannung ist ebenfalls mit einer Isolierung von 3750 V_eff optisch von der Leitung getrennt.

Eine galvanische Trennung zwischen der Steuerleitung und der Last kann auch durch eine Transformatorenkopplung erreicht werden. Bei dieser Art der Isolierung, die anhand eines Blockdiagramms des RP1D060D8 von Carlo Gavazzi (Abbildung 4) gezeigt wird, wird eine modulierte HF-Quelle verwendet, die über einen HF-Transformator gekoppelt ist, um eine galvanische Isolierung zwischen Eingang und Ausgang zu gewährleisten.

Abbildung 4: Die Transformatorenkopplung im RP1D060D8 bewirkt eine galvanische Trennung. (Bildquelle: Carlo Gavazzi Inc.)

Dieses gleichstromschaltende SSR ist für 350 V_DC und 8 A ausgelegt. Es verwendet eine DC-Steuerspannung im Bereich von 4,25 V_DC bis 32 V_DC. Es ist in einem 4-SIP-Gehäuse mit vier durchkontaktierbaren Stiften untergebracht, die in Abständ von Mehrfachen von 0,1" angeordnet sind. Es unterscheidet sich von den anderen genannten SSRs dadurch, dass es kleiner ist und eine Transformatorenkopplung verwendet, um den Eingang vom Ausgang zu isolieren. Es hat eine Isolationsspezifikation von 4000 V_eff und eine Schaltreaktionszeit von <100 μs beim Schließen und <250 μs beim Öffnen.

Betriebstemperaturbereich

SSRs schalten Spannungen bis 660 V und Ströme bis 100 A und können erhebliche Wärme erzeugen. Beim Schalten wird Energie verbraucht, wenn der Strom durch das Relais und die Spannung an ihm nicht Null sind. Diese Wärme muss mit Hilfe von Kühlkörpern vom Relais abgeführt werden. Die Umgebungstemperatur wirkt sich auf den maximalen Nennstrom des Halbleiterrelais aus und muss bei erhöhter Temperatur reduziert werden. Normalerweise können SSRs bei Ausgangsströmen von 5 A oder weniger ohne Kühlkörper betrieben werden. Wenn das Relais auf einer Metalloberfläche montiert ist, erhöht sich dieser Grenzwert auf 8 A. Carlo Gavazzi bietet Kühlkörper an, die auf bestimmte SSR-Modelle abgestimmt sind und eine optimale Leistung in jeder thermischen Umgebung gewährleisten.

Montageart

SSRs werden in verschiedenen Gehäuseformen angeboten (Abbildung 5), um der jeweiligen Anwendung gerecht zu werden. Die meisten Montagearten erfordern, dass das Relais an einer wärmeleitenden Oberfläche oder einem Kühlkörper befestigt wird, um die Temperatur des Geräts zu kontrollieren.

Abbildung 5: Gezeigt werden Beispiele für gängige Montagekonfigurationen für SSRs. (Bildquelle: Carlo Gavazzi Inc.)

Das RZ3A60D55 (links) von Carlo Gavazzi ist ein nullschaltendes 3PST-SSR mit einem Ausgang von 660 V und 55 A, das durch ein Eingangssignal von 4 V_DC bis 32 V_DC gesteuert wird. Es verwendet ein modulares Chassis-Montagesystem, bei dem alle drei Schaltkomponenten auf einer gemeinsamen Grundplatte montiert sind. Mit Hilfe eines Wärmeleitpads oder einer Wärmeleitpaste wird die Grundplatte auf einer wärmeleitenden Oberfläche befestigt.

Das Hockey-Puck-SSR wird wegen seiner dicken Form und dichten Konstruktion so genannt. Die solide Struktur dieses Gehäuses macht es widerstandsfähiger gegen Stöße und Vibrationen und erhöht die Zuverlässigkeit in rauen Industrieumgebungen. Das zuvor beschriebene RM1D060D50, das in Abbildung 5 (zweites von links) dargestellt ist, ist ein Beispiel für einen SSR, der das Hockey-Puck-Gehäuse verwendet.

Das System-in-Package-Modul (SIP) ist ein auf einer Leiterplatte montiertes Gehäuse für ein vollständiges elektronisches Teilsystem. Das DC-SSR RP1D060D8, das zuvor besprochen wurde und in Abbildung 5 (drittes von links) gezeigt wird, ist in einem 4-SIP-Gehäuse (vier Pins) untergebracht. Dieses SSR steuert einen Ausgangsstrom von 8 A oder weniger und kann auf einer Leiterplatte montiert werden, ohne dass eine Wärmesenke erforderlich ist.

Hutschienen sind Metallschienen, die innerhalb eines Gehäuses zur Montage von elektrischen Komponenten wie Leistungsschaltern, Netzteilen und SSRs verwendet werden. Das RGS1A60D50KKE von Carlo Gavazzi ist ein nullschaltendes SPST-AC-SSR, das auf einer Hutschiene montiert werden kann und ganz rechts in Abbildung 5 dargestellt ist. Es kann 660 V und 50 A an seinem Ausgang schalten. Es verwendet eine DC-Steuerleitung mit einem Bereich von 4 V_DC bis 32 V_DC. Das DIN-Modul hat eine Breite von nur 17,5 mm für einen kompakten Einbau. Während die Montageschiene für eine gewisse Kühlung sorgt, sind für die Hutschiene kompatible Kühlkörper erhältlich.

Fazit

Ohne bewegliche Teile und ohne Kontaktabbrand oder elektrische Störungen durch Lichtbögen an den Kontaktflächen bieten SSRs die für die Industrie- und Fabrikautomation erforderliche Zuverlässigkeit. Die Auswahl des richtigen Bauteils kann vereinfacht werden, wenn man sich auf einen Anbieter wie Carlo Gavazzi verlässt, der eine umfangreiche Palette von SSR-Produkten anbietet. Mit einem gewissen Verständnis für die Funktionsweise, die Eigenschaften und die Anwendung von SSRs können Entwickler mit größerer Sicherheit das richtige Relais für die Anforderungen einer Konstruktion finden.