Einsatz von Halbleiterrelais in der Fabrikautomation für hohe Zuverlässigkeit, schnelles Schalten und geringe EMI

Um teure Ausfallzeiten zu vermeiden, werden hochentwickelte Diagnoseverfahren und vorausschauende Wartung in der Automatisierung von Fabriken in Branchen wie der Lebensmittel- und Getränkeherstellung, der automatisierten Fertigung und anderen kontinuierlichen Verarbeitungssystemen sowie in HLK-, Wasserreinigungs- und Stromerzeugungsanlagen zunehmend eingesetzt. Zuverlässige Schaltrelais sind für diese automatisierten industriellen Prozesse von entscheidender Bedeutung. Sie müssen in der Lage sein, schnell zu schalten, kontinuierlich unter schwierigen Bedingungen mit minimalem Kontaktverschleiß zu arbeiten und dürfen keine elektromagnetischen Störungen (EMI) verursachen, die drahtlose Sensoren und Steuerungen beeinträchtigen können.

Halbleiterrelais (SSRs) erfüllen die Schaltanforderungen der Fabrikautomation mit innovativer Technologie, die die Zuverlässigkeit und Langlebigkeit erhöht, um eine gleichbleibende Leistung auch in rauen Umgebungen zu gewährleisten.

In diesem Artikel wird kurz auf die Schaltanforderungen der Fabrikautomation eingegangen. Anschließend werden Beispiele für SSRs von Littelfuse vorgestellt und gezeigt, wie sie zur Erfüllung dieser Anforderungen eingesetzt werden können.

Definition und Erfüllung der Anforderungen für die Fabrikautomatisierung

Zu den Anforderungen der Fabrikautomation gehören Zuverlässigkeit bei niedrigen Kosten, schnelle Betätigungszeiten ohne Kontaktprellen oder Lichtbogenbildung, minimale EMI, die nahe gelegene Schaltkreise oder drahtlose Sensoren und Netzwerke, die zunehmend in Fabriken eingesetzt werden, beeinträchtigen kann, sowie hohe Toleranz gegenüber mechanischen Stößen und Vibrationen.

SSRs verwenden Halbleiterbauelemente für den Schaltvorgang, um diese Anforderungen zu erfüllen. Sie können entweder mit Wechsel- oder Gleichspannung betrieben werden, wobei es für jede Erregungsart unterschiedliche Modelle gibt (Abbildung 1).

Abbildung 1: Diese Funktionsblockdiagramme von SSRs zeigen die kritischen Komponenten sowohl für gleichstrom- (oben) als auch wechselstrombetätigte Modelle (unten). (Bildquelle: Littelfuse Inc.)

Gleichstrombetätigte Halbleiterrelais (oben) regulieren die angelegte Spannung. Wechselstrombetätigte Halbleiterrelais (unten) verwenden einen Vollweg-Brückengleichrichter zur Umwandlung des Erregersignals in Gleichstrom. Beide SSR-Typen isolieren das Schaltsignal optisch vom Ausgang. Das aktive Element dieser SSRs ist ein Paar halbleitergesteuerter Gleichrichter (SCRs). Diese Halbleiterrelais verfügen über einen Überspannungsschutz in Form einer Diode zur Unterdrückung transienter Spannungen (TVS), die zwischen den Gates der SCRs geschaltet ist, um das Halbleiterrelais zu schützen und unerwartete Zustandsänderungen bei elektrischen Transienten im Netz zu verhindern.

Das Schaltverhalten nutzt die schnellen Schaltzeiten der Halbleiterbauelemente aus und wird durch die Triggerschaltung gesteuert. Das Schalten kann im Nulldurchgang der Ausgangsspannung nach Anlegen des Stellsignals oder zufällig (sofort) mit dem Stellsignal erfolgen (Abbildung 2).

Abbildung 2: Die Schaltcharakteristik wird entsprechend der vorgesehenen Anwendung des SSR ausgewählt. (Bildquelle: Littelfuse Inc.)

Die Einschaltung im Nulldurchgang wird für Anwendungen mit hohen Strömen, wie z. B. industrielle Heizungen, verwendet, wo sie die Einschaltströme minimiert. Sofortiges Einschalten wird verwendet, wenn das Schalten mit hoher Frequenz erfolgen muss. Durch sofortiges Schalten wird die höchstmögliche Schaltfrequenz erreicht.

Beispiele für SSRs

Um dem Bedarf an zuverlässigeren und langlebigeren Leistungsschaltrelais in industriellen und kommerziellen Maschinenanwendungen gerecht zu werden, hat Littelfuse Inc. die SSR-Familie SRP1 mit hoher Lebensdauer entwickelt. Sie wird in zwei Modellen angeboten: das SRP1-CB, ein hochbelastbares SSR ohne Gehäuse, und das SRP1-CR, ein hochbelastbares Komplett-SSR mit Berührungsschutz und Überspannungsschutz (Abbildung 3, links und Mitte).

Abbildung 3: Abgebildet sind das SSR SRP1-CB (links), das berührungssichere SSR SRP1-CR (Mitte) und die alternativen Schnellanschlussklemmen des SRP1-CB...F (rechts). (Bildquelle: Littelfuse Inc.)

Littelfuse hat proprietäre Halbleiter entwickelt, um die Beeinträchtigung der Komponenten durch Hitze zu minimieren und eine optimale Leistung unter rauen Bedingungen zu gewährleisten. Beide Modellreihen bieten Komponenten mit AC- oder DC-Auslösung und Ausgangsstromstärken von 10 A, 25 A und 50 A in zwei Ausgangsspannungsbereichen, 24 V_AC bis 240 V_AC oder 48 V_AC bis 600 V_AC. Die Modelle unterscheiden sich dadurch, dass das SRP1-CR über integrierte Schutz- und Installationsfunktionen verfügt, darunter eine fingersichere IP20-Abdeckung, einen Überspannungsschutz mit TVS-Diode und ein vormontiertes Wärmeleitpad. Die Version SRP1-CB...F (Abbildung 3, rechts) verfügt zusätzlich über Schnellanschlussklemmen.

Die Relais sind einpolige Umschaltrelais (SPST), die mit der Ausgangslast in Reihe geschaltet sind (Abbildung 4).

Abbildung 4: Die Halbleiterrelais SRP1 sind in Reihe mit der Ausgangslast verdrahtet; der Eingang wird je nach Modell entweder durch ein AC- oder DC-Stellsignal angesteuert. (Bildquelle: Littelfuse Inc.)

Halbleiterrelais benötigen einen Kühlkörper, um die angegebenen Nennwerte zu erreichen. Beide Littelfuse-Modelle verwenden die neueste Direktbondtechnologie, um maximale Zuverlässigkeit und Langlebigkeit zu gewährleisten. Die SRP1-CR-Relais verfügen über ein integriertes Wärmeleitpad zur effizienten Wärmeableitung, das keine Wärmeleitpaste benötigt und eine saubere und einfache Installation ermöglicht. Thermische Leistungsminderungskurven (Abbildung 5) zeigen den maximalen Ausgangsstrom, der bei verschiedenen Umgebungstemperaturen und Kühlkörpern mit unterschiedlichen Wärmewiderständen unterstützt werden kann.

Abbildung 5: Dargestellt sind Leistungsminderungskurven für die SSRs der Serie SRP1-CR für verschiedene Umgebungstemperaturen und Kühlkörper. (Bildquelle: Littelfuse Inc.)

Der Wärmewiderstand wird in ˚C pro Watt (°C/W) angegeben. Ein Kühlkörper mit einem Nennwert von 10°C/W wird pro 1 W abgeleiteter Wärme 10°C wärmer als die Umgebungsluft. Kühlkörper mit geringerem Wärmewiderstand sind effizienter als Kühlkörper mit höherem Wärmewiderstand und kühlen daher besser.

Die SRP1-SSRs sind für die Einhaltung verschiedener Gesundheits-, Sicherheits-, Umwelt-, elektromagnetischer Kompatibilitäts- und elektrostatischer Immunitätsstandards zertifiziert, darunter UL, CAN/CSA, IEC, CISPR, RoHS und REACH. Sie eignen sich hervorragend für Anwendungen im Bereich der Heizungs- und Bewegungssteuerung in der industriellen Automatisierung. Sie eignen sich auch für die Lebensmittel- und Getränkeindustrie, wo sie Industrieöfen, Verpackungsanlagen und Fördersysteme steuern. In Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen werden diese Relais für Luftaufbereiter und Kompressoren verwendet, ebenso wie in großen Beleuchtungsanlagen. All diese Anwendungen erfordern eine überragende Leistung und eine extrem hohe Zuverlässigkeit, und die SRP1-Serie bietet Optionen für verschiedene Strom-, Spannungs-, Reaktionszeit- und Schaltanforderungen.

Das SRP1-CBAZL-050NW-N ist zum Beispiel ein SSR mit für einen Nennstrom von 50 A und einem Ausgang von 24 V_AC bis 240 V_AC. Es akzeptiert eine Eingangsspannung von 90 V_AC bis 280 V_AC und schaltet im Nulldurchgang der Ausgangsspannung. Es bietet einen maximalen Durchlasswiderstand von 6,3 Milliohm (mΩ), was bei maximalem Strom zu einem Spannungsabfall von nur 0,3 V über dem Relais führen würde. Der maximale Spannungsabfall beträgt 1,3 V. Das Relais schaltet in weniger als 20 Millisekunden (ms) ein, einschließlich der Wartezeit für den Nulldurchgang, und schaltet in weniger als 30 ms aus.

Das SRP1-CBDZL-010NF-N ist ein Beispiel für ein gleichstrombetätigtes SSR. Es bietet einen Ausgangsstrom von 10 A und einen Ausgangsspannungsbereich von 24 V_AC bis 240 V_AC. Der Eingangsspannungsbereich beträgt 4 V_DC bis 32 V_DC. Es schaltet ebenfalls im Nulldurchgang der Ausgangsspannung und hat denselben maximalen Durchlasswiderstand von 6,3 mΩ. Es unterscheidet sich von den Standardrelais SRP1-CB dadurch, dass es über Schnellanschlussklemmen verfügt. Seine Einschaltzeit entspricht der Hälfte des Zyklus der Ausgangswellenform.

Das SRP1-CRARH-025TC-N ist eine berührungssichere Version der SRP1-Serie und ist für einen Ausgangsstrom von 25 A ausgelegt. Dieses Modell wird mit Wechselstrom betrieben und verwendet eine Eingangsspannung von 90 V_AC bis 280 V_AC. Es unterscheidet sich von den anderen Modellen durch sein sofortiges Schaltverhalten und den hohen Ausgangsspannungsbereich von 48 V_AC bis 600 V_AC. Die Einschaltzeit des Relais beträgt weniger als 20 Millisekunden (ms), die Ausschaltzeit weniger als 30 ms.

Die schnellste Reaktionszeit wird mit einem Relais mit Gleichstromeingang und sofortigem Schaltverhalten erreicht. Ein Beispiel ist das SRP1-CRDRL-010TC-N. Dieses SSR ist für einen Ausgangsstrom von 10 A mit einem Ausgangsspannungsbereich von 24 V_AC bis 240 V_AC ausgelegt. Der Eingangsspannungsbereich beträgt 4 V_DC bis 32 V_DC. Seine Einschaltzeit beträgt 20 Mikrosekunden (µs) und seine Ausschaltzeit weniger als eine halbe Zykluszeit der Ausgangswellenform, womit es zu den schnellsten Relais-Zykluszeiten gehört.

Fazit

Um die Anforderungen an Schaltleistung, Zuverlässigkeit und internationale Standards in der Fabrikautomation zu erfüllen, können SSRs der Serie SRP1 verwendet werden. Diese Serie nutzt Fortschritte in der Halbleitertechnologie, um eine lange Lebensdauer, eine hohe Schaltgeschwindigkeit und eine minimale EMI über eine breite Palette von Ausgangsströmen und Eingangssteuerungsoptionen zu erreichen.