Informace o SSR

Polovodičové stykače - Solid State Relay

Volně zpracováno dle firemních aplikacních katalogu firem vyrábejících polovodicová relé ERI (Indie) a COSMO (Taiwan).

Polovodičové stykače (Solid State Relay - dále jen SSR) jsou moderní polovodičové spínací jednotky, které si razí cestu do různých elektronických zařízení. Pro ilustraci uvedeme pár příkladu - kopírky, ledničky, mikrovlné trouby, automatické pračky, prodejní automaty, klimatizace, ovládání dopravních semaforu, programovatelné automaty, laserové tiskárny, ovládání osvětlovacích lamp, ovládání motoru - spouštení, reverzace, ovládání transformátorů a mnoho dalších aplikací. Tyto obvody si získávají stále větší oblibu díky své dlouhé životnosti, malými rozměry a váhou, možnosti montovat nekteré typy prímo na desku plošných spoju, odstranení rušení, zpusobované sepnutím kontaktu nebo obloukem, absencí mechanických pohyblivých cástí a odstranení zvuku pri spínání, vibrace neovlivní správnou funkci SSR a nedochází vlivem otresu k falešným sepnutím. Je nutno podtrhnout jejich odolnost k pracovnímu prostredí. Vzhledem k tomu, že jsou zality epoxidovou pryskyricí, jsou odolné i proti vlhkosti, prachu a otresum. Vstupní obvody jsou dokonale odizolovány od výstupního obvodu, takže neexistuje zpetné ovlivnování vstupu. Jejich izolacní schopnost je minimálne 2,5 - 4 kV a vazební kapacita mezi vstupem a výstupem nepresahuje 10 pF. Prohlédneme-li si údaje o ovládacím vstupním napetí, vidíme široký napetový rozsah a snadné prizpusobení k ruzným rídícím zdrojum. Nejužívanejší relé jsou se spínáním v nule. To prináší radu výhod. Nedochází k rušení a ovlivnování dalších elektronických obvodu. Další nespornou výhodou techto obvodu oproti klasickým kontaktním spínacím elementum je kratší reakcní doba, maximální zpoždení oproti vstupnímu signálu je 10 msec pri 50 Hz. Velký zájem budí i relé pro spínání stejnosmerných proudu. Nabídka relé je pak doplnena o další typy - s okamžitým spínáním - pro speciální aplikace, nebo se spínáním v maximu - pro spínání transformátoru. Tato relé jsou napetove prizpusobena pro spínání fázového nebo sdruženého napetí. Konstrukcne jsou pak zalévány do skupin - pro spínání trífázových spotrebicu, napr. motoru nebo jejich reverzaci. Další skupinu tvorí proporcionální relé, kde stejnosmerným napetím rídíme úhel otevrení výstupního spínacího prvku - bud triaku nebo antiparalelne zapojených tyristoru.

Všeobecný popis
SSR se spínáním v nule jsou bezkontaktní spínací elementy, kde prenos signálu ze vstupu na výstup je zprostredkován pouze optickou vazbou, sepnutí a rozepnutí spínacího elementu probíhá v oblasti blízké pruchodu napetí nulou, címž se minimalizuje vf rušení. Vypnutí prvku po ztráte vstupního signálu nastává pri pruchodu proudu výstupu nulou. Na obrázku je principialní schéma SSR. Je patrné, že vstupní elektrický signál je konvertován pomocí LED diody na optický signál, který je prijat optoprijímacem na výstupní strane. Zde je opet konvertován na elektrický signál a porovnáván s výstupním signálem obvodu, detekujícím pruchody napetí nulou. Vyhodnocovací obvody pak umožnují otevrít výstupní spínací prvky - triak, alternistor, antiparalelne zapojené tyristory. SSR je navíc doplnen o obvod RC pro potlacení napetových špicek.

Oblast použití
SSR jsou vhodná pro spínání odporové, kapacitní i induktivní záteže. Každá z nich prináší urcitá specifika.

Odporová zátež
- jedná se o nejjednodušší prípad aplikace SSR, zvlášte, jedná -li se o zátež s konstantní hodnotou odporu. Výrobce pri spínání sleduje pomer di/dt, tento v prípade ohmické záteže je omezen pouze impedancí vedení a spínací charakteristikou polovodicového prvku na výstupu. Pri spínání vetších proudu se doporucuje pridat malou seriovou indukcnost, címž se omezí pomer di/dt. Dalším velmi úcinným zpusobem je spínání v oblasti nulového napetí, kde nehrozí prekrocení zminovaného pomeru.

Transformátorová zátež
- zde je treba peclive vybrat vhodné relé pro ovládání transformátoru. Jádro transformátoru prechází po hysterezní krivce od "pozitivní saturace" k "negativní saturaci" každé pulperiody. Velký proudový náraz se muže objevit v první pulperiode napájecího napetí, kdy se stane, že relé se spínáním v nule sepne v kladné pulperiode, kdy je jádro již v "pozitívní saturaci" (nebo obrácene), a tudíž je malá impedance, z cehož vyplývá, že nárust proudu muže být až 10ti násobný.

Kapacitní zátež
- není príliž bežná. Opet je nutno venovat pozornost pomeru di/dt. U vybitého kondenzátoru bez omezující externí impedance muže di/dt dosáhnout velmi vysokých hodnot. Spínání v "nule" je opet jedním z prostredku omezení pomeru di/dt.

Induktivní zátež
- všechna SSR jsou navržena pro rízení induktivní záteže, jako jsou elektromagnetické ventily nebo stykace. Vestavený ochranný obvod - omezovac prepetí v každém relé zajištuje rádnou funkci SSR.

Žárovková zátež
- jedná se v podstate o odporovou zátež, ale prináší s sebou také nekteré specifické problémy. Odpor studeného wolframového vlákna býva asi 10% zahrátého, takže se muže vyskytnout velký proud behem prechodového deje v okamžiku zapnutí. Ten se muže pohybovat od poloviny periody až po nekolik period. To vše závisí na tepelné konstante vlákna. Je proto nutné overit, zda tento zvetšený proud neprekracuje špickový proud - viz grafy. Nekteré typy lamp mohou v okamžiku prepálení vlákna krátkodobe navodit podmínky zkratu z hlediska SSR. Toto muže nastat v prípade mechanicky poškozeného vlákna, které padne pres prívodní vodice a zpusobí znacné snížení impedance. Proto se doporucuje použití rychlých polovodicových pojistek nebo seriové impedance. Nelze spoléhat na jistice, které sice vypnou, ale to je již polovodicový prvek znicen. Spínání wolframových lamp v okamžiku pruchodu napetí nulou omezí již zminovaný pomer di/dt, címž je spínání techto lamp šetrnejší a vede k prodloužení jejich životnosti.

Přechodové děje u jednotlivých druhů zátěže
Následující obrázky znázornují prechodové deje v okamžiku zapnutí u jednotlivých záteží, približnou velikost špickového proudu a jeho prubeh v závislosti na case. Tyto hodnoty jsou duležité pro správný výber polovodicového relé, aby nedošlo k prekrocení povolených hodnot.
1/ Žárovka
Špičkový proud / jmenovitý proud = 10-15x

2/ Motorová zátež
Špickový proud / jmenovitý proud = 5-15x

3/ Rtutová výbojka
Špickový proud / jmenovitý proud = 3x
Obvod bývá složen z výbojky, tlumivky a kondenzátoru. U vysoce úcinných výbojek s nízkou impedancí muže být špickový proud až 20 - 40ti násobek jmenovitého proudu

4/ Solenoid
Špickový proud / jmenovitý proud = 10-20x

5/ Zárivka
Špickový proud / jmenovitý proud = 5-10x

6/ Elektromagnetické spínace
Špickový proud / jmenovitý proud = 3-10x

7/ Kapacitní zátež
Špickový proud / jmenovitý proud = 20-40x

Příklady použití SSR

Ovládání trífázového motoru - trífázový motor muže být ovládán pomocí 2 kusu SSR, jak je znázorneno na obrázku. Tretí SSR je volitelné, ale není nezbytné. Ovládací vstupy SSR mohou být zapojeny jak sériove, tak i paralelne. U integrovaných 3f stykacu jsou vstupy zapojeny paralelne, což ale zvyšuje vstupní proud.
	Spínání záteží s malým proudem - v prípade záteží s velkou impedancí a malým proudem potrebným k sepnutí, jako jsou miniaturní relé, muže dojít k tomu, že relé je sepnuto zbytkovým proudem výstupního polovodicového spínacího prvku, aníž by bylo privedeno ovládací napetí. V tomto prípade doporucujeme pripojit k záteži paralelne vhodný odpor, který sníží proud protékající záteží
Ochrana proti prepetí - k zabránení znicení SSR nebo špatné funkce relé, zpusobené prepetím ze strany napájení, se doporucuje pripojit varistor, jak je naznaceno na obrázku.

Ochrana proti nadproudum
- SSR má stanoven špckový proud i délku jeho trvání. Prekrocení techto hodnot muže znamenat pro SSR trvalé znicení. Pro návrh vhodné pojistky pak vycházíme z hodnoty I²t, která je u vetšiny polovodicových relé uvedena. Pojistka by mela mít tuto hodnotu nižší, ale proudovou hodnotu vhodnou pro trvalý proud. Proto se doporucuje užití rychlých pojistek.
Aplikace

Rízení teploty elektrické pece
	Ovládání solenoidu
Zapínání a vypínání jednofázového motoru
	Reverzace jednofázového motoru Pri zmene otácení musí mít ovládací napetí prodlevu 25 msec, SSR musí mít závěrné napětí dvojnásobné než je napájecí.
Ovládání 3-fázového motoru V tomto zapojení je motor stále ve spojení se sítí. Proto se doporucuje předřadit vypínač nebo stykač pred SSR, který odpojí síť v době, kdy motor nepracuje.
	Reverzace trífázového motoru Opet je nutno pri reverzaci vložit do ovládacího napetí casovou prodlevu, aby se zabránilo zkratu mezi 2 fázemi. Navíc výstupní triak vypíná pri pruchodu proudu nulou, nikoliv napeti a vlivem indukcnosti dochází k posuvu. V prívodu reverzovaných fází jsou umísteny ochranné odpory, sloužící k ochrane relé pri chybném sepnutí. Pri stanovení jejich hodnoty se vychází z napetí a max. povoleného proudu. U reverzacních relé se setkáme s výrazem "+ interlocking", prípadne "- interlocking", což znamená, že privede-li se na oba vstupy na jejich +, resp - svorky soucastne ovládací napetí, oba výstupy se uzavrou. To ovšem nevyrazuje nutnost bezpecnostní pauzy pri reverzaci cca 25 msec.

Řazení SSR
Vstupní obvod jednoho SSR muže být zapojen se druhým sériove nebo paralelne - to závisí na vuli konstruktéra a výstupu zarízení, která bude SSR ovládat. Jinak je to s výstupy. Potrebujeme-li spínat v obvodu, kde napájecí napetí je vyšší než záverné napetí SSR, dají se použít dve SSR zapojená do serie. Potrebujeme-li však spínat vetší proud než jmenovitý, nikdy nesmíme spojit dve SSR paralelne - v takovém prípade hrozí znicení SSR, jelikož nejsou identická a okamžik sepnutí se liší. Velmi casto se relé používají ve spojení s regulátory teploty, které mají výstup pro ovládání SSR 12V, 20mA. Relé pracují již od 3 V_ss (dle typu a výrobce) a je tedy možné sério-paralelní razení. Relé však musí být se stejným vstupním obvodem, jinak dojde k nerovnomernému rozložení napetí a nekterá relé nemusí spínat. Trífázová relé mají vstupy uvnitr paralelne spojené a jejich vstupní proud vetšinou prekracuje výstupní proud regulátoru. Toto se dá vyrešit pomocí malého pomocného polovodicového relé se stejnosmerným výstupem, napr. 3A , a malého zdroje ss napetí 5-24 V. Regulátor ovládá malé relé, a to spíná vstupy dalších relé.

Provedení SSR
Zde existuje široká škála provedení. Od relé pro montáž na panel nebo chladic, pro montáž na DIN lištu, do tištených spoju a dokonce pro povrchovou montáž

Výstupní prvky
Výstupy polovodicových relé - SSR jsou nejcasteji osazeny triaky - asi do 40 A. Nad tuto hranici se již používají antiparalelne zapojené tyristory, oznacované jako SCR. Ty se používají i pro nižší proudové rozsahy a pro nárocnejší aplikace, jelikož mají radu výhod - podstatne vyšší du/dt - což znamená vyšší odolnost relé proti nežádoucímu sepnutí pri prudkém nárustu napetí. Vnitrní zapojení relé je složitejší, a to se také promítá v cene. Kompromisem mezi cenou a vlastnostmi je použití na výstupu alternistoru, což je kombinace triaku a 2 tyristoru. Hodnota du/dt je vyšší než u triakových relé, ale nižší než u tyristorových a cena príznivejší.

Výběr správného prvku
Vycházíme z maximálního proudu záteží, tedy vcetne prechodového deje - zvlášte u motoru nebo topidel a žárovek, kde jejich odber je delší dobu zvýšen. Tuto hodnotu násobíme konstantou 1,5 a najdeme nejbližší vyšší hodnotu SSR. Presvedcíme se, zda relé obsahuje RC obvod, pokud neobsahuje, použijeme externí - zlepšuje du/dt. Proti napetovým špickám chráníme SSR paralelním varistorem. Jistíme zásadne rychlými pojistkami s hodnotou I²t menší než je uvedeno u relé.

Další typy SSR
Zatím jsme uvažovali o SSR se spínáním v nule (v oblasti blízké pruchodu napetí nulou). Pro nekteré speciální aplikace je výhodnejší použití relé s okamžitým spínáním. To znamená, po príchodu rídícího napetí na vstup SSR je výstup okamžite sepnut a trvale sepnut po celou dobu trvání vstupního signálu (upozornuji, že ovládací napetí musí být vyfiltrováno a nikoliv bráno za usmernovacím mustkem bez kondenzátoru). Další specialitou je spínání v maximu, které je vhodné pro spínání transformátoru. Pro plynulou regulaci výkonu lze použít proporcionílní regulátor, kde pomocí stejnosmerného napetí 0-10 V (resp. 0-20 mA) rídíme úhel otevrení výstupních tyristoru. Velmi duležitou skupinou SSR jsou polovodicová relé pro spínání stejnosmerného napetí, jejichž výstup je osazen výkonovými MOSFETy. Výhodou použití techto relé je odstranení opalování kontaktu, rychlé sepnutí a vypnutí.

Důležité upozornění!

Při použití SSR je třeba si uvědomit, že se jedná o polovodičový obvod, na který má vliv teplota okolí, se kterou je třeba při návrhu počítat a dle grafu upravit jmenovitý proud či zajistit dostatečné chlazení obvodu. Při montáži na chladič se doporucuje použít silikonového kompaundu pro zlepšení prenosu tepla na chladic a ke snížení celkového tepelného odporu. Pro výpocet tepelného odporu chladice je treba znát ztrátový výkon. Nekterí výrobci uvádejí zjednodušený výpocet P_ztr=1,1 Iz, tedy 1,1 násobek protékajícího proudu. Ofukování chladice snižuje tepelný odpor chladice a zlepšuje jeho vlastnosti. Nejhorším konstrukcním rešením je uzavrení SSR do plastové skrínky bez cirkulace vzduchu. Pri vyšších proudech a ztrátových výkonech je relé odsouzeno k zániku. Dalším duležitým faktem je to, že i v rozepnutém stavu protéká záteží zbytkový proud výstupního spínacího prvku, a tudíž obvod není galvanicky oddelen, jak tomu bývá u stykačů.

Zpracoval:
Ing. Zdeněk Vacka - ELPROZ, Dr. Martínka 1, 700 30 Ostrava - Hrabůvka