Mely terhelések alkalmasak egyetlen szilárdtest-relére?

Ellenállásos terhelések: az ideális párosítás egyetlen félvezetős reléhez

Miért csökkentik az ellenállásos terhelések a félvezetős relé kimeneti félvezetőinek terhelését

Amikor ellenállásos terhelésekről, például fűtőelemekről és régi típusú izzólámpákról van szó, azok gyakorlatilag nagyon kis terhelést jelentenek a félfémvezetők számára a szilárdtest-relék (SSR-ek) belsejében. Ezek a terhelésfajták azt a mérnöki kifejezést használják, amelyet „közel egységnyi teljesítménytényezőnek” neveznek, ami lényegében azt jelenti, hogy a feszültség és az áram szépen együtt mozognak, nem kerülnek szinkronból. Ez az együttmozgás megelőzi azokat a zavaró feszültségcsúcsokat, amelyek akkor keletkeznek, amikor a berendezések be- vagy kikapcsolódnak. Mivel nincs hirtelen áramfelvétel vagy tárolt energia, amellyel foglalkozni kellene, az elektromos igény hőmérsékleti szempontból állandó és jósolható marad. Ez segít megvédeni a finom félfémvezető-átmeneteket a többszörös felmelegedési és lehűlési ciklusoktól, amelyek idővel kopást okozhatnak. Fontos megjegyezni, hogy az ellenállásos terhelések nem visszaküldenek semmilyen nem kívánt elektromosságot (amit visszaindukált feszültségnek, azaz back-EMF-nek neveznek) kikapcsoláskor, ellentétben az induktív vagy kapacitív terhelésekkel. Ez lényegesen leegyszerűsíti az SSR-ek működését, mivel biztonságosan működhetnek normál paramétereik között anélkül, hogy a tervezésbe extra biztonsági tartalékokat kellene beépíteni.

Nullátmenetes kapcsolás: Hogyan növeli a hosszú élettartamot és az EMI-teljesítményt ellenállásos alkalmazásokban

Nullátmenetes kapcsolás alkalmazása esetén a félvezetős relé éppen akkor kapcsol be, amikor az állandóan váltakozó feszültség nullavoltos értéken halad át. Ez a pontos időzítés segít elkerülni a hirtelen áramugrást, amely problémákat okozhat. Az eredmény? Kevesebb terhelés a feszültségcsúcsoktól és jelentősen csökkent elektromágneses zavar (EMI). A tesztek azt mutatják, hogy az EMI-szint körülbelül 40 dB-rel alacsonyabb, mint a szokásos kapcsolási módszerek esetében. Az ipari fűtési rendszerek különösen jótékonyan érzik ezt, mivel sokkal kevesebb zavaró zajt termelnek, amely más, közeli vezérlőköröket zavarhatna. A tirisztoros alkatrészek szintén lényegesen kevesebb teljesítményt veszítenek el – valójában 65–80%-kal kevesebbet –, ami azt jelenti, hogy ezek az alkatrészek hosszabb ideig működnek, mielőtt cserére kerülnének. Egy további nagy előny, hogy elkerülhetők a mechanikus relékkel gyakran fellépő érintkező-hegesztési problémák, amelyek évenként több millió kapcsolási ciklus után jelentkeznek. Olyan alkalmazásoknál, ahol évekig tartó ismétlődő kapcsolásra van szükség, a nullátmenetes kapcsolás továbbra is a legmegbízhatóbb megoldás ellenállási terhelések vezérlésére.

Induktív terhelések: Kritikus szempontok egyetlen félvezetős relé megbízhatóságához

Visszaindukált feszültség és feszültségcsúcsok: Az egyetlen félvezetős relé áramkörök elsődleges meghibásodási mechanizmusai

Induktív terhelések, például tekercsek, érintkezők és különböző típusú motorok energiát tárolnak mágneses mezőjükben. Amikor ezeket az eszközöket hirtelen kikapcsolják, éles visszaindukált feszültségcsúcsokat (back-EMF) generálnak, amelyek akár 1000 voltnál is többet elérhetnek mikromásodpercenként. Ezek a csúcsok pusztító hőfutás-hatást okoznak a szilárdtest-relék kimeneti félvezetőiben. Egyszerű ellenállásterhelésekhez képest a hirtelen felszabaduló tárolt energia olyan körülményeket teremt, amelyek hasonlóak az elektromos ívhöz, és felgyorsítják a félvezető-átmenetek meghibásodását. A gyakorlatban a szilárdtest-relék ipari alkalmazásaiban megfigyelt legtöbb korai meghibásodás éppen e jelenségből ered. A helyzet még rosszabbá válik, ha a kikapcsolás során nincs természetes pillanat, amikor az áram nullára csökken – ez különösen problémás az egyenáramú rendszerekben, mivel a maradék mágneses energia tovább kering, miután a feszültség elérte a nullaszintet.

Kockázatcsökkentő stratégiák: csillapító hálózatok, dv/dt-értékkel jellemezhető szilárdtest-relék és véletlenszerű bekapcsolású (random-on) kapcsolási mód kiválasztása

Több hatékony módszer is létezik egyetlen szilárdtest-relé védelmére azokkal az induktív veszélyekkel szemben, amelyek különféle problémákat okozhatnak. Először is, az RC csillapító hálózatok itt igazán jól működnek. A legtöbb ember kb. 100 ohmos ellenállásokat és kb. 0,1 mikrofarad kapacitású kondenzátorokat használ. Ezek a kis berendezések elnyelik az energia hirtelen kitörését, mielőtt az elérné a szilárdtest-relé kimeneti fokozatát. Egy másik jó gyakorlat az olyan szilárdtest-relé kiválasztása, amely legalább 500 V/μs dv/dt értéket bír el. Ez biztosítja, hogy a belső alkatrészek ne melegedjenek túl a gyors feszültségcsúcsok hatására. Az induktív áramkörök esetében a nullaátmeneti pontokra való várakozás helyett véletlenszerű kapcsolás segít megelőzni az idővel felhalmozódó kellemetlen rezonanciajelenségeket. És ne feledjük azt a fontos tényt, amelyet sok mérnök figyelmen kívül hagy: induktív terhelések esetén a szilárdtest-relé áramerősség-jellemzőjét mindig kb. 40–50 százalékkal csökkenteni kell. Ez a plusz tartalék figyelembe veszi azokat az előre nem látható indítási áramcsúcsokat és ideiglenes túlterhelési helyzeteket, amelyek gyakrabban fordulnak elő, mint ahogy szeretnénk.

Kapacitív és vegyes terhelések: A bekapcsolási áram kezelése egyetlen szilárdtest-relé méretezésének csökkentésével

Kondenzátor töltési áramcsúcs: Miért döntő a csúcsáram-értékek és az I²t ellenállás értéke az egyetlen szilárdtest-relé kiválasztásánál

Amikor kapacitív terhelések, például a kapcsolóüzemű tápegységek bemeneti szűrői indításkor működésbe lépnek, hatalmas bekapcsolási áramokat hoznak létre, amelyek csúcsértéke akár a normál üzemi érték 20–40-szeresére is megemelkedhet. Ezek az áramcsúcsok két fő problémát jelentenek a félvezetős relék számára. Először is azonnali kockázatot jelent, ha a csúcsáram meghaladja a készülék gyártói specifikációiban megadott legnagyobb megengedett értéket. Másodszor hosszabb távon termikus feszültség halmozódik fel, amelyet az I²t egységekben (amper négyzet másodpercenként) mérnek. Kezdetben a kondenzátorok majdnem rövidzárlatként viselkednek, mivel bekapcsolás után ellenállásuk rendkívül alacsony, így kárt okozhatnak – például MOSFET-avalanche vagy akár a belső kötődrótok olvadása révén is. A komponensek kiválasztásakor mindkét tényező ellenőrzése elengedhetetlen a megbízható működés biztosításához valós körülmények között.

• Csúcsáram-kategória meghaladja a legrosszabb esetben fellépő bekapcsolási áram amplitúdóját
• I²t elviselési érték meghaladja a teljes túlfeszültségi energiaintegrált értéket

A számított értékek fölötti 50–60%-os lefokozás szokásos gyakorlat – nem csupán a kondenzátorok ESR-értékének korral járó növekedésének kompenzálására, hanem azért is, mert a DC kimenetű félvezetős relék nem rendelkeznek nullátmeneti segítséggel, ezért különösen érzékenyek a többszörös bekapcsolási áramcsúcsokra.

AC és DC terhelés kompatibilitása: Egyetlen félvezetős relé kimeneti konfigurációjának korlátozásai

Az egyenáramú (DC) és váltóáramú (AC) terhelések hatása egy félvezetős relé kimeneti architektúrájára lényegesen eltérő. Az AC félvezetős relék (SSR-ek) esetében a legjobb teljesítményt nyújtják, mivel kihasználhatják azokat a természetes áram-nullpontokat, amikor a jelalak áthalad a nulla volton. Ez lehetővé teszi, hogy tisztán kapcsolják le az áramellátást olyan komponensekkel, mint a tirisztorok vagy triakok, amelyeket kifejezetten váltóáramú jelekhez terveztek. A DC terhelések esetében azonban bonyolultabb a helyzet. Ezekhez egyirányú kimeneti eszközökre – általában MOSFET-ekre vagy bipoláris tranzisztorokra – van szükség, amelyek képesek kezelni a folyamatos áramátfolyást, és megfelelően lekapcsolódni akkor is, ha nincs feszültségesés, amely segíthetne a kapcsolásban. Ha valaki véletlenül egy AC-ra méretezett félvezetős relét használ DC-alkalmazásra, gyorsan súlyos problémák léphetnek fel. A nullaátmenetek hiánya miatt a relé továbbra is vezetni fog az áramot kontrollálatlanul. Ennek következtében a komponensek túlmelegednek, és végül a belső félvezető elemek meghibásodnak. A megfelelő kiválasztás azt jelenti, hogy a félvezetős relé típusát pontosan illeszteni kell ahhoz a fajta áramhoz, amelyet vezérelni kell. Fontosak továbbá a feszültség- és áramerősség-jellemzők is, amelyeknek túllépniük kell a normál üzemfeltételeket, és elegendő tartalék kapacitással kell rendelkezniük. Ha ezeket a részleteket rosszul választják meg, nemcsak a relé ég el, hanem egész rendszerek váratlanul leállhatnak.