Quali carichi sono adatti per un singolo relè a stato solido?

Carichi resistivi: la combinazione ideale per un singolo relè a stato solido

Perché i carichi resistivi riducono al minimo lo stress sui semiconduttori di uscita di un singolo relè a stato solido

Quando si tratta di carichi resistivi, come elementi riscaldanti e lampade a incandescenza tradizionali, questi esercitano in realtà una sollecitazione molto contenuta sui semiconduttori interni ai relè statici (SSR). Questi tipi di carico presentano ciò che gli ingegneri definiscono un fattore di potenza prossimo all’unità, il che significa essenzialmente che tensione e corrente rimangono perfettamente in fase, anziché sfasarsi. Questo allineamento evita le fastidiose sovratensioni che si verificano all’accensione o allo spegnimento degli apparecchi. Poiché non vi è alcun improvviso afflusso di corrente né energia immagazzinata da considerare, il carico elettrico rimane costante e prevedibile dal punto di vista termico. Ciò contribuisce a proteggere le delicate giunzioni dei semiconduttori dai cicli ripetuti di riscaldamento e raffreddamento, che nel tempo possono causare usura. Un aspetto importante da sottolineare è che i carichi resistivi non generano alcuna corrente indesiderata di ritorno (nota come forza controelettromotrice, o back-EMF) allo spegnimento, a differenza dei carichi induttivi o capacitivi. Ciò rende il funzionamento degli SSR molto più semplice, poiché possono operare in sicurezza entro i loro normali parametri, senza necessità di margini di sicurezza aggiuntivi integrati nella progettazione.

Commutazione al passaggio per zero: come migliora la durata e le prestazioni EMI nelle applicazioni resistive

Quando si utilizza l'azionamento a passaggio per lo zero, il relè a stato solido si attiva esattamente nel momento in cui la tensione alternata attraversa lo zero volt. Questo controllo preciso del tempo evita bruschi picchi di corrente che potrebbero causare problemi. Il risultato? Minore sollecitazione dovuta ai sovraccarichi di potenza e una riduzione significativa delle interferenze elettromagnetiche (EMI). I test indicano livelli di EMI inferiori di circa 40 dB rispetto ai metodi di commutazione convenzionali. I sistemi industriali di riscaldamento ne traggono particolare vantaggio, poiché generano molto meno rumore potenzialmente disturbante per altri circuiti di controllo nelle vicinanze. Anche i componenti a tiristore dissipano molta meno potenza, con una riduzione effettiva compresa tra il 65% e l’80%, il che significa che tali componenti hanno una durata maggiore prima di richiedere sostituzione. Un altro importante vantaggio è l’eliminazione dei problemi di saldatura dei contatti, tipici dei relè meccanici dopo milioni di operazioni all’anno. Per applicazioni che richiedono commutazioni ripetute per molti anni, l’azionamento a passaggio per lo zero rimane la scelta migliore per controllare in modo affidabile carichi resistivi.

Carichi induttivi: Considerazioni fondamentali per l'affidabilità di un singolo relè a stato solido

FEM inversa e transitori di tensione: Meccanismi di guasto principali nei circuiti con un singolo relè a stato solido

I carichi induttivi, come solenoidi, contattori e vari tipi di motori, immagazzinano energia nei loro campi magnetici. Quando questi dispositivi vengono spenti improvvisamente, generano picchi di tensione di contro-EMF molto accentuati, che possono raggiungere oltre 1.000 volt per microsecondo. Tali picchi provocano effetti distruttivi di runaway termico nei semiconduttori di uscita dei relè statici a stato solido (SSR). Rispetto ai semplici carichi resistivi, il rilascio improvviso dell’energia immagazzinata crea condizioni analoghe a quelle degli archi elettrici, accelerando il degrado delle giunzioni semiconduttive. La maggior parte dei guasti precoci riscontrati nelle installazioni industriali di SSR è effettivamente attribuibile a questo fenomeno. La situazione peggiora ulteriormente quando non esiste un punto naturale in cui la corrente scende a zero durante lo spegnimento, problema particolarmente rilevante nei sistemi in corrente alternata (AC), poiché l’energia magnetica residua continua a circolare anche dopo che la tensione ha raggiunto il valore zero.

Strategie di mitigazione: reti smorzanti (snubber), SSR con classificazione dv/dt e selezione della modalità di accensione casuale (random-on)

Esistono diversi metodi efficaci per proteggere un singolo relè a stato solido dalle fastidiose minacce induttive, che possono causare ogni genere di problema. Innanzitutto, le reti smorzanti RC funzionano egregiamente in questo contesto. La maggior parte degli operatori utilizza resistori da circa 100 ohm collegati a condensatori da circa 0,1 microfarad. Queste piccole configurazioni assorbono l’improvviso picco di energia prima che raggiunga mai lo stadio di uscita del relè a stato solido (SSR). Un’altra buona pratica consiste nella scelta di un SSR con una velocità di variazione di tensione (dv/dt) pari ad almeno 500 volt al microsecondo: ciò garantisce che i componenti interni non si danneggino quando sottoposti a rapide sovratensioni. Nei circuiti induttivi, commutare in modo casuale anziché attendere i punti di passaggio per lo zero della tensione aiuta a prevenire i fastidiosi fenomeni di risonanza che si accumulano nel tempo. E non dimenticate un aspetto importante spesso trascurato dagli ingegneri: quando si gestiscono carichi induttivi, è sempre necessario ridurre la corrente nominale dell’SSR del 40–50%. Questo margine aggiuntivo tiene conto degli imprevedibili picchi di corrente all’avviamento e delle situazioni di sovraccarico temporaneo, che si verificano più spesso di quanto vorremmo.

Carichi capacitivi e misti: gestione della corrente di spunto con derating di un singolo relè a stato solido

Picco di carica del condensatore: perché i valori di corrente di picco e la resistenza all’I²t sono determinanti per la selezione di un singolo relè a stato solido

Quando carichi capacitivi, come i filtri di ingresso negli alimentatori a commutazione, vengono accesi, generano correnti di spunto estremamente elevate, che possono raggiungere valori da 20 a 40 volte superiori ai livelli normali di funzionamento. Questi picchi rappresentano in realtà due problemi principali per i relè a stato solido. In primo luogo, vi è il rischio immediato legato al superamento della corrente di picco rispetto ai valori massimi consentiti dalle specifiche del dispositivo. In secondo luogo, si pone il problema a lungo termine dell’accumulo progressivo di sollecitazione termica nel tempo, misurata in unità I²t (ampere quadrati al secondo). All’accensione, i condensatori si comportano quasi come cortocircuiti, poiché la loro resistenza è estremamente bassa subito dopo l’applicazione della tensione, rendendoli potenzialmente dannosi per il circuito, ad esempio causando fenomeni di avalancha nei MOSFET o persino la fusione dei fili di collegamento interni. Per chiunque debba selezionare componenti, verificare entrambi questi fattori diventa assolutamente essenziale per garantire un funzionamento affidabile nelle condizioni reali di impiego.

• Valore nominale di corrente di picco supera l’ampiezza massima prevista per la corrente di spunto
• Valore di sopportabilità I²t supera l'integrale totale dell'energia di sovratensione

La derating del 50–60% rispetto ai valori calcolati è una prassi standard, non solo per tenere conto dell'aumento dell'ESR del condensatore dovuto all'invecchiamento, ma anche perché i relè a stato solido con uscita in corrente continua non dispongono dell'assistenza del passaggio per lo zero, rendendoli particolarmente vulnerabili a ripetuti eventi di corrente di spunto.

Compatibilità carico CA vs. CC: limiti della configurazione d'uscita di un singolo relè a stato solido

Il modo in cui i carichi in corrente alternata (CA) e in corrente continua (CC) influenzano l'architettura di uscita di un relè a stato solido è piuttosto diverso. Per i relè SSR in CA, il funzionamento è ottimale perché possono sfruttare i naturali passaggi della corrente attraverso lo zero, ovvero i punti in cui la forma d'onda attraversa i 0 V. Ciò consente loro di interrompere in modo pulito l'alimentazione utilizzando componenti come tiristori o triac progettati specificamente per segnali in CA. Con i carichi in CC, invece, la situazione diventa più complessa. Questi richiedono dispositivi di uscita unidirezionali, generalmente MOSFET o transistor bipolari, in grado di gestire un flusso di corrente costante e di spegnersi correttamente anche in assenza di una caduta di tensione che agevoli l'interruzione. Quando qualcuno utilizza per errore un SSR classificato per CA in un'applicazione in CC, gli effetti negativi si manifestano rapidamente. In assenza di tali passaggi attraverso lo zero, il relè continua semplicemente a condurre corrente in modo incontrollato, causando il surriscaldamento dei componenti e, alla fine, la distruzione delle parti semiconduttrici al suo interno. Scegliere correttamente il tipo di SSR significa abbinarlo esattamente al tipo di corrente che dovrà controllare. Altrettanto importanti sono le specifiche di tensione e corrente, che devono superare ampiamente le condizioni operative normali, prevedendo un margine di sicurezza significativo. Errare su questi dettagli non comporta soltanto la rottura del relè, ma può portare all’arresto improvviso e completo di interi sistemi.