Voor welke belastingen is een enkele solid-state relais geschikt?

Ohmse lasten: de ideale keuze voor één solid-state relais

Waarom ohmse lasten de belasting minimaliseren op de uitgangssemiconductoren van één solid-state relais

Bij weerstandsbelastingen zoals verwarmingselementen en ouderwetse gloeilampen oefenen deze in feite zeer weinig belasting uit op de halfgeleiders binnen stroomversterkers met vaste staat (SSR’s). Deze soort belastingen hebben wat ingenieurs een bijna eenheidsarbeidsfactor noemen, wat in feite betekent dat spanning en stroom goed in fase blijven in plaats van uit fase te raken. Deze faseovereenstemming voorkomt die vervelende spanningspieken die optreden wanneer apparatuur wordt inge- of uitgeschakeld. Aangezien er geen plotselinge stroomstoot of opgeslagen energie is waar rekening mee moet worden gehouden, blijft de elektrische belasting thermisch gezien stabiel en voorspelbaar. Dit helpt de gevoelige halfgeleiderjunctions te beschermen tegen herhaalde verwarmings- en koelcycli die op de lange termijn slijtage kunnen veroorzaken. Een belangrijk punt om op te merken is dat weerstandsbelastingen bij uitschakeling geen ongewenste elektriciteit terugleveren (bekend als terugwerkende elektromotorische kracht of back-EMF), in tegenstelling tot inductieve of capacitieve belastingen. Dit maakt het leven veel eenvoudiger voor SSR’s, omdat zij veilig binnen hun normale parameters kunnen werken zonder dat er extra veiligheidsmarges in het ontwerp hoeven te worden opgenomen.

Nuldoorgangschakeling: Hoe dit de levensduur en EMI-prestaties verbetert in resistieve toepassingen

Bij gebruik van nuldoorgangschakeling schakelt het stroomdoorlatende relais precies op het moment in waarop de wisselstroomspanning nul volt bereikt. Deze zorgvuldige timing voorkomt plotselinge stroompieken die problemen kunnen veroorzaken. Het resultaat? Minder belasting door spanningspieken en aanzienlijk verminderde elektromagnetische interferentie (EMI). Tests tonen een EMI-verlaging van ongeveer 40 dB ten opzichte van conventionele schakelmethode. Industriële verwarmingssystemen profiteren hierbij bijzonder, omdat zij veel minder ruis genereren die andere nabijgelegen regelcircuiten zou kunnen verstoren. Thyristorcomponenten verspillen ook aanzienlijk minder energie — feitelijk 65% tot 80% minder — wat betekent dat deze onderdelen langer meegaan voordat vervanging nodig is. Een ander groot voordeel is dat men contactlassenproblemen vermijdt, die mechanische relais vaak na miljoenen schakelingen per jaar plagen. Voor toepassingen die gedurende vele jaren herhaaldelijk moeten worden geschakeld, blijft nuldoorgangschakeling de beste keuze voor betrouwbare aansturing van ohmse belastingen.

Inductieve belastingen: Belangrijke overwegingen voor de betrouwbaarheid van één enkele solid-state relais

Terug-EMK en spanningspieken: Belangrijkste oorzaken van storingen in circuits met één enkele solid-state relais

Inductieve belastingen zoals solenoïden, schakelaars en diverse soorten motoren slaan energie op in hun magnetische velden. Wanneer deze apparaten plotseling worden uitgeschakeld, genereren ze scherpe terug-EMF-spanningspieken die meer dan 1.000 volt per microseconde kunnen bereiken. Deze pieken veroorzaken destructieve thermische doorbraakeffecten in de halfgeleideruitgangen van stroomversterkers (SSR’s). In vergelijking met eenvoudige resistieve belastingen leidt de plotselinge vrijgave van opgeslagen energie tot omstandigheden die lijken op elektrische bogen, waardoor de afbraak van halfgeleiderovergangen versneld wordt. De meeste vroege storingen die worden waargenomen bij industriële SSR-installaties zijn eigenlijk het gevolg van dit exacte verschijnsel. De situatie wordt nog erger wanneer er tijdens het uitschakelen geen natuurlijk moment is waarop de stroom naar nul daalt — met name problematisch in wisselstroomsystemen, omdat resterende magnetische energie blijft circuleren nadat de spanning het nulniveau heeft bereikt.

Minderingsstrategieën: onderdrukkingsnetwerken (snubbernetwerken), dv/dt-gecertificeerde SSR’s en keuze voor willekeurig-inschakelende (random-on) SSR’s

Er zijn verschillende effectieve manieren om één solid-state relais te beschermen tegen die vervelende inductieve bedreigingen die allerlei problemen kunnen veroorzaken. Allereerst werken RC-dempnetwerken hier uitstekend. De meeste mensen kiezen voor weerstanden van ongeveer 100 ohm, verbonden met condensatoren van ongeveer 0,1 microfarad. Deze kleine opstellingen absorberen de plotselinge energiepiek voordat deze ooit de uitgangsfase van het SSR bereikt. Een andere goede praktijk is het kiezen van een SSR met een dv/dt-waarde van ten minste 500 volt per microseconde. Dit zorgt ervoor dat de interne onderdelen niet doorbranden bij snelle spanningspieken. Bij inductieve schakelingen helpt het willekeurig schakelen (in plaats van wachten op nuldoorgangspunten) om die vervelende resonantieproblemen te voorkomen die zich geleidelijk opbouwen. En vergeet niet iets belangrijks wat veel ingenieurs over het hoofd zien: bij inductieve belastingen moet u de stroomwaarde van het SSR altijd verminderen met ongeveer 40 tot 50 procent. Deze extra marge compenseert de onvoorspelbare opstartpieken en tijdelijke overbelastingsituaties die vaker voorkomen dan we zouden willen.

Capacitieve en gemengde belastingen: Beheer van de inschakelstroom met verlaging van de nominale waarde van één vastestofrelais

Opstartstroom van condensatoren: Waarom piekstroomwaarderingen en I²t-bestendigheid doorslaggevend zijn voor de keuze van één vastestofrelais

Wanneer capacitieve belastingen, zoals ingangsfilters in schakelende voedingen, opstarten, ontstaan er enorme inschakelstromen die tot 20 tot 40 keer hoger kunnen zijn dan de normale bedrijfsstromen. Deze stroompieken veroorzaken twee hoofdproblemen voor halfgeleiderrelais. Ten eerste bestaat er een onmiddellijk risico wanneer de piekstroom de door de specificatie toegestane waarde van het apparaat overschrijdt. Ten tweede doet zich een langtermijnprobleem voor, namelijk thermische spanning die zich geleidelijk opbouwt, uitgedrukt in I²t-eenheden (ampère in het kwadraat per seconde). In het begin gedragen condensatoren zich bijna als kortsluitingen, omdat hun weerstand direct na het inschakelen zeer laag is; dit maakt ze gevoelig voor schade, bijvoorbeeld door MOSFET-avalanches of zelfs door het smelten van de bonddraden binnenin.

• Piekestroomwaarde overschrijdt de slechtst mogelijke inschakelstroomamplitude
• I²t-weerstandswaarde overschrijdt de totale piekenergie-integraal

Verlaging van de nominale waarde met 50–60% boven de berekende waarden is standaardpraktijk—niet alleen om rekening te houden met de door veroudering veroorzaakte toename van de equivalente serie-weerstand (ESR) van de condensator, maar ook omdat SSR’s met gelijkstroomuitgang geen nuldoorgangshulp bieden, waardoor ze bijzonder gevoelig zijn voor herhaalde inschakelstroompieken.

Compatibiliteit AC versus DC-belasting: Uitvoerconfiguratiebeperkingen van één stroomversterker in vaste staat

De manier waarop wisselstroom- (AC) en gelijkstroombelastingen (DC) de uitgangsarchitectuur van een solid-state relais beïnvloeden, verschilt aanzienlijk. Voor AC-SSR’s werken deze het beste, omdat ze kunnen profiteren van de natuurlijke nuldoorgangen van de stroom, waarbij de wisselspanningsgolf de nulvoltlijn kruist. Dit maakt het mogelijk om de stroom netjes uit te schakelen met behulp van componenten zoals thyristors of triacs, die specifiek zijn ontworpen voor wisselstroomsignalen. Bij gelijkstroombelastingen wordt het echter ingewikkelder. Deze vereisen éénrichtingsuitgangscomponenten, meestal MOSFET’s of bipolaire transistors, die een constante stroom kunnen aansturen en correct kunnen uitschakelen, zelfs wanneer er geen spanningsdaling is om het schakelen te ondersteunen. Wanneer iemand per ongeluk een voor wisselstroom bedoeld SSR gebruikt in een gelijkstroomtoepassing, treden al snel ernstige problemen op. Zonder deze nuldoorgangen blijft het relais onbeheerst stroom geleiden. Dat leidt tot oververhitting van componenten en vernietigt uiteindelijk de halfgeleidercomponenten binnenin. Om dit goed te doen, moet het type SSR exact worden afgestemd op de soort stroom die het moet regelen. Ook zijn de spanning- en stroomspecificaties van groot belang: deze moeten ruimer zijn dan de normale bedrijfsomstandigheden, met voldoende extra capaciteit ingebouwd. Als deze details verkeerd worden gekozen, wordt niet alleen het relais vernietigd, maar kan het ook onverwacht gehele systemen tot stilstand brengen.