Za katere obremenitve so primerni enojni tranzistorji brez gibljivih delov?

Uporne obremenitve: idealna izbira za en sam trdnostni relej

Zakaj uporne obremenitve zmanjšujejo obremenitev izhodnih polprevodnikov enega samega trdnostnega releja

Ko gre za upornostne obremenitve, kot so grelni elementi in stari žarnični sijalci, dejansko zelo malo obremenijo polprevodnike znotraj trdnih relejev (SSR-ji). Te vrste obremenitev imajo t.i. močnostni faktor, ki je skoraj enak ena, kar pomeni, da napetost in tok ostajata v fazah in se ne izmakneta iz sinhronosti. Ta usklajenost preprečuje moteče napetostne vrhove, ki nastanejo ob vklopu ali izklopu opreme. Ker ni nenadnega pretoka toka niti shranjene energije, ki bi jo bilo treba upoštevati, ostaja električna obremenitev termično stabilna in predvidljiva. To pomaga zaščititi občutljive polprevodniške spoje pred ponavljajočimi se cikli segrevanja in ohlajanja, ki s časom povzročajo obrabo. Pomembno je opozoriti, da upornostne obremenitve ob izklopu ne oddajajo nobene neželene elektrike (t.i. povratne EMS), kar je nasprotno primer pri induktivnih ali kapacitivnih obremenitvah. To SSR-jem znatno olajša delovanje, saj lahko varno delujejo znotraj svojih normalnih parametrov brez potrebe po dodatnih varnostnih rezervah v načrtu.

Preklop pri ničli: Kako izboljša življenjsko dobo in zmogljivost glede elektromagnetnega motenja v uporniških aplikacijah

Pri uporabi preklopa pri ničli izmeničnega napetostnega signala se trdnostni rele z vklopom sproži točno v trenutku, ko izmenična napetost prečka nič voltov. Ta natančno usklajen čas omogoča izogibanje nenadnim skokom električnega toka, ki bi lahko povzročili težave. Kaj pa je rezultat? Manjša obremenitev zaradi napetostnih sunkov in bistveno zmanjšano elektromagnetno motenje (EMI). Preskusi kažejo približno 40 dB nižje ravni EMI v primerjavi z običajnimi metodami preklopa. Še posebej koristno je to za industrijske ogrevalne sisteme, saj ustvarjajo veliko manj šuma, ki bi lahko motil druge nadzorne vezje v bližini. Tudi tiristorji porabljajo znatno manj energije – dejansko za 65 % do 80 % manj – kar pomeni, da ti deli dlje trajajo, preden jih je treba zamenjati. Še ena pomembna prednost je izogibanje zvarki kontaktov, ki pogosto napovedujejo mehanske releje po milijonih preklopov vsako leto. Za aplikacije, ki zahtevajo ponavljajoče se preklope več let zaporedoma, ostaja preklop pri ničli najboljša izbira za zanesljiv nadzor upornih obremenitev.

Induktivne obremenitve: Ključni dejavniki za zanesljivost enojnega trdnostnega releja

Nasprotna EMS in napetostni prehodni pojav: Glavni mehanizmi odpovedi v vezjih enojnih trdnostnih relejev

Induktivne obremenitve, kot so solenoidi, stikalniki in različne vrste motorjev, shranjujejo energijo v svojih magnetnih poljih. Ko se ti napravi nenadoma izklopijo, ustvarijo ostre povratne napetostne špice (back-EMF), ki lahko dosežejo več kot 1000 voltov na mikrosekundo. Te špice povzročajo destruktivne učinke toplotnega zaganjanja v polprevodniških izhodnih elementih trdnih stikalu (SSR). V primerjavi z enostavnimi upornimi obremenitvami nenaden sprostitev shranjene energije ustvari pogoje, podobne električnim lokom, kar pospeši razgradnjo polprevodniških prehodov. Večina zgodnjih odpovedi, opazljivih pri industrijskih namestitvah SSR, dejansko izvira ravno iz tega pojava. Stvari postanejo še huje, kadar med izklopom ni naravnega trenutka, ko tok pade na nič, kar je posebej problematično v izmeničnih (AC) sistemih, saj se preostala magnetna energija nadaljuje z obtokom tudi po tem, ko napetost doseže ničelno raven.

Ukrepi za zmanjševanje tveganja: dušilne omrežja (snubber), SSR z navedeno hitrostjo spremembe napetosti (dv/dt), izbor naključnega vklopa (random-on switching)

Obstaja več učinkovitih načinov, kako zaščititi posamezno tranzistorsko rele (SSR) pred zelo neprijetnimi induktivnimi nevarnostmi, ki lahko povzročijo različne težave. Najprej delujejo odlično RC dušilne omrežja. Večina ljudi uporablja odpornike približno 100 ohmov, povezane z kondenzatorji približno 0,1 mikrofarada. Ti majhni sklopi absorbirajo nenadni sunkovit izvir energije, še preden ta doseže izhodno stopnjo SSR-ja. Druga dobra praksa je izbor SSR-ja z dv/dt oceno vsaj 500 voltov na mikrosekundo. To zagotavlja, da se notranji deli ne poškodujejo ob hitrih napetostnih sunkih. Pri induktivnih vezjih pomaga preklop v naključnih trenutkih namesto čakanja na ničelne preseke napetosti preprečiti nespoštljive rezonančne pojave, ki se s časom nabirajo. In ne pozabite na pomembno stvar, ki jo pogosto prezirajo inženirji: pri induktivnih obremenitvah vedno zmanjšajte nazivni tok SSR-ja za približno 40 do 50 odstotkov. Ta dodatni varnostni pas upošteva nepredvidljive začetne sunkovite tokove in začasne preobremenitve, ki se pojavljajo pogosteje, kot bi si želeli.

Kapacitivne in mešane obremenitve: Upravljanje z začetnim tokom z zmanjšanjem izkoristka enojnega trdnostnega releja

Napetostni udar pri polnjenju kondenzatorja: Zakaj so vrhovni tokovni ratingi in odpornost proti I²t odločilni za izbiro enojnega trdnostnega releja

Ko se kapacitivne obremenitve, kot so vhodni filtri v napajalnikih s preklopnim načinom delovanja, vklopijo, ustvarijo ogromne začetne tokove, ki lahko znašajo od 20 do 40-krat več kot običajni delovni tokovi. Ti sunki povzročata dva glavna problema za tranzistorne releje. Prvi je takojšnje tveganje, ko vrhunski tok preseže vrednosti, ki jih naprava lahko varno obdrži glede na njene tehnične specifikacije. Drugi je dolgoročnejši problem, pri katerem se s časom nabira toplotno obremenitev, izmerjena v enotah I²t (amperi na kvadrat na sekundo). Takoj po vklopu se kondenzatorji obnašajo skoraj kot kratki stiki, saj je njihova odpornost takrat zelo nizka, kar jih izpostavlja tveganju poškodb, kot so npr. lavinasti preboji MOSFET-ov ali celo taljenje zveznih žic znotraj naprave. Za vsakogar, ki izbira komponente, je preverjanje obeh navedenih dejavnikov nujno za zagotavljanje zanesljivega delovanja v realnih obratovalnih razmerah.

• Oznaka največjega toka presega najslabši primer amplitude začetnega toka
• Vrednost I²t, ki jo naprava zmore presega celotni integral energije prenapetosti

Zmanjšanje nazivne moči za 50–60 % nad izračunanimi vrednostmi je običajna praksa – ne le zaradi upoštevanja povečanja ESR kondenzatorjev s staranjem, temveč tudi zato, ker izhodni tranzistorji za enosmerni tok (DC) nimajo pomoči pri ničelnem prehodu, kar jih naredi še posebej ranljivimi za ponavljajoče se začetne sunkovite obremenitve.

Skladnost z izmeničnim in enosmernim tokom: Omejitve konfiguracije izhoda posameznega trdnostnega releja

Način, na katerega izmenični (AC) in enosmerni (DC) tokovni obremenitvi vplivata na izhodno arhitekturo trdnostnega releja, je precej različen. Za izmenične trdnostne releje (AC SSR) delujejo najbolje, saj lahko izkoriščajo naravne ničelne točke toka, kjer sinusoida prečka nič voltov. To jim omogoča čisto izklop energije z uporabo komponent, kot so tiristorji ali triaki, ki so posebej zasnovani za izmenične signale. Pri enosmernih obremenitvah pa se stvari zapletejo. Za njih so potrebni enosmerni izhodni elementi, običajno MOSFET-i ali bipolarni transistorji, ki lahko vzdržijo stalni tok in se pravilno izklopijo tudi takrat, ko ni padca napetosti, ki bi olajšal preklop. Če nekdo napačno uporabi izmenični trdnostni relej (AC SSR) za enosmerno (DC) aplikacijo, se težave pojavijo hitro. Brez teh ničelnih prehodov relej nadaljuje nekontroliran pretok električnega toka. To povzroči pregrevanje komponent in končno uniči polprevodniške dele znotraj releja. Pravilna izbira pomeni, da mora biti tip trdnostnega releja natančno prilagojen vrsti toka, ki ga bo nadzoroval. Pomembni so tudi napetostni in tokovni podatki, ki morajo presegati običajne obratovalne pogoje ter vključevati dovolj rezervne zmogljivosti. Napačna izbira teh podrobnosti ne povzroči le uničenja releja, temveč lahko nepričakovano ustavi celotne sisteme.