โหลดใดบ้างที่เหมาะสมสำหรับรีเลย์สถานะของแข็งแบบเดี่ยว?

โหลดแบบต้านทาน: ตัวเลือกที่เหมาะสมที่สุดสำหรับรีเลย์สถานะของแข็ง (SSR) ตัวเดียว

เหตุใดโหลดแบบต้านทานจึงช่วยลดความเครียดต่อสารกึ่งตัวนำที่ขั้วออกของรีเลย์สถานะของแข็ง (SSR) ตัวเดียว

เมื่อพูดถึงโหลดแบบต้านทาน เช่น องค์ประกอบความร้อน (heating elements) และหลอดไส้แบบดั้งเดิม (incandescent lamps) โหลดเหล่านี้แทบไม่ก่อให้เกิดภาระใดๆ ต่อสารกึ่งตัวนำภายในรีเลย์แบบของแข็ง (Solid State Relays: SSRs) เลย โหลดประเภทนี้มีสิ่งที่วิศวกรเรียกว่า ค่าแฟกเตอร์กำลังใกล้เคียงหนึ่ง (near unity power factor) ซึ่งโดยพื้นฐานหมายความว่า แรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้ายังคงอยู่ในภาวะสอดคล้องกันอย่างดี แทนที่จะออกนอกจังหวะกัน ความสอดคล้องกันนี้ช่วยป้องกันการเกิดสัญญาณแรงดันไฟฟ้ากระชาก (voltage spikes) ที่น่ารำคาญ ซึ่งมักเกิดขึ้นเมื่ออุปกรณ์เปิดหรือปิด การไม่มีกระแสไฟฟ้าไหลเข้าอย่างฉับพลัน หรือพลังงานที่สะสมไว้ ทำให้ความต้องการไฟฟ้าคงที่และคาดการณ์ได้จากมุมมองด้านความร้อน ส่งผลให้ช่วยปกป้องข้อต่อสารกึ่งตัวนำ (semiconductor junctions) ที่บอบบางจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิซ้ำๆ ทั้งการให้ความร้อนและการระบายความร้อน ซึ่งอาจก่อให้เกิดการสึกหรอตามกาลเวลา ประเด็นสำคัญที่ควรทราบคือ โหลดแบบต้านทานไม่ส่งกระแสไฟฟ้าที่ไม่ต้องการกลับคืนสู่ระบบ (ที่เรียกว่า back-EMF) เมื่อถูกปิด ต่างจากโหลดแบบเหนี่ยวนำ (inductive) หรือแบบเก็บประจุ (capacitive) ซึ่งทำให้การทำงานของ SSRs ง่ายขึ้นมาก เพราะ SSRs สามารถทำงานได้อย่างปลอดภัยภายในพารามิเตอร์ปกติของตนเอง โดยไม่จำเป็นต้องออกแบบให้มีระยะความปลอดภัยเพิ่มเติม

การสลับแบบจุดผ่านศูนย์: วิธีที่ช่วยยืดอายุการใช้งานและปรับปรุงประสิทธิภาพด้าน EMI ในการใช้งานกับโหลดแบบต้านทาน

เมื่อใช้การสลับแบบจุดตัดศูนย์ (zero crossing switching) รีเลย์แบบของแข็ง (solid state relay) จะเปิดขึ้นทันทีในขณะที่แรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ (AC voltage) ผ่านค่าศูนย์โวลต์พอดี การควบคุมช่วงเวลาอย่างแม่นยำนี้ช่วยหลีกเลี่ยงการเปลี่ยนแปลงอย่างฉับพลันของกระแสไฟฟ้า ซึ่งอาจก่อให้เกิดปัญหาได้ ผลลัพธ์ที่ได้คือ ความเครียดจากคลื่นแรงดันไฟฟ้ากระชาก (power surges) ลดลง และการรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) ลดลงอย่างมีนัยสำคัญ ผลการทดสอบแสดงว่าระดับ EMI ต่ำลงประมาณ 40 เดซิเบล เมื่อเทียบกับวิธีการสลับแบบทั่วไป ระบบทำความร้อนเชิงอุตสาหกรรมได้รับประโยชน์อย่างมาก เนื่องจากสร้างสัญญาณรบกวนน้อยลงมาก จึงไม่รบกวนวงจรควบคุมอื่นๆ ที่อยู่ใกล้เคียงกัน นอกจากนี้ ส่วนประกอบไทริสเตอร์ (Thyristor components) ยังสูญเสียพลังงานน้อยลงอย่างมาก คือลดลงจริงๆ ระหว่าง 65% ถึง 80% ซึ่งหมายความว่าชิ้นส่วนเหล่านี้มีอายุการใช้งานยาวนานขึ้นก่อนต้องเปลี่ยนใหม่ อีกข้อได้เปรียบสำคัญหนึ่งคือ การหลีกเลี่ยงปัญหาการเชื่อมติดกันของขั้วต่อ (contact welding) ซึ่งมักเกิดขึ้นกับรีเลย์แบบกลไก (mechanical relays) หลังจากการทำงานซ้ำๆ หลายล้านครั้งต่อปี สำหรับแอปพลิเคชันที่ต้องการการสลับเปิด-ปิดซ้ำๆ เป็นเวลานานหลายปี การสลับแบบจุดตัดศูนย์ยังคงเป็นทางเลือกที่ดีที่สุดในการควบคุมโหลดแบบต้านทาน (resistive loads) อย่างเชื่อถือได้

โหลดแบบเหนี่ยวนำ: ข้อพิจารณาที่สำคัญต่อความน่าเชื่อถือของรีเลย์สถานะแข็งแบบเดี่ยว

แรงดันไฟฟ้ากลับ (Back-EMF) และสัญญาณแรงดันชั่วคราว: กลไกหลักที่ทำให้เกิดความล้มเหลวในวงจรรีเลย์สถานะแข็งแบบเดี่ยว

โหลดแบบเหนี่ยวนำ เช่น โซลีนอยด์ คอนแทคเตอร์ และมอเตอร์ต่างๆ เก็บพลังงานไว้ภายในสนามแม่เหล็กของตัวเอง เมื่ออุปกรณ์เหล่านี้ถูกปิดลงอย่างฉับพลัน จะเกิดแรงดันไฟฟ้ากลับ (back-EMF) ที่พุ่งสูงอย่างรวดเร็ว ซึ่งอาจสูงกว่า 1,000 โวลต์ต่อไมโครวินาที แรงดันพุ่งสูงดังกล่าวก่อให้เกิดปรากฏการณ์ความร้อนล้น (thermal runaway) ที่ทำลายเซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้เป็นเอาต์พุตของรีเลย์สถานะของแข็ง (SSR) เมื่อเปรียบเทียบกับโหลดแบบต้านทานธรรมดา การปลดปล่อยพลังงานที่สะสมไว้แบบทันทีทันใดจะสร้างสภาวะที่คล้ายคลึงกับการเกิดอาร์กไฟฟ้า ซึ่งเร่งกระบวนการเสื่อมสภาพของข้อต่อเซมิคอนดักเตอร์ ความล้มเหลวในระยะแรกที่พบบ่อยในระบบ SSR ภาคอุตสาหกรรมส่วนใหญ่เกิดจากปรากฏการณ์นี้โดยตรง สถานการณ์จะแย่ลงยิ่งกว่าเดิมเมื่อไม่มีจุดธรรมชาติที่กระแสไฟฟ้าลดลงเป็นศูนย์ระหว่างการปิดระบบ โดยเฉพาะในระบบที่ใช้ไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) เนื่องจากพลังงานแม่เหล็กที่เหลืออยู่ยังคงไหลเวียนต่อไปหลังจากแรงดันไฟฟ้าลดลงถึงระดับศูนย์แล้ว

มาตรการบรรเทา: เครือข่ายสแน็บเบอร์ (snubber networks), SSR ที่ออกแบบรองรับอัตราการเปลี่ยนแปลงแรงดันต่อเวลา (dv/dt-rated SSRs) และการเลือกใช้โหมดเปิดแบบสุ่ม (random-on switching)

มีหลายวิธีที่มีประสิทธิภาพในการป้องกันรีเลย์ของสถานะของแข็ง (SSR) ตัวเดียวจากภัยคุกคามเชิงเหนี่ยวนำที่น่ารำคาญ ซึ่งอาจก่อให้เกิดปัญหาต่าง ๆ ได้ ประการแรก วงจรดับแรงดันแบบ RC (RC snubber networks) ให้ผลดีเยี่ยมในกรณีนี้ โดยส่วนใหญ่ผู้ใช้มักเลือกใช้ตัวต้านทานประมาณ 100 โอห์ม ต่อกับตัวเก็บประจุขนาดประมาณ 0.1 ไมโครฟารัด ชุดเล็ก ๆ เหล่านี้จะดูดซับพลังงานกระชากอย่างฉับพลันก่อนที่พลังงานนั้นจะถึงขั้นตอนเอาต์พุตของ SSR ประการที่สอง การเลือก SSR ที่สามารถรองรับอัตราการเปลี่ยนแปลงแรงดัน (dv/dt) ได้อย่างน้อย 500 โวลต์ต่อไมโครวินาที ก็เป็นแนวทางที่ดีอีกวิธีหนึ่ง ซึ่งจะช่วยให้มั่นใจได้ว่าส่วนประกอบภายในจะไม่เสียหายเมื่อเผชิญกับแรงดันพุ่งสูงอย่างรวดเร็ว สำหรับวงจรเชิงเหนี่ยวนำ การสลับสถานะแบบสุ่ม (random switching) แทนการรอจังหวะที่แรงดันผ่านศูนย์ (zero crossing points) จะช่วยป้องกันปัญหาเรโซแนนซ์ที่ร้ายแรงซึ่งสะสมขึ้นตามระยะเวลา และอย่าลืมประเด็นสำคัญที่วิศวกรหลายคนมักมองข้าม: เมื่อใช้งานกับโหลดเชิงเหนี่ยวนำ ควรลดอันดับกระแสไฟฟ้าที่ระบุไว้สำหรับ SSR ลงประมาณ 40 ถึง 50 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งค่าเผื่อนี้จะชดเชยกระแสกระชากในช่วงเริ่มต้นและการทำงานเกินกำลังชั่วคราวที่เกิดขึ้นบ่อยกว่าที่เราคาดไว้

โหลดแบบความจุและโหลดผสม: การจัดการกระแสเริ่มต้น (Inrush Current) ด้วยการลดกำลังงานของรีเลย์สถานะแข็งแบบเดี่ยว (Single Solid State Relay Derating)

กระแสชั่วคราวจากการชาร์จตัวเก็บประจุ (Capacitor charging surge): เหตุใดค่ากระแสสูงสุด (peak current ratings) และความสามารถในการทนต่อค่า I²t จึงเป็นปัจจัยสำคัญที่กำหนดการเลือกรีเลย์สถานะแข็งแบบเดี่ยว

เมื่อโหลดแบบความจุ เช่น ตัวกรองขาเข้าในแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตช์โมด (switch mode power supplies) เริ่มทำงาน จะเกิดกระแสเริ่มต้น (inrush current) ขนาดใหญ่ขึ้นอย่างมาก ซึ่งอาจพุ่งสูงได้ถึง 20–40 เท่าของระดับกระแสในการทำงานปกติ คลื่นกระแสกระชากเหล่านี้ก่อให้เกิดปัญหาหลักสองประการต่อรีเลย์แบบสารแข็ง (solid state relays) ประการแรกคือความเสี่ยงทันทีที่กระแสสูงสุดเกินขีดจำกัดที่อุปกรณ์สามารถรองรับได้ตามข้อมูลจำเพาะของผู้ผลิต ประการที่สองคือปัญหาในระยะยาว ซึ่งเกิดจากการสะสมของความเครียดเชิงความร้อน (thermal stress) ตามระยะเวลา วัดเป็นหน่วย I²t (แอมแปร์ยกกำลังสองต่อวินาที) ในช่วงแรก ตัวเก็บประจุจะทำหน้าที่คล้ายวงจรลัด (short circuit) เนื่องจากค่าความต้านทานของมันต่ำมากทันทีหลังเปิดจ่ายไฟ จึงมีความเสี่ยงสูงที่จะก่อให้เกิดความเสียหาย เช่น การล้มครืนของทรานซิสเตอร์ MOSFET (MOSFET avalanche) หรือแม้แต่การละลายของสายเชื่อมภายใน (bond wires) ดังนั้น ผู้ที่เลือกใช้ชิ้นส่วนอุปกรณ์จึงจำเป็นต้องตรวจสอบปัจจัยทั้งสองประการนี้อย่างเคร่งครัด เพื่อให้มั่นใจในความน่าเชื่อถือของการทำงานภายใต้สภาวะจริง

• ค่ากระแสสูงสุดที่รองรับได้ เกินค่าแอมพลิจูดกระแสเริ่มต้นในกรณีที่เลวร้ายที่สุด
• ค่าความสามารถในการทนต่อ I²t เกินค่าอินทิกรัลพลังงานกระชากทั้งหมด

การลดกำลังลงร้อยละ 50–60 จากค่าที่คำนวณได้เป็นแนวทางปฏิบัติมาตรฐาน — ไม่เพียงแต่เพื่อรองรับการเพิ่มขึ้นของ ESR ของตัวเก็บประจุอันเนื่องมาจากการเสื่อมสภาพตามอายุการใช้งานเท่านั้น แต่ยังเพราะ SSR แบบเอาต์พุตกระแสตรง (DC-output SSRs) ไม่มีระบบช่วยให้เปิด-ปิดที่จุดข้ามศูนย์ (zero-crossing assistance) จึงมีความเปราะบางเป็นพิเศษต่อเหตุการณ์กระแสไหลเข้าเริ่มต้นซ้ำๆ

ความเข้ากันได้ระหว่างโหลดกระแสสลับและโหลดกระแสตรง: ข้อจำกัดของการกำหนดค่าเอาต์พุตสำหรับรีเลย์สถานะแข็ง (Solid State Relay) ตัวเดียว

วิธีที่โหลดแบบ AC และ DC ส่งผลต่อสถาปัตยกรรมเอาต์พุตของรีเลย์แบบสเตตโซลิดนั้นมีความแตกต่างกันอย่างมาก สำหรับรีเลย์แบบสเตตโซลิดแบบ AC (AC SSR) นั้นทำงานได้ดีที่สุด เนื่องจากสามารถใช้ประโยชน์จากจุดศูนย์กระแสตามธรรมชาติ ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อคลื่นสัญญาณผ่านศูนย์โวลต์ (zero volts) ได้ ทำให้สามารถตัดการจ่ายพลังงานได้อย่างสะอาดและแม่นยำ โดยใช้ชิ้นส่วนเช่น ไทริสเตอร์ (thyristors) หรือไทรแอค (triacs) ที่ออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับสัญญาณ AC แต่เมื่อใช้กับโหลดแบบ DC สถานการณ์จะซับซ้อนขึ้น โหลดแบบ DC จำเป็นต้องใช้อุปกรณ์เอาต์พุตแบบทางเดียว โดยทั่วไปคือ MOSFET หรือทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์ ซึ่งสามารถรองรับกระแสคงที่ได้อย่างต่อเนื่อง และสามารถตัดการทำงานได้อย่างเหมาะสม แม้ในกรณีที่ไม่มีการลดลงของแรงดันไฟฟ้า (voltage drop) มาช่วยในการสลับสถานะ หากมีผู้ใดนำรีเลย์แบบสเตตโซลิดที่ระบุว่าใช้งานได้เฉพาะกับ AC ไปใช้กับโหลดแบบ DC โดยไม่ตั้งใจ ปัญหาจะเกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว เนื่องจากไม่มีจุดข้ามศูนย์ (zero crossings) ดังกล่าว รีเลย์จึงยังคงนำกระแสไฟฟ้าต่อเนื่องโดยไม่สามารถควบคุมได้ ส่งผลให้ชิ้นส่วนร้อนจัดเกินขีดจำกัด และในที่สุดทำให้ชิ้นส่วนเซมิคอนดักเตอร์ภายในเสียหายอย่างถาวร การเลือกใช้รีเลย์แบบสเตตโซลิดให้ถูกต้องจึงหมายถึงการจับคู่ประเภทของรีเลย์ให้ตรงกับชนิดของกระแสที่มันจะควบคุมอย่างแม่นยำ นอกจากนี้ ค่าแรงดันและกระแสที่ระบุไว้ยังต้องมีขอบเขตที่กว้างกว่าเงื่อนไขการใช้งานปกติอย่างเพียงพอ โดยควรมีความสามารถสำรอง (extra capacity) ไว้ด้วย การระบุรายละเอียดเหล่านี้ผิดพลาดไม่เพียงแต่ทำให้รีเลย์เสียหายเท่านั้น แต่ยังอาจส่งผลให้ระบบโดยรวมหยุดทำงานทันทีโดยไม่มีคำเตือนล่วงหน้า