Интегрални полупроводникови релета (SSR)

ЕлектроникаСп. Инженеринг ревю - брой 9/2017 • 09.01.2018

Интегрални полупроводникови релета (SSR)
Интегрални полупроводникови релета (SSR)

Стефан Куцаров

Полупроводниковите релета (Solid State Relay - SSR) в зависимост от своята конструкция се делят на две големи категории – реализирани като интегрални схеми (ИС) и като модули. От своя страна, последните могат да са предназначени за монтаж върху печатна платка или за друг тип монтаж и опроводяване (напр. на DIN шина), а принадлежността на дадено SSR към една от категориите се изяснява от каталожните му данни.

Съществени предимства на SSR спрямо електромеханичните релета (Electromechanical Relay – EMR) са по-голямото бързодействие, повишената надеждност и съответно по-дълъг експлоатационен срок (на първо място поради няколко порядъка по-големия брой осигурявани превключвания), което е особено важно в множество индустриални приложения. Други предимства на SSR са по-малката необходима мощност за задействане на товарите (не е необходимо натрупването на енергия в намотката на EMR) и възможността им за работа с по-малки захранващи напрежения, а при реализация като ИС - по-малки размери и опростен монтаж в прибори.

Липсата на контакти означава създаването на много по-малки електрически смущения от SSR и възможност за работата им в близост до чувствителни към EMR устройства. От своя страна, продължаващото използване на EMR се дължи главно на възможността им да осигуряват работни напрежения на товарите си в широки граници, на ниската цена на тяхното управление и на факта, че през отворените им контакти не протича никакъв ток. Тези и множеството други особености на двете категории релета определят избора на дадена от тях за всяко конкретно приложение. В статията се разглеждат ИС на SSR, които с малки изключения са представени на пазара след 01.01.2012 г.

Същност на полупроводниковите релета
В SSR е запазен принципът от EMR на галванично разделяне на товара от управляващата го верига, чиято реализация се изяснява чрез основната схема на фиг. 1а.
Инфрачервеният светодиод обикновено е от GaAlAs и по-рядко от GaAs и други означения на изводите му са Anode и Cathode.

Схемата е на най-разпространените SSR, в които светодиодът осъществява оптична връзка с два или повече последователно свързани фотодиода (често наричани Photovoltaic Generator), чието напрежение задейства мощните MOS или DMOS транзистори със свързани сорсове и с дрейнове, представляващи изводите Load за присъединяване на управлявания товар. В някои модели SSR между дрейна и сорса на всеки от транзисторите са свързани предпазни диоди, със или без които структурата носи наименованията Power MOSFET Photovoltaic Relay, Photo MOS, POWERMOS SSR, OptoMOS Relay и др.

В зависимост от начина на действие съществуват три типа SSR. Най-често се използват тип А, които са с нормално изключен товар (1 Form A SSR, Normally Open SSR, Normally Open Single Pole Single Throw, SPST Normally Open) - през него не протича ток при липса на управляващ сигнал и те съответстват на EMR с н.о. контакт. Ползват основната схема и се реализират с MOS транзистори с обогатяване (Enhancement Mode). Предимството на тип А е, че при нежелано изключване на управлението, например поради повреда, веригата на товара се прекъсва, без това да се прави чрез допълнителна защита. 

Основната схема се използва и за SSR тип В (1 Form B SSR, Normally Closed SSR) с нормално включен товар (през него протича ток без управляващ сигнал аналогично на EMR с н.з. контакт) и се реализират с MOS транзистори с обедняване (Depletion Mode). Дадената на фиг. 1б схема е на SSR тип С (1 Form C SSR), който е съвкупност на тип А и тип В с общо управление.

Схемите на фиг. 1 осигуряват работата на постояннотокови и променливотокови товари. Чрез допълнителен извод от сорсовете на транзисторите в основната схема се реализират SSR тип А/В/С, чиито три свързвания заедно с наименованията им са дадени на фиг. 2. Свързване “А” е това на основната схема, докато другите две са за управление само на постояннотокови товари – свързване “В” използва един от транзисторите (по аналогичен начин могат да се ползват изводи 4 и 5), а успоредното им свързване “С” осигурява 2 пъти по-голям ток на товара. От фиг. 2 се вижда и логичната полярност на постоянното управляващо напрежение. Сравнително рядко се предлагат SSR от типове А, В и С само за постояннотокови товари, изискващи един транзистор за захранването им - различни модели на такива произвежда компанията Excel Cell Electronic (ECE).

Нормалното функциониране в устройства на SSR изисква спазване на даваните в каталозите им препоръки за разстоянията между островчетата на печатната платка за изводите на корпуса. Освен това при работа на SSR в тежки условия не трябва да се забравя уязвимостта на пластмасовите корпуси, което се оценява чрез международно приетата класификация Moisture Sensitivity Level (MSL) и съответните стандарти, например DIN VDE 0109 или IPC/JEDEC J-STD-033. 

Част от производителите дават в каталозите и препоръки за някои минимални разстояния между изводите, които трябва да се спазват при монтажа на SSR, например между тези за товара и между тях и изводите за управление. Съществено при избора на SSR е да се имат предвид стандартите, в съответствие с които е ползващата ги апаратура, например БДС EN60747-5-5 за оптоелектронни устройства, UL 508 за индустриални системи за управление или/и EN/IEC 60950-1 за сигурността на информационни системи.

Основни параметри и схеми на свързване
За управлението основни параметри са границите на тока на светодиода (Control Current) IC за осигуряване на задействано SSR и неговата максимална стойност (Maximum Control Current for Off-State Resistance) ICOFFmax, при която все още няма задействане. Вместо последния ток понякога се задава максималното управляващо напрежение (обикновено няколко десети от V) за незадействано SSR, а към IC е прибавено необходимото за осигуряването му напрежение. 

Нежеланото входно обратно напрежение (Input Reverse Breakdown Voltage) VR е това, при достигане на което има опасност от повреда на светодиода. Максималното работно напрежение (Operating Voltage, Continuous Load Voltage) VL е което SSR може да осигури на товара, като за променливото се отбелязва дали е ефективна или амплитудна стойност. 

В някои SSR вместо него като параметър се дава напрежението на пробив (Breakdown Voltage) на транзисторите, към което може да е прибавено и по-голямото (обикновено 2-3 пъти) максимално напрежение за кратко време (например 1 минута). Също трябва да се има предвид, че някои производители освен максималното VL дават и по-малкото от него най-голямо препоръчително работно напрежение (Recommended Operating Voltage).

Максималният ток на товара (Maximum Load Current) IL е в сила до определена околна температура, след която намалява в съответствие с дадена в техническата документация графика. На съпротивлението на отпушените транзистори обикновено се дава максималната стойност (Maximum On-State Resistance) RONmax, като за свързване “A” тя е на последователно съединените транзистори, в свързване “В” е на единия, а за свързване “С” е на успоредната им комбинация. 

Съпротивлението на транзисторите нараства с температурата, като изменението в рамките на работния температурен обхват обикновено е 2-3 пъти. Важната като параметър максимална доставяна на товара мощност не присъства в каталозите, тъй като е VLIL.
За оценка на поведението на запушените транзистори се използва минималната стойност на съпротивлението им (Minimum Off-State Resistance) ROFFmin или токът на утечка (Output Leakage Current) ILeak при дадено напрежение върху тях.

С повишаване на околната температура ROFFmin намалява. Галваничната изолация между товара и управлението се оценява чрез минималните средноквадратични стойности на допустимото напрежение (Minimum Dielectric Strength, Input-Output) VI/O и на изолационното съпротивление (Minimum Insulation Resistance) RI/O.
За определяне на бързодействието на SSR се ползват максималните времена на тяхното включване (Maximum Turn-On Time) tON и изключване (Maximum Turn-Off Time) tOFF, измервани съответно от подаване на IC до достигане на 0,9IL и от нулиране на IС до 0,1IL или IL=0 в зависимост от модела. При това трябва да се имат предвид силната обратнопропорционална зависимост на tON от IC и важността на двете времена за много приложения, като последното е причина често в каталозите да се посочват схеми за експерименталното им измерване.

Типичните схеми на свързване на индуктивен товар към SSR са дадени на фиг. 3, като задействането се прави по класическия за светодиодите начин – от постоянно напрежение U през резистор R се осигурява токът IC=(U-UF)/R, където UF е напрежението им в права посока. Обикновено то е зададено в каталога на SSR, а когато не е, се избира около 1,4 V, тъй като стойностите му са между 1,1 и 1,6 V. Схемата на фиг. 

3а е за постояннотоков индуктивен товар, като диодът дава накъсо отрицателните отскоци на напрежението при прекъсване на веригата на тока. За променливотокови товари е в сила фиг. 3б с класическата верига (R-C Snubber) за потискане на преходните процеси. При товари с резистивен характер тази верига и диодът на фиг. 3а не се поставят.

SSR с мощни MOS транзистори с IL<200mA
Тази първа група SSR със сравнително малък IL се използват за управление на електродвигатели, в индустриалната автоматизация, при реализацията на сензорни системи, измервателни прибори в енергетиката, в телекомуникациите, в постояннотокови захранвания и електронни комутатори (Electronic Switching), в автомобилостроенето, системите за охрана и др.

В табл. 1 са дадени примери за SSR, като тези на редове 1, 2, 5, 8 и 9 са единични тип А. Релето на ред 8 е в съответствие със стандарта AEC-Q101 и е предвидено за автомобили, което обяснява сравнително малките му размери. Необходимостта от повече от едно реле в даден прибор прави уместно ползването на ИС на SSR, съдържащи няколко от един или различни типове. 

На фиг. 4а е структурата на двойно SSR тип А (Dual 1 Form A SSR, 2-channel Form SSR), чиито две половини могат да се използват самостоятелно. Първият пример за него е на ред 4 от табл. 1, което реле образува серия с EL840A със същите параметри освен VL=400 V, IL=120 mA и по-малко tON. Друг пример е на ред 10 със специфичните особености на намаления до 100 mA ток IL на всяка от половините при едновременното им използване и вградената максималнотокова защита, която не позволява токът да надхвърли 300 mA (типична стойност). Релето на ред 7 е единичното тип В и има разновидност AQY414EH за 320V/120mA при същите останали параметри.

Съществуват двойни SSR, включващи едно тип А и друго тип В със структура на фиг. 4в и възможност част от параметрите на двете им части да са различни. Пример за SSR тип С е LCC120 с основни параметри на ред 6, еднакви за двете му половини. Последните две SSR от тази група са тип 1 А в свързвания “А”, “В” и “С” и основни параметри на редове 11 и 12 в табл. 1, като AQV258 е част от две серии - едната от три релета с VL=400, 1000 и 1500 V и IL за тип А съответно 150 mA, 30 mA и 20 mA и другата от две релета с VI/O=5000 V.

SSR с мощни MOS транзистори с IL=0,2A-2А
Относителният дял на SSR от тази група е практически същият както на първата, но значително преобладават разновидностите тип А. Приложенията са подобни, но по-голям е делът им в индустриалните системи за управление, системи за охрана, измервателни прибори и др. Характерна особеност на SSR от групата е, че по-големият им IL логично налага да са с по-малко RON.

Най-простата разновидност е в съответствие със схемата на фиг. 1а и това са SSR на редове 2, 3, 8 и 13 от табл. 2, а примери за комбинирани SSR с две и повече SSR в корпуса са на редове 1, 5, 11 и 15. Двойното реле на ред 1 има структурата от фиг. 4а и е част от серия с други разновидности от този тип. Четворното реле на ред 11 е предвидено за управление на постояннотокови товари със замасен един от изводите. 

Всяка от неговите части ползва по един мощен MOS транзистор и има вградени защити от превишаване на максималната температура (с извод на ИС за индикация на това състояние) и късо съединение на товара. Освен това вграденият управляващ блок прекратява работата при VL над определена стойност. Захранващото напрежение се използва и като VL, което обяснява наличието на минимална и максимална негова стойност. Специфична и важна практическа особеност е, че след изключването на товара му се подава напрежение VL -55 V за ускоряване на размагнитването.

Сравнително малко са SSR с 8 независими релета, каквото е даденото на ред 5, предвидено за работа в условия на повишена радиоактивност със сравнително рядко давания експлоатационен срок (MTBF) от 48.106 часа. Подобно е SSR на ред 12 със същите изисквания за свързване на 8-те товара и защити, но с управление на работата чрез интерфейса SPI или паралелен (избор чрез логическо ниво на един от изводите). Една от предвидените възможности за управлението е подаване на 8-битово число, чрез лог. 1, в чиито разреди се включват съответните товари.

Специфични са SSR тип А с предвидени възможности за работа в съответствие със свързвания “А” и “С” на фиг. 2, каквито са дадените на редове 6 и 15 в табл.2 (стойностите на IL са за свързване “А”). Подобна е спецификата на релетата на редове 7 и 9, които са примери за сравнително рядко използваните от тази група. Релето на ред 7 е тип В и е предвидено за работа в свързванията “А” и “С” от фиг. 2, като стойностите на IL и RON в таблицата са за “А”. Това на ред 9 съдържа самостоятелни релета тип А и тип В, като различията в част от техните параметри са означени тип А; тип В. Дадената максимална стойност на IL е при едновременната работа на двете релета, докато при задействане само на едното тя е 0,55 А.

Последната разновидност са SSR тип А с допълнителен извод, ползващи трите свързвания от фиг. 2 и съответно имащи 6 или повече извода. Те са дадените на редове 4, 10 и 14, като стойностите на IL и RON са последователно за свързвания “А”, “В” и “С”. Релето на ред 10 е част от серия с още четири с VL и IL 60V/0,4A, 100V/0,35A, 200V/0,25A и 250V/0,2А и още едно с 250V/0,2А, но VI/O=5000V.

SSR с мощни MOS транзистори с IL>2A
Технологичните затруднения при производството на SSR от тази група логично ги прави по-малко разпространени в сравнение с първите две. Техни практически особености са и реалното наличие само на тип А и често използваната максималнотокова защита за предпазването им от недопустимо големи IL. По принцип областите на приложение на тази група SSR не се различават от тези на предните две, но към тях се прибавят включването на товари към захранващи мрежи, мощни изходи на програмируеми логически контролери (PLC) и др.

В табл. 3 са основните параметри на характерни представители на тази група SSR, като ТС е температурата на корпуса им. Двойното реле на ред 1 е предвидено за работа в условия на повишена радиация, има MTBF=6.106 часа и входен блок преди светодиода, който осигурява управление с 3,3V-ови логически нива. Вграденият блок за цифрово управление в SSR на ред 2 позволява управление от микроконтролер и прави излишни параметрите IC, ICOFF и VR. 

За товара е предвидена максималнотокова защита със специфични възможности, например автоматичното му включване определено време след задействането й. За приложения главно в автомобилостроенето е SSR на ред 3, което е с една от най-големите предлагани стойности на тока IL и отново вграден входен блок, позволяващ управление с CMOS логически нива. Блокът се захранва от VL, което определя необходимостта от неговата минимална стойност. 

Освен вече споменатите в други SSR максималнотокова защита и такава от надхвърляне на определено VL са вградени и защита от превишена температура на кристала (изключва товара при 175°С и отново го включва при 135°С) и такава за изключване на товара при прекъсване на масата. Други “екстри” са извод CURRENT SENSE, чрез свързване на резистор между който и маса се получава напрежение, пропорционално на тока през товара, и размагнитване при изключването му. Също с максималнотокова защита, задействаща се при IL=4,25 A за 0,4 ms, е SSR на ред 4.

SSR с тиристори
Тази категория SSR са предназначени на първо място за електродомакински уреди, работещи с променливотоковата електрическа мрежа – климатици, перални, хладилници, микровълнови печки, овлажнители на въздуха, готварски печки с индуктивно нагряване. Не по-малка област на приложение е индустриалната, включваща управление на електродвигатели, нагреватели, контактори и соленоиди, и други мощни товари. 

Сред популярните термини за тази категория SSR са AC Power Switch и SSR with SCR Output, а основната им структура е представена на фиг. 5а. Тук светодиодът е от същия тип, както в разгледаните SSR и неговият лъч се преобразува от схемата за управление ZC в електрически сигнал за задействане на тиристорите. Всеки от тях осигурява тока на товара през един от полупериодите на променливото напрежение. Симетричният фототиристор (Photo Triac) на фиг. 5б се задейства непосредствено от светодиода и схемата ZC не е необходима. 

За простота в двете основни схеми не е отбелязана защитата за предпазване на товара от недопустимо големи напрежения, реализирана чрез успоредно свързване към тиристорите на варистор VDR или на последователна RС група.
В зависимост от начина на задействане на тиристорите и съответно включване и изключване на товара след подаване на управляващ сигнал съществуват два вида SSR. Наименованието на тези с включване и изключване в нулата (Zero-Cross Turn-On SSR, Zero-Crossing Output SSR) се дължи на отпушването и запушването на тиристорите при първото преминаване през нулата на променливото напрежение след подаване на управляващ сигнал. Такива са SSR на редове 2, 4 и 5 в табл. 4 (отбелязани с ZC) и този на ред 3 при работа с резистивен товар. Вторият вид са релетата с моментално задействане (Non Zero Crossing SSR, NZC Functionary SSR, Random-Fire SSR), в които тиристорите се отпушват и запушват веднага при подаване на управляващ сигнал - даденото на ред 6 и отбелязано с NZC и това на ред 3 при индуктивен товар.

Основни параметри. Съществуват малки разлики от тези при SSR с мощни MOS транзистори, първата от които е входното постоянно напрежение (DC Control Input) VC за задействане на релето, често давано заедно с IC. Аналогично, вместо ICOFF може да се задава напрежението за изключване на тиристорите (Turn Off Voltage) VCOFF. Подобно на някои SSR с MOS транзистори, но тук задължително, захранването се осигурява от VL и като параметър могат да се задават границите на неговата средноквадратична стойност или максимално допустимата му стойност. 

Също средноквадратични са минималната и максималната стойност на IL. Нов параметър е напрежението върху отпушените тиристори (On-State Voltage Drop) VON, което е важен фактор за определяне на разсейваната мощност върху SSR. И накрая, поради принципа на действие на SSR тип ZC, за tON и tOFF се дават максималните им стойности, равни на половин период 0,5Т на променливото напрежение.
Типични SSR. Дадените на редове 1 и 2 в табл. 4 са с 4 извода и са предвидени за монтаж върху платки с отвори, а това на ред 1 е част от серия с различни VC. Релето на ред 3 запазва своя IL до околна температура 40°С, след което той намалява с 16,7mA/°C (във всички SSR има подобна зависимост, отразявана обикновено чрез графика). Даденото на ред 5 е част от две серии с по 4 модела с IL=0,3А, 0,6А, 0,9А и 1,2А, като едната е тип ZC, другата – тип NZC.

SSR с биполярен транзистор
Биполярният мощен транзистор определя възможността за захранване само на нисковолтови постояннотокови товари и сравнително ограничените приложения на ползващите го SSR. Типичен представител е SLD01205 на производителя Celduc за VL=0-32 V и IL=4 A и управление чрез IC=5,5-27 mA и VC=3-10 V. Корпусът на релето е с 4 извода и размери 28x15x5 mm.

Новият брой 7/2018

брой 7-2018

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ



ЕКСКЛУЗИВНО

Top