Полупроводникови релета (SSR)

ЕлектроникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 8, 2012

Релетата като елементи за комутация на електрически вериги вече почти един век са важна част в най-разнообразни електрически и електронни устройства. В продължение на повече от 50 години се използваха само електромеханични релета, независимо от сериозните им принципни недостатъци. С развитието на полупроводниковата електроника тези недостатъци все повече се оказваха нежелани, а в много случаи и недопустими, което доведе до създаването и бързото навлизане в практиката на полупроводниковите релета (Solid State Relay) SSR, наричани нерядко и Semiconductor Relay. Днес те намират по-широко приложение от електромеханичните, които продължават да се произвеждат поради съществуването на области, където не могат да бъдат изместени от SSR.

Особености на SSR
Основните предимства на SSR в сравнение с електромеханичните релета са:
- Дълъг експлоатационен срок, който се дължи на липсата на механични контакти и подвижни части.
- Не съществуват проблемите от електрическото искрене при отваряне на механичните контакти и тези от треперенето им при затваряне.
- Надеждността е над 100 пъти по-голяма.
- Голямо изолационно напрежение между управляващата и управляваната верига, което вече достигна до 5,3 kV.
- Напълно безшумна работа.
- Малък обем, тегло и заемана площ върху печатната платка, особено важно за портативните устройства.
- Възможност за добавяне в схемата на SSR на полупроводникови елементи, които им придават допълнителни функции.
- Липсата на бобина, чието магнитно поле би могло да смущава работата на близко разположени електронни схеми.
- Значително по-малка постояннотокова консумация на управляващата верига и възможността за нейната работа с по-малко захранващо напрежение. Тези два фактора опростяват веригата, улесняват реализацията й и намаляват разсейваната мощност.
- Много по-добра издръжливост на удари и вибрации.
- По-малко време на задействане, тоест по-бързо включване и изключване на товара.
- Процесът на автоматизирано запояване на елементите върху печатните платки (особено при тези с повърхнинен монтаж) се затруднява при наличие на електромеханични релета.

Два са основните недостатъци на SSR – по-голямото съпротивление на затворения “контакт”, което е най-съществено при товари с голям ток и по-големият паразитен капацитет на отворения “контакт”, ограничаващ превключването на високочестотни товари. Към тях трябва да се прибавят липсата на галванична изолация при отворен “контакт” и наличието на ток на утечка през него, което реално не съществува при електромагнитните релета.

В зависимост от състоянието на “контактите” на незадействано SSR и техния брой съществуват няколко разновидности. Първата са SSR с единичен нормално отворен (н.о.) “контакт” с означение на фиг. 1а. Самият контакт се нарича Single-Pole Single-Throw, Normally Open (SPST-NO), 1 Form A, Form 1a и Form A Normally Open. Има SSR с двоен н.о. “контакт”, т. е. два “контакта” с общо управление (фиг. 1б) – Double-Pole Single Throw, Normally Open (DPST-NO), 2 Form A, Form 2a и 2 Form A Normally Open. На фиг. 1в е символичното означение на нормално затворен (н.з.) “контакт”, който е в показаното положение при незадействано SSR и се означава като 1 Form B. Съответно има SSR с двоен н.з. “контакт” (фиг. 1г) – 2 Form B. Последната основна разновидност съдържа един н.о. и един н.з. "контакт" (фиг. 1д) с общо управление, т. е. задействани едновременно и наричани Dual 1 Form C и Dual 1 Form A/B. Съществуват и двуканални SSR (Dual Channel SSR) с независимо управление на два н.о. (фиг. 1е) или два н.з. (фиг. 1ж) “контакта”. Вместо вертикалната черта във всички означения дотук, която показва оптичната връзка между управляващата част (диода) и управляваната (“контакта”), често се използва стрелка (фиг. 1з).

В зависимост от вида на свързвания към “контакта” товар и съответно типа на захранващото го напрежение, съществуват постояннотокови SSR (DC Output SSR), еднофазни променливотокови SSR (Single Phase AC Output SSR) и трифазни променливотокови SSR (Three Phase AC Output SSR). За управляване с един SSR на повече променливотокови товари има и четворни променливотокови SSR (Quad Output AC SSR), всяка от съставните части на които се задейства самостоятелно и към нея се свързва отделен еднофазен товар.

Според конструкцията има две разновидности SSR – интегрални схеми (ИС) и модули, като вторите преобладават. В зависимост от производителя размерите им са твърде различни, като някои точно повтарят тези на аналогични електромеханични релета с цел лесно заместване.

MOS релета
Наименованието им се дължи на използването като “контакт” на един или два NMOS транзистора. Английските термини са MOSFET Based Relay, PhotoMOS Relay, Photo-MOSFET Relay, MOSFET Photovoltaic Relay.

Принцип на действие. За изясняването му може да се използва схемата на фиг. 2а. Даденият в нея инфрачервен светодиод може да е самостоятелен елемент или електронна схема, която осигурява неизменен интензитет на излъчването. Захранва се от постоянно напрежение на управляващия вход IN в границите, дадени в техническата документация на SSR. Лъчите попадат на фотодиод (или няколко последователно свързани фотодиода), като полученият фототок се преобразува от драйвера Dr в две еднакви постоянни напрежения гейт-сорс на транзисторите. Когато те са отпушени се осигурява верига за външния товар, свързан към изхода OUT, като поради естеството на MOS транзисторите в отпушено състояние между дрейна и сорса им може да протича постоянен и променлив ток, т. е. MOS релетата могат да управляват постояннотокови и променливотокови товари. За улесняване на реализацията на Dr транзисторите трябва да са с малко прагово напрежение, с което същевременно се осигуряват и малки времена на включване и изключване.

За реализацията на н.о. “контакт” се използват NMOS транзистори с индуциран канал, които са запушени при липса на осветяване. На фиг. 2б е даден пример за структурата на SSR с такъв контакт. Вижда се, че сорсовете на транзисторите са вътрешно свързани, а двата извода на “контакта” са техните дрейнове. Съществува разновидност с допълнителен извод от сорсовете, който позволява самостоятелно използване на всеки от транзисторите (“контактът” е между сорса и дрейна им). Идея за свързването на SSR от фиг. 2б е даден на фиг. 2в – токът IF се задава от управляващото напрежение и резистора, товарът RL се захранва от постоянното напрежение VDD, а при нужда може да се използва и изходното напрежение VOUT, което е върху двата транзистора. В SSR с н.з. “контакт” се използват NMOS транзистори със собствен канал, които са в проводящо състояние (затворен “контакт”) без осветяване и се запушват при неговото наличие. Пример за такъв SSR с един транзистор е даден на фиг. 2г. Структурата на SSR с един н.о. и един н.з. контакт е дадена на фиг. 2д, като двата могат да се управляват самостоятелно от две независими една от друга вериги или едновременно чрез показаната с прекъсната линия външна връзка.

Основни параметри. Както при почти всички електронни схеми те се разделят на максимално допустими (Absolute Maximum Rating), електрически и механични, като обикновено в каталозите към тях се прибавят и препоръчваните работни параметри (Recommended Operating Conditions).

Сред основните максимално допустими параметри са допустимото обратно напрежение на светодиода (LED Reverse Voltage) VR и максималното напрежение, което може да се приложи на изхода (Load Voltage) VOFF. Практически последното е максималното напрежение, с което може да работи товарът – когато то е променливо, параметърът представлява неговата амплитудна стойност. Вместо него по-често се дават границите, в които може да е напрежението Vо върху товара. Същото се отнася и за максималния ток през товара (Load Current) Io. Последните два основни параметъра от тази група са максималното изолационно напрежение между входа и изхода (Dielectric Strength Between I/O) VI-O, което е средноквадратичната стойност, приложена за определено време (обикновено 1 минута) и работната околна температура Ta.

Сред най-важните електрически параметри са входният ток (Input Current) IF и напрежението в права посока върху светодиода (LED Forward Voltage) VF, което реално е напрежението на входа IN и линейно нараства с тока Io. Важно е да се има предвид, че стойностите на IF и Io са в сила до определена Та (обикновено 25 °С), след което намаляват. Обикновено това се дава чрез графики, един пример за каквито е показан на фиг. 3а, като по абсцисата е Та в °С, а по ординатата – Io в А. Обратният входен ток (Reverse Current) IR се получава при неправилна полярност на входното напрежение, а съпротивлението на затворения “контакт” (Resistance with Output ON) RON е в сила при определен Io.

Както при много други електронни схеми за избягване на нежеланото многократно включване и изключване на релето при промени на тока около IF (например поради влияние на шумовете) се въвежда входен ток на хистерезиса (Trigger LED Forward Current) IFT – ако релето се задейства при IF, то ще се изключи при ток IF-IFT, т. е. нежелани промени, по-малки от IFT не променят състоянието му. За отворения “контакт” са съществени токът му на утечка (Current Leakage when Relay Open) ILEAK и неговият капацитет COFF, докато между входа и изхода значение имат капацитетът CI-O и изолационното съпротивление (Insulation Resistance Between I/O Terminals) RI-O. И накрая са две времена - на задействане (Turn-on Time) ton и изключване (Turn-off Time) toff на релето, чиито определения се виждат от фиг. 3б, като графиката Input представлява импулсът на IF.

Важно е да се има предвид, че дадените символи на параметрите се използват от много производители, но не са общоприети, нито представляват част от някакви международни стандарти.

Интегрални схеми. Те реализират всички показани на фиг. 1 “контакти”. В известен смисъл условно съществуват 4 групи ИС – за нисковолтови товари, за високоволтови товари (няма точно определено напрежение Vо като граница между двете групи), за аналогови сигнали и с малко произведение на RON и CОFF. Принадлежността към една от последните две групи е отбелязана в колона 2 на табл. 1 и 2 съответно като AN и RC. Сравнително малка част от ИС могат да се монтират върху радиатор, при което нараства токът им Io. По принцип параметрите на двуканалните SSR се дават само за единия канал, което е направено и в табл. 1 и 2. Съществуват и ИС като комбинация на MOS реле 1 Form 1 и оптрон със съставен биполярен транзистор, пример за каквато е LH1532 на Vishay Semiconductor.

Модули. Подобно на много други електронни схеми и реализацията на SSR като модули се прави, когато е необходимо получаването на големи изходни токове и/или по-високи напрежения, т. е. управляването на мощни товари. Съществуват сравнително малко модели поради ограниченията на MOS транзисторите в получаването на твърде големи токове и напрежения. Конструктивно модулите са със самостоятелна кутия, а структурата им е подобна на дадената на фиг. 2а, т. е. захранват се с постоянно напрежение.

Типичен пример е серията модули SSR25D/24 V, SSR25D/36 V и SSR25D/48 V на българския производител Изоматик комплект (числата след скобата показват номиналната стойност на Vо), а токът Io е 25 А. Модулите са предназначени за постояннотокови товари и имат вградени множество защити. Друг пример е SKLDx1006 на Celduc Relay с Vo между 7 и 36 V при Io = 10 A. Управляващото напрежение е между 3 и 10 V, размерите са 43,6x24,5x6,3 mm при тегло 15 g. Релето SSRPCMD40D5 на Schneider Electric e предвидено за монтаж върху панел, задейства се с постоянно напрежение 3-32 V и може да управлява постояннотокови товари с ток до 40 А и напрежения между 3 и 100 V. Полезно е да се има предвид, че в техническата документация обикновено се дават схеми на свързване и препоръки за експлоатация, като някои модели могат да се монтират върху радиатор.

Тиристорни релета
Използват се основно за захранване на едно- и трифазни променливотокови товари, на които благодарение на тиристорите могат да бъдат осигурявани значително по-големи токове и напрежения в сравнение с MOS релетата. Поради това тук ИС са сравнително малко, а преобладават модулите. Характерна особеност е, че доста производители означават като SSR именно тиристорните релета, а за тези с MOS транзистори използват едно от споменатите наименования.

Принцип на действие. Основната част от тиристорните SSR са с галванично разделяне между управляващата верига и товара, което се осъществява по 3 начина. Първият е чрез оптрон (фиг. 4а), токът на чийто светодиод се определя от постоянното захранващо напрежение (дадени са границите, в които то би могло да бъде в различните модели) и резистора RIN. Освен показания оптрон се използват фотодиодни и фототиристорни оптрони. Изходният сигнал на оптрона задейства пусковата схема, която включва симетричния тиристор и съответно товара (в немалко случаи вместо него се използват два успоредно и противоположно свързани обикновени тиристори). Често използвани наименования за този тип релета са Optically Coupled SSR и Photo-Isolated SSR.

Вторият начин за галванично разделяне, използван само в модули, е чрез трансформатор (фиг. 4б). Постоянното управляващо напрежение се преобразува в променливо и от вторичната намотка на трансформатора се подава на управляващия електрод на симетричния тиристор. Неозначените изводи долу вдясно са за подаване на мрежовото напрежение на товара. Третият начин е чрез използване на ридреле (фиг. 4в), чийто механичен контакт не пречи на надеждната работа на SSR. Значителна част от тиристорните SSR се управляват с променливо напрежение (често мрежовото), което в схемите на фиг. 4а,в се осигурява чрез прибавяне на мостов токоизправител на входа, а в тази на фиг. 4б преобразувателят обикновено не се поставя. Съществуват и тиристорни релета без галванична изолация (фиг. 4г), при които управляващият сигнал е мрежовото напрежение. Недостатъкът от липса на изолация е за сметка на простото, евтино и с малки размери SSR.

Масово разпространените трифазни SSR се произвеждат само като модули и съдържат три еднакви схеми от дадените на фиг. 4а-в. Общо е само управлението, например три оптрона с последователно свързани светодиоди.

Два са методите за включване на тиристорите, първият от които е при преминаване на мрежовото напрежение през нулата (Zero-Crossing, Synchronous) ZC – след подаване на управляващ сигнал за включване, пусковата схема го осигурява при първото преминаване на мрежовото напрежение през нулата (добре известен похват от много тиристорни устройства). Вторият метод (Nonzero Crossing, Nonsynchronous) NZC е свързване на товара към захранващото напрежение веднага след подаване на сигнала.

Интегрални схеми. Съществуват две групи в зависимост от описаните начини на включване на товара. На фиг. 5а е дадена идея за структурата на ИС със ZC. Управлението e с постоянно напрежение, подавано на изводи 3 и 4, като светодиодът задейства левия симетричен фототиристор. Неговият ток се подава на показаната със стрелка схема за включване на десния симетричен тиристор при преминаване на мрежовото напрежение през нулата, който от своя страна задейства променливотоковия товар, свързан между изводи 1 и 2. Структурата на една ИС със свързване на товара веднага е дадена на фиг. 5б. И тук има фототиристорен оптрон, който задейства силовия симетричен тиристор (между изводи 6 и 8). Добре е да се има предвид, че някои производители предлагат две разновидности на една ИС - управлявана с постоянно напрежение или с постоянен ток. Пример за ИС е SDI2415 на Crydom, която е 1 Form A и ZC. Работи с IF = 10-32 mA, V0 = 12-280 V, Io = 1,5 A,
VI-O = 3,75 kV и има размери 21,6x6,7x4,8 mm.

Модули. Те ползват по-голямата част от параметрите на ИС, но има и няколко специфични. Максималната амплитуда на напрежението, приложено върху запушен тиристор Peak Inverse Voltage) Vpp, обикновено е около 2 пъти по-голяма от максималната ефективна стойност Vо на работното напрежение. Съществено значение имат максимално допустимият импулсен ток (Surge Current, Maximum Impulse Overload Capacity) ITSM, който може да протича определено време (обикновено 1 us, 10 ms или 1 s), отбелязвано в каталога, и токът на утечка (Off-State Leakage Current) ILEAK през запушените тиристори. Важни са и максималните скорости на изменение на напрежението dv/dt и токът di/dt в изхода.

Обикновено производителите предлагат двете разновидности ZC и NZC, а на немалка част от модулите фабрично са монтирани радиатори. На тези с възможност за допълнително поставяне на радиатор в каталога се указва необходимата охлаждаща повърхност. За удовлетворяване на стандартите за електромагнитна съвместимост често между SSR и товара се свързва бобина, а захранването на товара се подава през филтър (фиг. 6), ограничава се дължината на проводниците между източника на управляващ сигнал и входа на SSR и успоредно на него се свързва кондензатор с капацитет, препоръчван в каталога. Твърде често се дават и схемите за свързване на различни товари.

В табл. 3 са дадени основните параметри на модули, като този в ред 2 е двоен, т. е. съдържа самостоятелни еднакви релета, а даденият в ред 8 е за монтаж върху шина DIN. Трябва да се има предвид, че стойността на Io е при резистивен товар, докато при индуктивен тя е няколко пъти по-малка. Двойните релета могат да се използват за управление на два еднофазни товара, както и на трифазни товари в свързване “триъгълник” и “звезда”. Даденото в ред 3 SSR е само един пример от широката гама на компанията АВВ, която включва защити при свръхтокове и при нарушаване на стойността на мрежовата честота, защити за генератори, електродвигатели и др.

Възможностите на тиристорите да осигуряват голям ток на променливотокови товари е причина за използването им и в много други устройства, поради което тиристорните модули на SSR често са част от серия, включваща и други прибори. Пример е серията SIRIUS на Siemens, която освен SSR включва контактори, софтстартери и др. В редове 9 и 10 на табл. 3 са дадени два примера за SSR от тази серия.

Биполярни релета
Практически се реализират само като модули за захранване на постояннотокови товари поради еднопосочното пропускане на биполярните транзистори, винаги имат успоредно на изхода си предпазен диод, който се отпушва при напрежение с нежелана полярност и са тип 1 Form A. Галваничното разделяне вход-изход се осъществява чрез фототранзисторен оптрон, резисторът за неговия фотодиод е вграден в релето, управлението в част от моделите е с постоянно напрежение, а в останалите – с променливо. В последния случай релето е с вграден диоден мост, който реално захранва фотодиода с еднополярно пулсиращо напрежение. Необходимият базов ток на изходния NPN транзистор се осигурява непосредствено от оптрона, от вграден усилвател или от тригер на Шмит (за получаване на спомената разлика между напреженията на включване и изключване). Рядкост са релетата с противотактно изходно стъпало, например даденото в ред 5 на табл. 4 с особеност (както и това в ред 6) голямата максимална честота на смяна на състоянието от 100 kHz. С променливо напрежение Vo се управляват релетата в редове 7 и 8 на табл. 4. Основната част от биполярните релета са с неголям изходен ток, но независимо от това част от тях трябва да работят, монтирани върху радиатор, данни за който се дават в каталога. За свързване на мощни товари се прибавя подходящ външен биполярен транзистор, монтиран върху радиатор. Схемите на свързване се дават в каталозите, като два примера за релето от ред 1 на табл. 4 са показани на фиг. 7.

Релета с IGBT
Големите работни напрежения и токове на биполярните транзистори с изолиран гейт (IGBT) по принцип ги правят подходящи за реализацията на модули на релета за управление на мощни постояннотокови товари. Поради технологични и производствени причини засега такива модули са малко. Типичен пример са SCI0100600 и SCI0251700 на Celduc Relais, в чиито означения първите две или три цифри след SCI0 показват тока Io, а останалите – максималното Vo, като последното реле е единственото засега SSR за товари до 1700 V. Галваничното разделяне между входа и изхода се прави с импулсен трансформатор, което се вижда от структурата им, показана на фиг. 8. Двете релета са с еднакви размери и тегло.

Новият брой 8/2017

брой 8-2017

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ

ЕКСКЛУЗИВНО

Top