Funkcją wszystkich przekaźników – niezależnie czy jest to elektromechaniczny lub omówione w poniższym artykule przekaźnik półprzewodnikowy ssr, jest sterowanie obwodem roboczym (wyjściowym) za pomocą sygnału niskonapięciowego, pochodzącego z odizolowanego obwodu sterowniczego (wejściowego).
Przekaźnik półprzewodnikowy w przeciwieństwie do przekaźnika elektromechanicznego nie jest typowym przekaźnikiem rzeczywistym. Oznacza to, że efekt włączania/wyłączania lub przełączania poszczególnych obwodów elektrycznych realizowany jest za pomocą zupełnie innych procesów fizycznych…
Rodzaje przekaźników i różnice w sterowaniu.
Wyróżnia się dwa główne typy przekaźników:
– przekaźnik elektromechaniczny
– przekaźnik półprzewodnikowy
Łączenie poszczególnych obwodów mocy w przekaźnikach elektromechanicznych odbywa się przy użyciu ruchomych elementów w postaci styków roboczych. Sterowanie w którym występują styki, a także następuje ich fizyczne złączenie lub rozdzielenie, określane jest jako stykowe. Więcej informacji na temat przekaźników elektromechanicznych znajdą Państwo w naszym osobnym artykule nt. „Przekaźniki i styczniki – rodzaje, zasada działania)
Przekaźniki półprzewodnikowe, określane także jako elektroniczne lub SSR (ang. Solid State Relay), stanowią elektroniczny odpowiednik przekaźników elektromechanicznych. Zbudowane są z elementów półprzewodnikowych, takich jak tranzystory, tyrystory lub triaki, za pomocą których realizowana jest funkcja przekaźnikowa. Przekaźniki półprzewodnikowe są układami logicznymi do przełączania napięć, prądów i częstotliwości. Sterowanie poszczególnymi obwodami realizowane jest bez udziału ruchomych części, tj. bez ruchomych styków. Urządzenia te wykonują tak zwane sterowanie bezstykowe lub bardziej popularne określenie – elektroniczne (Rys.1).
Rys.1 Sterownie bezstykowe (elektroniczne)
Przekaźnik półprzewodnikowy SSR – Główne funkcje i zastosowanie
Przekaźniki półprzewodnikowe mają spełniać trzy główne funkcje, wymienione poniżej:
– Oddzielenie potencjałów elektrycznych (separacja galwaniczna). W wielu zastosowaniach konieczna jest elektryczna izolacja obwodu sterowniczego od obwodu roboczego. Służy to przede wszystkim ochronie płaszczyzny sterowania, np. przed usterkami spowodowanymi pojawieniem się stanów nieustalonych (przejściowych) czy na przykład zakłóceniami ze strony prądów interferencyjnych. Aby zagwarantować separację obwodów wymagana jest szczelina o szerokości co najmniej 3 mm pomiędzy nadajnikiem a odbiornikiem (Rys.1). Jest to niezbędne dla uniknięcia pojawienia się w szczelinie łuku elektrycznego, a podstawą do wyznaczenia jej szerokości jest określenie oczekiwanego znamionowego napięcia izolacji – przekaźnik powinien wytrzymać wartość przynajmniej 2,5 kV.
– Przetwarzanie sygnałów. Do przetwarzania sygnału pomiędzy odseparowanymi obwodami służy transoptor. To dzięki niemu można dopasować różne potencjały napięciowe sygnałów, występujące w obwodzie sterowniczym i roboczym.
– Wzmocnienie przełączania. W zastosowaniach, w których prąd i napięcie przekraczają wartość znamionową tranzystora fotoelektrycznego w transoptorze stosuje się dodatkowy obwód (obwód wzmocnienia) do wzmocnienia przełączania, który musi być podłączony po stronie obciążenia (obwodu roboczego) transoptora (Rys.5). Podczas procesu przełączania w transoptorze aktywowany jest prąd bazowy za pomocą diody LED i fototranzystora. Prąd bazowy jest kontrolowany przez drugi półprzewodnik (np. tranzystor, tyrystor itp.) i następnie zostaje dostosowany do prądu w obwodzie roboczym.
Przekaźnik SSR ZG3NC-340A. 40A. 80-250 VAC. 90-480 VAC
Zasada działania przekaźnika półprzewodnikowego
W przekaźnikach półprzewodnikowych do oddzielenia obwodu sterowniczego (wejściowego) i roboczego (wyjściowego) zamiast styków wykorzystuje się wspomniany transoptor (optoizolator). Jest to element składający się przynajmniej z jednego nadajnika (fotoemitera) i jednego odbiornika (fotodetektora), które razem są zamknięte we wspólnej obudowie.
Transoptor
Transoptor to element elektroniczny, który pośredniczy w przesyłaniu sygnału elektrycznego z obwodu roboczego do obwodu sterowniczego. Zbudowany jest z elektrycznie izolowanej a optycznie sprzężonej pary nadajnik-odbiornik umieszczonej we wspólnej obudowie. W przeciwieństwie do przekaźników elektromechanicznych transoptory nie mają żadnych części mechanicznych mogących ulec zużyciu.
W obwodzie sterowniczym wyzwalany jest sygnał świetlny dla operacji przełączania za pomocą diody LED. Następnie mierzone jest natężenie światła odbitego za pomocą fototranzystora. Nadajnik i odbiornik są osadzone w przewodzącej światło plastikowej obudowie. Obudowa otoczona jest od zewnątrz nieprzepuszczalną dla światła powłoką, która chroni przed wpływami zewnętrznymi. Nadajnikiem najczęściej jest dioda elektroluminescencyjna (LED) emitująca światło w podczerwieni. W celu dostosowania jej do bardzo wysokich częstotliwości wykonana jest z arsenku galu. Natomiast jako odbiornik stosuje się jeden z elementów światłoczułych, na przykład: fotorezystor, fotodioda lub fototranzystor.
Rys.2 Sposoby ułożenia elementów optoelektronicznych w transoptorze
Na rysunku 2 przedstawiono dwa sposoby ułożenia względem siebie nadajnika i odbiornika w transoptorze.
Ułożenie elementów optoelektronicznych naprzeciw siebie pozwala na bezpośredni odbiór światła przez odbiornik. W drugim sposobie ułożenie nadajnika i odbiornika w jednej płaszczyźnie powoduje, że wiązka światła jest transmitowana przez odbicie, zgodnie z zasadą światłowodu.
Transoptor jest elementem unilateralnym, to znaczy umożliwia jedynie jednokierunkowy przepływ sygnału od obwodu wejściowego, w którym znajduje się fotoemiter, do obwodu wyjściowego zawierającego fotodetektor.
Napięcie jakie występuje na wyjściu samego transoptora, jest ograniczone ze względu na czułość odbiornika półprzewodnikowego (fototranzystora). W przypadkach, gdy w obwodzie roboczym stosowane są tylko niskie wartości prądu lub napięcia, można stosować moduł transoptora bez dodatkowego połączenia wzmocnienia (Rys.3).
Rys.3 Przykładowy transoptor złożony z diody LED i fototranzystora
Aby przełączać wyższe prądy, należy dokonać regulacji między różnymi poziomami mocy fototranzystora i obwodu roboczego poprzez zastosowanie dodatkowego połączenia, tzw. połączenia wzmocnienia, który wzmocni przesyłany sygnału elektroniczny (Rys.5).
Wzmocnienie sygnału elektronicznego uzyskuje się poprzez zastosowanie dodatkowego połączenia wzmocnienia (Rys.5) w obwodzie wyjściowym, zawierające kolejny element półprzewodnikowy, którym może być np. tranzystor bipolarny, tranzystor MOSFET, triak itp. Triaki na przykład są odpowiednikiem dwóch tyrystorów połączonych antyrównolegle (przeciwsobnie i równolegle) przez co – oprócz wzmacniania sygnału elektronicznego – mogą również przewodzić prąd w obu kierunkach.
Przekaźnik SSR ZG3NC-360B. 60A. 3-32 VDC. 90-480 VAC
Obwód sterowniczy (wejściowy)
Transoptory w przekaźnikach półprzewodnikowych mogą przenosić sygnały pochodzące zarówno z prądu stałego (DC), jak i zmiennego (AC), w tym analogowe i cyfrowe. Większość aplikacji przemysłowych nie może być jednak bezpośrednio podłączona do transoptora, lecz wymaga regulacji napięcia za pomocą dodatkowych połączeń (np. oporników lub kondensatorów) znajdujących się po stronie obwodu wejściowego.
W celu uzyskania jak najdokładniejszych przełączeń można zastosować w obwodzie wejściowym na przykład przerzutnik Schmitta. Przerzutnik przy rosnących i opadających sygnałach sterujących przypisuje określony stan 0/1, który jest przekazywany do transoptora. Pozwala to na ograniczenie niepożądanych sygnałów elektrycznych w postaci szumów. Szum elektryczny stanowi zakłócający sygnał wyjściowy, który występuje gdy sygnał wejściowy oscyluje wokół minimalnej wartości użytecznej. Powoduje tym samym ograniczenie minimalnej wartości sygnału wejściowego. Innymi słowy szum wpływa na czułość przekaźnika. Poza tym w obwodzie sterowniczym stosuje się często również inne odpowiednie urządzenia ochronne, typu warystor czy fotodiody oraz filtry przeciw impulsom zakłócającym.
W zależności od tego czy obwód sterowniczy jest zasilany prądem stałym lub zmiennym występują różne kombinacje elementów dodatkowych umieszczonych w tym obwodzie. Warto wspomnieć, że istnieją także obwody wejściowe ze swobodnym podłączeniem, które mogą być zasilane zarówno prądem AC jak i DC.
Rys.4 Dodatkowe połączenia elektryczne umieszczone od strony wejściowej transoptora
Obwód roboczy (wyjściowy)
Znamionowe napięcie pracy przekaźników półprzewodnikowych określa zakres napięcia, na przykład 5 – 48 V DC, poza który nie należy wykracza
– zarówno poniżej jak i powyżej tych wartości. Częste przekraczanie może doprowadzić do przedwczesnego zużycia i zniszczenia transoptora. Pojawiające się wzrosty napięcia powyżej wartości znamionowej – tak zwane przepięcia – są odprowadzane przez odpowiednie elementy ochronne, takie jak diody czy warystory, zamontowane w połączeniach ochronnych po stronie wyjścia.
Aby uniknąć uszkodzeń spowodowanych skokami napięcia, na przykład podczas impulsu włączenia lub wyłączenia, w niektórych półprzewodnikach stosuje się funkcję Power Boost, czyli zwiększenie mocy, dzięki której przekaźnik półprzewodnikowy może przez krótki czas przetrzymać wyższe wartości napięcia niż wyznacza to znamionowe napięcie pracy.
W zależności od obwodu wyjściowego z odpowiednim półprzewodnikowym wzmacniaczem – umieszczonym w połączeniu wzmocnienia – można podłączyć obciążenia prądu przemiennego (AC) lub stałego (DC).
Rys.5 Dodatkowe połączenia elektryczne umieszczone od strony wyjściowej transoptora
Wzmocnienie sygnału
Fototranzystor transoptora może być obciążony tylko niskimi wartościami prądu i napięcia. W przypadku większych obciążeń wyjściowych stosowany jest dodatkowy element półprzewodnikowy, zdolny do przełączania odpowiednich znamionowych napięć i znamionowych prądów. Elementem spełniającym tą funkcję może być
– tranzystor bipolarny (DC), który jest przeznaczony do użytku z niskimi prądami obciążenia (≤0,5A). Charakteryzuje się krótkim czasem odpowiedzi, dzięki czemu możliwe są wysokie częstotliwości przełączania.
– tranzystor unipolarny z izolowaną bramką MOSFET (DC), przeznaczony do użytku z wysokimi prądami obciążenia (do 10 A). Niska rezystancja styku MOSFET generuje tylko bardzo małe prądy upływowe (<10 μA) przy niskich stratach mocy.
– triak (AC). Triak łączy funkcjonalną zasadę antyrównoległych tyrystorów przełączanych w jednym elemencie. Funkcjonalnie jest porównywalny do diody, dlatego w przypadku prądów przemiennych stosuje się właśnie triaki, które stanowią przeciwny i równoległy obwód dwóch tyrystorów.
Przekaźnik SSR-40DA, 40 A, 3-32 VDC, 24-380 VAC
Przekaźnik półprzewodnikowy i elektromechaniczny – porównanie zalet
W zależności od wymagań wybór między przekaźnikami elektromechanicznymi a półprzewodnikowymi opiera się na różnych zaletach obu wariantów.
Przekaźnik półprzewodnikowy (SSR) charakteryzuje się:
– długą żywotnością i niezawodnością, ze względu na brak ruchomych części oraz brakiem ulegających zużyciu styków,
– małymi wymiarami, przez co wpływają na oszczędność miejsca podczas montażu np. na płytce drukowanej lub szynie montażowej,
– niską pojemnością pomiędzy wejściem a wyjściem przekaźnika, ponieważ do jego działania wymagana jest tylko aktywacja diody LED poprzez jej zaświecenie, brak natomiast elementów ruchomych, takich jak zwora, które zwiększają pobór mocy w przekaźniku elektromechanicznym,
– krótkim czasem reakcji (szybkość przełączania) wynoszącym mniej niż 1 ms, dzięki czemu uzyskuje się znacznie większą dopuszczalną częstotliwość przełączania, sięgająca nawet setek Hz,
– brakiem emisji zakłóceń mechanicznych w postaci np. drgania styków czy czasu potrzebnego do „odbicia” styków, dzięki czemu skrócone jest opóźnienie występujące podczas przełączania obwodów elektrycznych,
– brakiem emisji zakłóceń elektromechanicznych w postaci iskier przełączających, przez co nie występują zakłócenia między sąsiednimi modułami lub komponentami elektronicznymi,
– zdolnością załączania wysokich prądów rozruchowych,
– kompatybilnością logiczną, co oznacza szeroki przedział dla wejściowych sygnałów sterujących,
– cichą pracą, nadają się zatem do użytku w środowiskach wrażliwych na hałas,
– odpornością na wstrząsy i wibracje, zapobiega to pojawieniem się niepożądanych stanów przełączania.
Jeżeli chodzi o przekaźniki elektromechaniczne to wykazują:
– zdolność jednakowego przełączania obciążeń prądu przemiennego (AC) i stałego (DC), przez co mają uniwersalne zastosowanie (np. mogą stanowić rodzaj interfejsu pomiędzy różnymi elementami systemu),
– zerowy prąd upływu w obwodzie roboczym, w przeciwieństwie do przekaźników półprzewodnikowych,
– niskie napięcie resztkowe w obwodzie roboczym, co daje niskie spadki napięcia w trakcie przełączania,
– brak strat mocy w obwodzie roboczym, ponieważ na stykach nie występuje opór elektryczny, który prowadzi do nagrzewania się pod obciążeniem, co z kolei ogranicza konieczność stosowania radiatorów,
– możliwość przełączania kilkoma obwodami roboczymi za pomocą jednego sygnału sterującego,
– niewrażliwość obwodu sterowniczego na stany nieustalone (przejściowe). Moc rozruchowa cewki magnetycznej zapobiega niepożądanemu przełączaniu w trakcie wahań napięcia.
Podsumowanie
Przekaźnik półprzewodnikowy jest stosunkowo nowymi urządzeniami sterującymi, które pojawiły się na rynku dopiero w latach 80-tych, a więc znacznie później niż ich elektromechaniczne odpowiedniki. W ostatnich 10 latach odnotowuje się znaczny rozwój półprzewodników, spowodowany ogólnym rozwojem technologii i co za tym idzie rozszerzaniem się zastosowań urządzeń elektronicznych w każdej gałęzi przemysłu.
Oprócz podziału ze względu na sterowanie, tj. prądem zmiennym lub stałym, wyróżnia się także podział uwzględniający zasilanie. Mogą występować zatem przekaźniki jedno- lub trójfazowe.
Przekaźnik półprzewodnikowy daje znacznie większe możliwości jeżeli chodzi o sterowanie obciążeniem – w porównaniu do przekaźników elektromagnetycznych czy styczników. Dzięki nim można zwiększyć częstotliwość operacji łączeniowych, możliwość wyboru momentu załączenia obciążenia w okresie przebiegu napięciowego oraz możliwość wyłączenia obciążenia przy zerowym prądzie. Poza tym przekaźnik półprzewodnikowy ssr stanowi idealne łącze pomiędzy niskonapięciowym obwodem sterującym a wysokonapięciowym obwodem roboczym. Wysokie znamionowe napięcie izolacji, sięgające ponad 4kV pomiędzy tymi obwodami, zapewnia układom elektrycznym niezbędną ochronę.
Na rynku spotkać można się również ze stycznikami elektronicznymi SSC (ang. Solid State Contactor), które stanowią potoczną nazwę przekaźników półprzewodnikowych wyposażonych w radiator lub wentylator. W przypadku bardziej rozbudowanych styczników elektronicznych, za ich pomocą można uzyskać informacje na przykład o odłączeniu obciążenia, uszkodzeniu bezpiecznika czy zbyt wysokiej temperaturze.
Przekaźniki i styczniki dostępne są w sklepie EBMiA.pl pod adresem: https://www.ebmia.pl/1023-przekazniki-styczniki
W kolejnym artykule opisaliśmy:
Dzielnik napięcia – co to jest, jak działa, zastosowanie
Przekaźnik czasowy – zasada działania, budowa, rodzaje
Przekaźnik impulsowy – rodzaje, zasada działania, który wybrać?
Rodzaje przekaźników elektrycznych w automatyce
– Stycznik – co to jest, rodzaje, budowa, jak działa?
Przekaźnik bistabilny – co to jest, rodzaje, zasada działania, zastosowanie
Przekaźnik termiczny – co to jest, zastosowanie, jak dobrać?
