Come utilizzare i relè a stato solido specializzati a basso rumore per limitare le interferenze elettromagnetiche e soddisfare gli standard critici

Dalla loro introduzione più di tre decenni fa, i relè a stato solido (SSR) hanno sostituito i relè elettromagnetici (EMR) per applicazioni di commutazione che richiedono un funzionamento estremamente affidabile, senza archi elettrici e a bassa potenza. Ulteriori vantaggi degli SSR sono il funzionamento silenzioso e la compatibilità con i circuiti di controllo digitali.

Tuttavia, nelle applicazioni domestiche, commerciali e medicali più esigenti, in particolare quelle in cui è richiesta l'adesione agli standard internazionali di compatibilità elettromagnetica (EMC) come IEC 60947-4-3, è necessario scegliere attentamente i relè giusti per garantire che le interferenze elettromagnetiche (EMI) generate dal relè siano ridotte al minimo. Alcuni prodotti possono produrre picchi di tensione e rischiano di non essere conformi agli standard EMC.

Questo articolo discute i vantaggi e gli svantaggi degli SSR e le applicazioni a cui si prestano meglio. L'articolo esamina poi i componenti principali di un relè che possono causare emissioni fastidiose prima di introdurre una gamma di SSR a basso rumore di Sensata Technologies che i progettisti possono utilizzare per applicazioni commerciali, domestiche e medicali sensibili alle interferenze elettromagnetiche.

Le EMR contro gli SSR

Poiché è esposto alla corrente del circuito quando è chiuso, un interruttore che accende e spegne un circuito ad alta potenza non è una soluzione pratica. L'interruttore crea archi pericolosi durante il funzionamento e si surriscalda. La soluzione è quella di utilizzare un circuito a bassa potenza, attivato e disattivato da un interruttore convenzionale, per attivare il circuito ad alta potenza.

Tra i vantaggi di questa soluzione vi sono la riduzione di costi e dello spazio grazie alla minore lunghezza dei pesanti cablaggi necessari per il circuito ad alta potenza. Questi vantaggi sono dovuti al fatto che il relè può essere posizionato vicino al carico e si possono utilizzare fili più sottili per il collegamento all'interruttore a bassa potenza. Questo interruttore è tipicamente posizionato in un punto più comodo per l'utente. Inoltre, il circuito a bassa potenza può essere isolato galvanicamente dal circuito ad alta potenza. Tra gli esempi in cui vengono impiegati i relè vi sono i forni commerciali, gli elettrodomestici e le apparecchiature medicali.

Gli EMR tradizionali utilizzano una bobina che viene alimentata dal circuito a bassa potenza per creare un campo magnetico che poi chiude i contatti (normalmente aperti). Gli EMR possono commutare un carico c.a. o c.c. fino al loro massimo valore nominale. La loro resistenza di contatto si riduce all'aumentare del carico, riducendo la dissipazione di potenza ed eliminando la necessità di un dissipatore di calore (Figura 1).

Figura 1: Gli EMR collegano l'alimentazione c.a. al carico quando l'interruttore nel circuito di bassa potenza è chiuso ed eccita la bobina che a sua volta chiude i contatti. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

I vantaggi principali degli EMR sono il basso costo e l'isolamento garantito a qualsiasi tensione applicata al di sotto del valore dielettrico del dispositivo. L'isolamento è particolarmente importante quando il circuito ad alta potenza deve essere completamente acceso o spento senza pericolo di lesioni all'utente causate dalle correnti di dispersione. Gli EMR sono anche una buona opzione se si prevedono grandi picchi di corrente o picchi di tensione nell'alimentazione c.a.

I principali svantaggi degli EMR sono il potenziale di EMI e l'usura. Poiché l'arco elettrico può verificarsi quando i contatti si aprono e si chiudono, il relè può generare interferenze elettromagnetiche apprezzabili. In generale, i livelli sono bassi e gli EMR ben progettati incorporano una schermatura per mitigare eventuali emissioni, ma è necessario prestare attenzione alle applicazioni utilizzate in prossimità di apparecchiature sensibili alle interferenze elettromagnetiche.

Poiché gli EMR sono dispositivi meccanici, anche i prodotti progettati e fabbricati al meglio prima o poi si usurano. Nella maggior parte dei casi è la bobina che si guasta per prima, lasciando il dispositivo in una condizione a sicurezza intrinseca perché i contatti sono normalmente aperti (NA), lasciando i circuiti a bassa potenza isolati da quelli ad alta potenza. Detto questo, gli EMR moderni sono molto affidabili e spesso le apparecchiature alimentate dal relè si usurano per prime.

Gli SSR si sono affermati perché i circuiti di controllo utilizzati per commutare le applicazioni ad alta potenza sono migrati verso l'elettronica digitale. Come suggerisce il nome, gli SSR sono dispositivi basati su semiconduttori e come tali si prestano bene alla supervisione tramite circuiti digitali basati su microcontroller, in particolare per applicazioni con alta velocità di commutazione.

Gli SSR risolvono i principali svantaggi degli EMR. Poiché non ci sono elementi mobili, gli SSR non si usurano. I dispositivi in genere funzionano per decine di milioni di cicli, ma quando si guastano di solito si trovano in una posizione "accesa" che potrebbe avere implicazioni per la sicurezza. Gli SSR non generano archi quando si aprono o si chiudono, il che non solo li rende adatti all'uso in ambienti pericolosi, ma elimina anche la fonte di gran parte delle EMI che possono affliggere gli EMR. Sono anche meccanicamente silenziosi, funzionano su un ampio intervallo di tensioni di ingresso e consumano poca energia anche ad alte tensioni. Il passaggio dagli EMR agli SSR ha subito un'accelerazione in quanto il prezzo di questi ultimi continua a scendere.

I principali svantaggi degli SSR derivano dalla loro funzione primaria come circuito a semiconduttori. Ad esempio, quando è "acceso", c'è una resistenza sostanziale, che provoca una dissipazione di potenza di decine di watt con conseguente accumulo di calore. Le sfide termiche sono di solito tali che il progettista deve includere un grosso dissipatore di calore che aumenta le dimensioni e il peso della soluzione. Anche i relè statici sono influenzati dal calore ambientale e quindi devono essere declassati se utilizzati a temperature elevate. La resistenza interna del circuito può anche generare una caduta di tensione che potrebbe causare problemi al carico se è sensibile alle variazioni della tensione di alimentazione. Nello stato "spento", gli SSR mostrano una certa corrente di dispersione. Ad alte tensioni questo può essere indesiderabile o addirittura un problema per la sicurezza. Inoltre, molti SSR richiedono un carico minimo per funzionare correttamente.

Nozioni di base sul funzionamento degli SSR

L'interruttore di uscita è l'elemento fondamentale del relè statico. Per un relè con uscita c.a., l'uscita può essere controllata da un triac o da raddrizzatori controllati al silicio (SCR) in opposizione di fase. Il vantaggio chiave della soluzione SCR è un valore di dV/dt veloce, in particolare quando il relè è spento.

Ad esempio, quando un SSR con un triac che controlla l'uscita si spegne, il valore dV/dt può essere lento da 5 a 10 V/ms. Questo può essere un problema perché se il valore dI/dt per la corrente decrescente (e/o dV/dt per la tensione riapplicata) è troppo basso, il triac può condurre dopo che l'alimentazione c.a. attraversa il punto zero corrente/tensione. Un tale evento destabilizza l'uscita e può aumentare le EMI.

In confronto, gli SCR hanno un dV/dt di circa 500 V/µs e non conducono dopo il punto di zero-crossing. Un altro vantaggio di un SSR con SCR è una migliore dissipazione del calore in quanto i componenti sono distribuiti su un'area più ampia rispetto ad un singolo triac. Nel resto di questo articolo descriveremo gli SSR con uno stadio di uscita SCR in opposizione di fase.

Un SSR di base che utilizza gli SCR è mostrato nella Figura 2. I relè statici con uscita c.a. sono tipicamente alimentati dalla linea c.a. Quando S1 (controllato dal circuito di ingresso) è chiuso, i rispettivi gate di SCR1 e SCR2 sono collegati e la corrente dall'alimentazione c.a. passa attraverso R1 o R2 ed entra nel gate di un SCR che abbia polarizzazione diretta. In questo modo l'SCR si attiva e il relè conduce, alimentando il carico. Per ogni mezzo ciclo dell'alimentazione c.a. gli SCR conducono alternativamente e la corrente viene fornita al carico. Quando S1 è aperto, qualsiasi SCR sia "acceso" continua a condurre fino a quando la corrente alternata raggiunge lo zero quando l'SCR si spegne. A questo punto l'altro SCR non riceve più corrente di gate, il relè si apre e l'alimentazione al carico viene rimossa.

Figura 2: Disposizione di base di un relè con l'utilizzo di SCR in opposizione di fase. S1 è formato dal circuito di ingresso a bassa potenza. (Immagine per gentile concessione di Sensata-Crydom)

I moderni SSR si affidano tipicamente a un optoaccoppiatore per fornire l'isolamento tra i circuiti di bassa e alta potenza. Le due opzioni chiave per il progettista sono l'utilizzo di un optoaccoppiatore a LED/fototransistor o un dispositivo che combina un LED e un optotriac. Un fototransistor richiede meno corrente di comando, fa risparmiare spazio e dà al progettista maggiori possibilità di configurare le caratteristiche del circuito di controllo. Il vantaggio principale dell'approccio triac è il suo costo minore. Lo schema di un relè controllato da optotriac è mostrato nella Figura 3.

Figura 3: In questo SSR, l'isolamento tra circuiti di bassa e alta potenza avviene tramite un optoaccoppiatore basato su un optotriac. (Immagine per gentile concessione di Sensata-Crydom)

(Per ulteriori informazioni su come selezionare un SSR, vedere l'articolo tecnico DigiKey "Come utilizzare gli SSR per commutare in modo sicuro ed efficiente la corrente o la tensione".)

SSR per ambienti a basse emissioni elettromagnetiche

La selezione di un SSR con uscita controllata da SCR è una buona opzione per le applicazioni sensibili alle EMI, perché i dispositivi hanno caratteristiche intrinseche di basso rumore. Per applicazioni particolarmente sensibili, come quelle che richiedono l'uso di prodotti di commutazione conformi allo standard IEC 60947-4-3, è necessario selezionare prodotti a bassissimo rumore. Una buona opzione per queste applicazioni sono i relè statici che si accendono solo quando la tensione in c.a. attraversa il punto di tensione zero, indipendentemente dal momento in cui l'ingresso viene attivato.

Questi cosiddetti dispositivi zero-crossing eliminano i picchi di corrente di inserzione e di tensione che possono verificarsi all'accensione di circuiti ad alta potenza mentre l'uscita c.a. è a metà del ciclo. Questo a sua volta abbassa l'incidenza delle EMI. I progettisti dovrebbero notare che mentre gli SSR zero-crossing sono particolarmente adatti per carichi resistivi come i riscaldatori, non sono adatti per carichi altamente induttivi. Una scelta migliore per queste applicazioni sono i cosiddetti SSR a commutazione casuale. Questi commutano nell'istante in cui l'interruttore di ingresso viene attivato, invece di attendere che l'alimentazione c.a. raggiunga lo zero.

Sensata Technologies, che offre una serie di SSR a marchio Sensata-Crydom, ha recentemente introdotto tre prodotti a basso rumore con uscita c.a. con la serie LN. LND4425 può fornire 25 A all'uscita, mentre LND4450 fornisce 50 A e LND4475 75 A. I dispositivi richiedono una corrente di carico minima di 100 mA_RMS per un funzionamento stabile, sono forniti nel fattore di forma Hockey Puck e pesano circa 75 g (Figura 4). Tutte e tre le soluzioni sono dotate di un'uscita c.a. da 48 a 528 V e funzionano con una tensione di controllo da 4,8 a 32 V c.c. Sono dotati di protezione integrata contro le sovratensioni in ingresso/uscita e la loro rigidità dielettrica da ingresso a uscita è di 3500 V_RMS.

Figura 4: Gli SSR LND44xx di Sensata-Crydom offrono fino a 75 A e 528 V da una soluzione compatta che pesa solo 75 g. (Immagine per gentile concessione di Sensata-Crydom)

La serie LN è stata progettata per il funzionamento ai livelli più bassi di EMI. Utilizzano un optoaccoppiatore con un optotriac in ingresso e SCR in opposizione di fase per il controllo dell'uscita per superare le potenziali interferenze elettromagnetiche che possono verificarsi come risultato di un valore dV/dt lento. Gli SCR in opposizione di fase sono caratterizzati da un dV/dt di 500 V/µs. I prodotti sono inoltre dotati di un circuito di trigger brevettato che consente la commutazione del carico resistivo con un minimo livello di EMI. Uno schema degli SSR serie LN è mostrato nella Figura 5.

Figura 5: Gli SSR serie LN di Sensata-Crydom sono progettati per ridurre al minimo le EMI con caratteristiche quali un circuito di trigger brevettato e SCR in opposizione di fase. (Immagine per gentile concessione di Sensata-Crydom)

Il risultato di queste caratteristiche di mitigazione EMI è la conformità allo standard IEC60947-4-3 Ambiente B per gli ambienti domestici, commerciali e industriali leggeri a bassa tensione (Figura 6).

Figura 6: Test di emissione RF condotte per gli SSR LND4450 di Sensata-Crydom. La soglia per la conformità IEC60947-4-3 Ambiente B è indicata come una linea arancione continua. (Immagine per gentile concessione di Sensata-Crydom)

La serie LN è particolarmente adatta per applicazioni come i riscaldatori di forni commerciali, come mostra la Figura 7.

Figura 7: I relè utilizzati nei forni commerciali devono essere conformi alle norme IEC60947-4-3 Ambiente B. In questo grafico, le posizioni dei relè sono contrassegnate da numeri, dove "1" che indica quando gli SSR LND44xx sarebbero un'ottima scelta. (Immagine per gentile concessione di Sensata-Crydom)

Conclusione

I relè sono una soluzione semplice e comprovata per la commutazione di un circuito ad alta potenza utilizzando un circuito di attivazione a bassa potenza. Gli EMR sono una buona opzione dove è necessaria una soluzione a basso costo, ma sono meno adatti per l'uso in applicazioni di commutazione ad alta frequenza e in aree sensibili alle EMI. Gli SSR sono più costosi ma offrono un funzionamento robusto e senza usura e possono essere controllati tramite elettronica di comando digitale. Tuttavia, i progettisti che scelgono gli SSR devono essere consapevoli delle sfide termiche che comportano a causa della maggiore dissipazione di calore in applicazioni simili rispetto agli EMR.

Mentre tutti i tipi di SSR presentano EMI inferiori rispetto agli EMR, alcuni progetti fanno fatica a soddisfare i requisiti normativi EMC come quelli specificati da IEC60947-4-3 Ambiente B. Come mostrato, la soluzione è quella di utilizzare SSR con stadi di uscita SCR in opposizione di fase. Questi offrono una commutazione zero-crossing che si traduce in emissioni RF ultrabasse, semplificando così il percorso verso la conformità.