Come utilizzare gli SSR per commutare in modo sicuro ed efficiente la corrente o la tensione

Il controllo elettronico è diventato il fulcro delle applicazioni consumer, commerciali, medicali e industriali, per cui vi è una crescente necessità di circuiti a bassa tensione o a bassa corrente per commutare quelli ad alta tensione o ad alta corrente. Anche se i relè elettromeccanici (EMR) sono indubbiamente prodotti validi, spesso vengono preferiti i relè a stato solido (SSR) perché hanno dimensioni ridotte, costo inferiore, alta velocità, affidabilità e bassa rumorosità elettrica.

Gli SSR sono ampiamente diffusi ma per applicarli correttamente i progettisti devono comprendere le peculiarità del loro funzionamento e le loro caratteristiche fisiche ed elettriche. Solo così possono abbinare correttamente il giusto SSR all'ingresso, all'uscita, al carico e alla situazione termica dell'applicazione per garantire il successo di un progetto.

Questo articolo illustrerà le particolarità degli SSR, come applicarli correttamente e presenterà alcune delle ultime soluzioni SSR al problema della commutazione di tensioni e correnti più elevate.

Principi base degli SSR

Gli SSR sono chiamati con molti altri nomi a seconda del produttore o del fornitore. Omron, ad esempio, li chiama relè MOS FET, mentre per Toshiba sono fotorelè (Tabella 1).

Tabella 1: Sebbene il principio operativo cardine sia lo stesso, molti fornitori usano designazioni diverse per i propri SSR, alcune delle quali ne evidenziano l'implementazione particolare o proprietaria. (Immagine per gentile concessione di Omron Corp.)

A prescindere dalla nomenclatura utilizzata, il principio di funzionamento è identico ed è un'estensione del noto e diffuso optoaccoppiatore (chiamato anche optoisolatore). Nella sua forma più semplice, comprende un LED sul lato di ingresso e un fototransistor su quello di uscita, separati da un percorso ottico dell'ordine dei millimetri (Figura 1). A seconda dei livelli di tensione e di corrente, al posto del fototransistor è possibile utilizzare un SCR o un TRIAC fotosensibile.

Figura 1: La configurazione fisica dell'optoisolatore è apparentemente semplice: un LED converte l'energia elettrica in fotoni, che a loro volta eccitano il fototransistor per una caduta V_BE bassa. L'isolamento galvanico è assicurato dal percorso ottico. (Immagine per gentile concessione di Technogumbo)

Quando il LED viene eccitato, i fotoni che genera eccitano il fototransistor, che entra quindi in modalità conduttiva permettendo alla corrente di scorrere verso il carico. Questo è detto stato "on". Quando il LED è spento, anche il fototransistor è spento o non conduttivo, dando luogo a un buon circuito aperto (ma non perfetto).

L'isolamento galvanico tra il LED e il fototransistor è in genere entro un intervallo di diverse migliaia di volt grazie alla distanza tra LED e fototransistor, oltre che a una barriera isolante otticamente trasparente. Tenere presente che l'isolamento è un parametro di rottura della tensione e non è identico alla resistenza tra ingresso e uscita, che va da 1000 a 1 milione di megaohm (spesso impropriamente detta resistenza "infinita"). Il tempo di commutazione tra gli stati on e off in genere è specificato in alcuni microsecondi.

Tuttavia, un SSR completo è più di un semplice LED e fototransistor o un SCR/TRIAC fotosensibile. Richiede inoltre circuiteria e funzioni aggiuntive sia sul lato del LED di ingresso che su quello fotosensibile di uscita (Figura 2).

Figura 2: Un SSR completo richiede circuiteria e funzioni aggiuntive sia sul lato del LED di ingresso che su quello fotosensibile di uscita. (Immagine per gentile concessione di Omron Corp.)

Gli SSR sono dispositivi relativamente semplici, ma quando li si utilizza, in fase di progettazione occorre considerare l'ingresso, l'entità e il tipo di carico isolato, senza trascurare eventuali circostanze particolari.

Quando sceglie un SSR, il progettista deve conoscere il livello e il tipo di comando in ingresso (c.a. o c.c.) e le caratteristiche del carico, fra cui corrente massima, tensione massima e tipo (anche in questo caso, c.a. o c.c.). Sono disponibili degli SSR che possono essere comandati da pochi volt a decine di volt o più, anche se gli ingressi di tensione più bassi sono sempre più comuni e più compatibili con l'elettronica moderna sia per ragioni di sicurezza che di efficienza.

Se il driver di ingresso è in c.c., potrebbe pilotare direttamente il LED di ingresso SSR. Se invece è in c.a., il progettista deve aggiungere un raddrizzatore a ponte prima dell'SSR. È probabile che sia disponibile un SSR per il resto identico, con il bridge già integrato nell'unità. L'opzione del raddrizzamento interno spesso è una scelta saggia perché evita di dover risolvere complessi problemi di layout e anche perché assicura prestazioni di ingresso/uscita completamente specificate. La tipica sensibilità di ingresso per un SSR è di circa 6 mW.

A seconda della natura del carico, il lato di uscita dell'SSR è un po' più complesso di quello di ingresso. Se l'uscita dell'SSR è un semplice transistor, un FET, o un singolo SCR, può condurre in una sola direzione. Pertanto può essere usato solo con carichi in c.c., ad esempio con resistenze alimentate non da linea. Per i carichi in c.a., viene usata una coppia TRIAC o SCR. I fornitori di solito offrono SSR simili con uscite solo in c.c. o in c.a. In genere gli SSR con uscita in c.a. possono essere utilizzati anche per c.c. Le capacità nominali di uscita vanno da pochi volt o ampere a decine e centinaia di volt o ampere.

Opzioni SSR: contatti NA/NC e multipolo

L'SSR standard ha una configurazione di uscita singola normalmente aperta (NA). Esistono però molte applicazioni che richiedono il contrario, ovvero una configurazione normalmente chiusa (NC), in cui lo stadio di uscita si apre quando viene applicata alimentazione allo stadio di ingresso. Inoltre, vi sono progetti che richiedono contemporaneamente sia l'azione NA che quella NC, e addirittura una combinazione di un NA, un NC ed eventualmente anche altri poli di contatto.

Per soddisfare la necessità sia di più poli che di contatti NA e NC, si possono aggiungere circuiti di uscita personalizzati, ma questo approccio comporta almeno quattro problemi. Primo, spesso si tratta di uno scenario di alta tensione e/o alta corrente, quindi il progetto presenta molte sfide intrinseche. Secondo, deve rispettare ed essere approvato per i vari standard di sicurezza normativa. Terzo, applicarlo a un progetto non è esente da complicazioni. Quarto, verificare le prestazioni risultanti è un compito complesso.

In alternativa, gli utenti potrebbero invertire il segnale di ingresso tramite un piccolo circuito per evitare che l'SSR NA venga chiuso senza alcun segnale e venga aperto quando viene applicato un segnale di ingresso. Tuttavia, questo comporta potenziali problemi di sicurezza rispetto allo stato dell'uscita dell'SSR quando l'alimentazione sul lato di ingresso viene a meno, perché l'uscita del relè tornerà allo stato NA "nativo". Tenere presente che l'alimentazione in ingresso e quella in uscita di un SSR sono indipendenti dalla definizione dell'isolamento. Pertanto, il progettista potrebbe non essere in grado di garantire una modalità di uscita a sicurezza intrinseca.

In situazioni in cui serve più di un polo, è possibile pilotare più SSR in serie o in parallelo. Pur essendo una soluzione fattibile, richiede un'attenta valutazione della corrente e della tensione di pilotaggio necessarie, nonché delle conseguenze che avrebbe il guasto di uno dei dispositivi in una topologia in serie o in parallelo. L'uso di più SSR fa inoltre salire la distinta base e aumenta lo spazio su scheda.

Consapevoli di queste esigenze NA/NC e multipolo, i fornitori hanno aggiunto altri circuiti all'interno dell'SSR per offrire diverse configurazioni di uscita pienamente testate e certificate. Molti di questi SSR sono disponibili grazie a famiglie con specifiche simili fatta eccezione per quelle della configurazione di uscita, cosa che semplifica la scelta e l'utilizzo.

Ad esempio, IXYS Integrated Circuits Division offre tre SSR con prestazioni quasi identiche e isolamento in ingresso/uscita di 3.750 V_RMS ma con diverse strutture di uscita:

• LAA110 contiene due relè unipolari NA (1 Form A), ognuno dei quali è specificato per 350 V/120 mA (c.a. o c.c.) ed è disponibile in alloggiamenti piatti, SMT e DIP a 8 pin (Figura 3).

Figura 3: LAA110 di IXYS è un SSR di base a due canali con due ingressi indipendenti e le rispettive uscite NA. (Immagine per gentile concessione di IXYS)

• LCC110 ha una coppia di contatti NA/NC (1 Form C) pilotati da un singolo ingresso con gli stessi valori nominali e contenitori di LAA110 (Figura 4).

Figura 4: LCC110 di IXYS è un SSR di base a due canali con un singolo ingresso che controlla un polo di uscita NA e uno NC. (Immagine per gentile concessione di IXYS)

• LBA110 comprende due relè indipendenti: uno unipolare normalmente aperto (1 Form A) e uno unipolare normalmente chiuso (1 Form B), anche in questo caso con gli stessi valori nominali generali e le stesse opzioni di contenitore (Figura 5).

Figura 5: Appartiene alla famiglia anche LBA110 di IXYS, un SSR a due canali con ingressi separati per ogni polo di uscita NA e NC. (Immagine per gentile concessione di IXYS)

Per la maggior parte delle famiglie di SSR di potenza superiore è disponibile una serie di opzioni simile. Si potrebbe essere tentati di mettere semplicemente in parallelo più uscite SSR per ottenere il valore nominale richiesto nel caso in cui la bassa corrente nominale di un singolo SSR non fosse adeguata. In linea di massima, tuttavia, questa pratica ingegneristica è sconsigliata per vari motivi.

Prima di tutto, anche se gli SSR hanno gli stessi valori nominali il loro abbinamento non risulta perfetto. Quindi, un SSR potrebbe finire per gestire più corrente dell'altro, sollecitandolo oltre i suoi limiti termici e di corrente, con conseguenti guasti prematuri. In secondo luogo, se per una qualche ragione uno dei diversi SSR ha un guasto, gli altri si troverebbero a trasportare una quantità di corrente eccessiva e si guasterebbero presto in cascata. Per questi motivi, è meglio scegliere un singolo SSR con la corretta capacità nominale di uscita.

Protezione e limiti degli SSR

Sebbene gli SSR siano abbastanza robusti, in certe situazioni hanno bisogno di una protezione in più. Nel caso di SSR che commutano carichi in c.a. resistivi (non induttivi), come ad esempio i filamenti di lampadine a incandescenza, potrebbe essere necessario specificare che un SSR sincrono commuti l'uscita on/off solo a zero-crossing della linea a c.a., indipendentemente dalla temporizzazione del segnale di controllo dell'ingresso (Figura 6).

Figura 6: Un SSR sincrono è studiato per commutare la sua uscita solo a zero-crossing della linea a c.a. per ridurre al minimo la generazione di EMI: a) forme d'onda non sincrone dell'SSR per un carico resistivo; b) forme d'onda sincrone dell'SSR per un carico resistivo. (Immagine per gentile concessione di Crydom tramite Omega Engineering)

La commutazione solo a zero-crossing ridurrà al minimo o eliminerà il rumore della linea e quello irradiato derivante dall'avvio o dalla terminazione della forma d'onda all'uscita in c.a. a metà del ciclo. Tuttavia, i progettisti devono essere consapevoli che gli SSR zero-crossing potrebbero non essere in grado di spegnersi in presenza di carichi altamente induttivi. Per tenere conto di questa eventualità, i fornitori di SSR offrono anche i cosiddetti SSR a commutazione casuale che si accendono/spengono quando richiesto dalla transizione dell'ingresso. Anche in questo caso, il progettista deve conoscere il carico e scegliere l'SSR appropriato dal catalogo del fornitore.

Ci sono poi anche considerazioni termiche a causa delle perdite interne quando si utilizza un SSR. Anche quando l'uscita è on, vi è una caduta piccola ma critica attraverso l'elemento attivo, esattamente come avverrebbe ad esempio nel caso di un MOSFET che pilota un motore. Il calore risultante deve essere dissipato dall'SSR. Pertanto, i fornitori offrono SSR con specifiche che definiscono la temperatura di funzionamento consentita al carico massimo, oltre alle curve di riduzione delle prestazioni in funzione della temperatura. L'ambiente termico dell'SSR può essere modellato tramite strumenti standard. Gli SSR più grandi, in cui viene generato più calore, possono richiedere configurazioni più complesse per dissiparlo, mentre gli SSR più piccoli spesso possono utilizzare dissipatori di calore in CI standard.

Gli SSR per carichi maggiori con requisiti di dissipazione del calore più elevati hanno anche configurazioni fisiche proporzionalmente più grandi. Gli SSR sono disponibili in contenitori che vanno dai SOIC a 6 conduttori per i carichi più piccoli, a moduli di grandi dimensioni per i carichi più grandi, nonché in contenitori che possono essere indipendenti, montati a pannello oppure su guida.

Ad esempio, l'SSR LH1510 di Vishay, un dispositivo SPST-NA (1 Form A), è specificato per un massimo di 200 V a 200 mA ed è alloggiato in un contenitore SMT o DIP standard a 6 conduttori (Figura 7). Può essere utilizzato con carichi in c.a. o in c.c. (Figura 8). Malgrado le sue dimensioni ridotte, questo SSR offre valori nominali di isolamento di 5300 V_RMS continui e di 8000 V_RMS per picchi transitori.

Figura 7: L'SSR LH1510 di Vishay a bassa potenza è un dispositivo SPST-NA con tensione nominale di 200 V a 200 mA ed è disponibile sia in un contenitore con montaggio superficiale a 6 conduttori che in un alloggiamento DIP. (Immagine per gentile concessione di Vishay Semiconductor)

Figura 8: Dato il numero di conduttori del contenitore disponibili, LH1510 può essere configurato per i requisiti di uscita in c.a./c.c. o solo in c.c., ma con specifiche leggermente diverse per ogni modalità. (Immagine per gentile concessione di Vishay Semiconductor)

Per contro, la serie EL240A di SSR con uscita in c.a. montati a pannello di Crydom/Sensata Technologies supporta valori nominali di uscita di 5 A, 10 A, 20 A e 30 A a 24-280 V c.a., con opzioni per ingressi di controllo c.c. a 5, 12 e 24 V. Per questi valori di potenza, gli SSR sono disponibili in moduli più grandi di 36,6×21,1×14,3 mm con terminali a connessione rapida (Figura 9). Tenere presente che la dimensione fisica complessiva non è un'indicazione dell'isolamento in quanto questo modulo più grande ha un isolamento di 3.750 V_RMS, un po' meno del contenitore Vishay a 6 pin molto più piccolo.

Figura 9: La serie EL240A di SSR di Crydom/Sensata Technologies supporta correnti fino a 30 A e ingressi di controllo fino a 24 V c.c. (Immagine per gentile concessione di Crydom/Sensata Technologies)

Il carico della serie EL240A può essere collegato a qualsiasi terminale di uscita, il che offre flessibilità di progettazione (Figura 10). La maggiore dimensione di questi moduli consente al fornitore di aggiungere un indicatore LED (mostrato anche in Figura 10) per una rapida valutazione visiva dello stato dell'ingresso SSR.

Figura 10: Il carico può essere collegato a qualsiasi terminale di uscita della serie EL240A, il che offre una maggiore flessibilità di progettazione. (Immagine per gentile concessione di Crydom/Sensata Technologies)

Diamo uno sguardo anche fuori dall'SSR

Come con la maggior parte dei dispositivi che hanno a che fare con l'alimentazione, oltre alla potenza massima esterna, alla tensione, alla corrente e alla dissipazione termica ci sono altri problemi. Infatti, anche il cablaggio fisico, le barre di distribuzione o le tracce della scheda a circuiti stampati dell'SSR devono essere dimensionati per trasportare la corrente del carico senza una caduta ohmica eccessiva. Analogamente, tutte le connessioni all'SSR devono essere adeguatamente dimensionate e stimate, sia che avvengano tramite fili separati, prese o saldatura della scheda a circuiti stampati.

Anche a bassi livelli di corrente, l'SSR potrebbe commutare tensioni più elevate. In questa situazione, la preoccupazione è la sicurezza dell'utente, comprese la distanza minima in aria obbligatoria e la distanza di isolamento rispetto alla tensione (Figura 11). Questi requisiti sono definiti anche dagli standard IEC/UL 60950-1, IEC 60601-1, EN 60664-1:2007 e VDE 0110-1.

Figura 11: La distanza minima in aria (in alto) è il percorso più breve tra due parti conduttive, o tra una parte conduttiva e la superficie di delimitazione dell'apparecchiatura, misurata nell'aria. La distanza di isolamento superficiale (in basso) è il percorso più breve tra due parti conduttive, o tra una parte conduttiva e la superficie di delimitazione dell'apparecchiatura, misurata lungo la superficie dell'isolamento tra di esse. (Immagine per gentile concessione di Optimum Design)

La distanza minima in aria è il percorso più breve tra due parti conduttive, o tra una parte conduttiva e la superficie di delimitazione dell'apparecchiatura, misurata nell'aria. La distanza di isolamento superficiale è il percorso più breve tra due parti conduttive, o tra una parte conduttiva e la superficie di delimitazione dell'apparecchiatura, misurata lungo la superficie dell'isolamento tra di esse. La conformità ai requisiti di questi due parametri contribuisce a garantire che non vi siano scariche disruttive, scintillazione o esposizione dell'utente alle alte tensioni.

Anche se l'SSR può avere una capacità nominale idonea per garantire diverse migliaia di volt di isolamento, perché le tensioni usate siano certificate è importante che qualsiasi connessione con l'SSR mantenga la distanza richiesta.

Gli SSR potrebbero anche aver bisogno di una protezione esterna. Un SSR con carico in c.a. può rilevare picchi di alta tensione quando i suoi carichi induttivi o quelli vicini vengono spenti, e la sua struttura di uscita potrebbe venirne danneggiata. La soluzione più comune consiste nel mettere uno o più elementi di protezione come un varistore in ossido di metallo (MOV) o un soppressore di tensioni transitorie (TVS) fra i terminali di carico dell'SSR come clamp di tensione (Figura 12).

Figura 12: L'uscita dell'SSR che potrebbe richiedere una protezione esterna contro i picchi di tensione, ad esempio quelli generati dalla commutazione di carichi induttivi. Questa protezione può essere assicurata da un MOV o da TVS. (Immagine per gentile concessione di Phidgets, Inc.)

Il dimensionamento di questi dispositivi richiede l'analisi della grandezza v = L(di/dt) del carico. Se la tensione nominale del MOV è troppo alta, non proteggerà dai picchi più bassi che possono comunque causare danni. Per contro, se è troppo bassa, si attiverà spesso e i MOV si deteriorano e usurano in presenza di picchi di sovratensione ripetuti.

Inoltre, la commutazione on/off di un carico induttivo utilizzando un SSR in c.a. con un'uscita TRIAC o tiristore causerà un transitorio di tensione dV/dt che potrebbe portare all'accensione errata dell'SSR. Sebbene questa falsa accensione non provochi all'SSR gli stessi danni di un picco di tensione indotto da di/dt, costituisce comunque un problema. Per impedire che accada, viene aggiunto anche un circuito soppressore RC per sopprimere l'improvviso aumento della tensione rilevato dal TRIAC (Figura 13).

Figura 13: Un soppressore RC dell'uscita SSR impedisce la falsa attivazione dovuta ai carichi induttivi. (Immagine per gentile concessione di Omron Corp.)

La situazione degli SSR in c.c. è simile ma un po' più semplice. Se il carico è induttivo, il picco di corrente che genera quando viene spento può danneggiare l'uscita SSR che ora è aperta. La soluzione standard consiste nel collegare un diodo con il suo catodo sul terminale positivo per fornire un percorso attorno all'SSR affinché la corrente possa scorrere e disperdersi (la stessa tecnica viene utilizzata con le bobine di EMR e solenoidi).

Conclusione

I relè a stato solido sono componenti estremamente utili e potenti per la commutazione on/off di carichi in c.a. e in c.c. e per fornire contemporaneamente l'isolamento elettrico tra controllo e carico. Sono intrinsecamente robusti e semplici da applicare, ma i progettisti devono valutare attentamente l'ingresso, l'uscita, il carico e la situazione termica per scegliere un SSR appropriato e utilizzarlo per sfruttarne in modo affidabile le capacità.