I relè allo stato solido consentono di ottenere alta affidabilità, commutazione veloce e basse EMI nell'automazione di fabbrica

Per evitare costosi tempi di inattività, la diagnostica avanzata e la manutenzione predittiva sono sempre più utilizzate nell'automazione di fabbrica in settori quali la produzione di alimenti e bevande, l'assemblaggio automatizzato e altri sistemi di lavorazione continua, nonché macchinari HVAC, di purificazione dell'acqua e di generazione di energia. I relè affidabili per la commutazione sono fondamentali per questi processi industriali automatizzati. Devono essere in grado di commutare rapidamente, di funzionare in modo continuo in condizioni difficili con un'usura minima dei contatti e senza causare interferenze elettromagnetiche (EMI) che possono influenzare i sensori e i controlli wireless.

I relè allo stato solido (SSR) soddisfano le esigenze di commutazione dell'automazione di fabbrica utilizzando una tecnologia innovativa che migliora l'affidabilità e la durata per assicurare prestazioni costanti anche in ambienti difficili.

Questo articolo illustra brevemente i requisiti di commutazione dell'automazione di fabbrica. Presenta quindi esempi di SSR di Littelfuse e mostra come possono essere utilizzati per soddisfare tali requisiti.

Definire e soddisfare i requisiti di commutazione per l'automazione di fabbrica

Le esigenze di commutazione per l'automazione di fabbrica includono affidabilità a costi contenuti, tempi di azionamento rapidi senza rimbalzi di contatto o archi elettrici, livelli minimi di EMI che possano influenzare i circuiti vicini o i sensori e le reti wireless sempre più utilizzati nelle fabbriche, nonché un'elevata tolleranza alle vibrazioni e agli urti meccanici.

Per soddisfare questi requisiti, gli SSR utilizzano dispositivi a semiconduttore per eseguire le operazioni di commutazione. Possono essere azionati da tensioni c.a. o c.c., con modelli distinti per ciascun tipo di eccitazione (Figura 1).

Figura 1: Questi diagrammi a blocchi funzionali degli SSR mostrano i componenti critici dei modelli azionati in c.c. (in alto) e in c.a. (in basso). (Immagine per gentile concessione di Littelfuse, Inc.)

Gli SSR azionati in corrente continua (in alto) regolano la tensione applicata. Gli SSR azionati in corrente alternata (in basso) utilizzano un raddrizzatore a ponte a onda intera per convertire il segnale di eccitazione in corrente continua. Entrambi i tipi di SSR assicurano l'isolamento ottico del segnale di comando dall'uscita. L'elemento attivo di questi SSR è una coppia di raddrizzatori controllati al silicio (SCR). Questi SSR includono una protezione da sovratensione con un diodo di soppressione delle tensioni transitorie (TVS) collegato tra i gate degli SCR per salvaguardare l'SSR e prevenire variazioni di stato impreviste in presenza di transitori elettrici sulla rete.

La risposta di commutazione sfrutta i tempi di commutazione rapidi dei dispositivi a semiconduttore ed è controllata dal circuito di trigger. La commutazione può avvenire a zero-crossing della tensione di uscita dopo l'applicazione del segnale di comando o in modo casuale (istantaneo) con il segnale di comando (Figura 2).

Figura 2: La caratteristica di commutazione viene selezionata in base all'applicazione prevista dell'SSR. (Immagine per gentile concessione di Littelfuse, Inc.)

L'attivazione a zero-crossing viene utilizzata per le applicazioni con alte correnti, come i riscaldatori industriali, dove riduce al minimo le correnti di inserzione. L'attivazione istantanea viene utilizzata quando la commutazione deve avvenire ad alta frequenza. La commutazione istantanea consente di ottenere la massima frequenza di commutazione possibile.

Esempi di SSR

Per soddisfare l'esigenza di relè di commutazione di potenza più affidabili e duraturi nelle applicazioni di macchine industriali e commerciali, Littelfuse Inc. ha progettato la famiglia SRP1 di SSR ad alta resistenza. È disponibile in due linee di modelli: l'SSR base ad alta resistenza SRP1-CB e l'SSR all-in-one ad alta resistenza SRP1-CR Touch-Safe (sicuro al tatto) e con protezione da sovratensione (Figura 3, a sinistra e al centro).

Figura 3: Sono raffigurati l'SSR base SRP1-CB (a sinistra), l'SSR SRP1-CR Touch-Safe (al centro) e i terminali alternativi a connessione rapida di SRP1-CB...F (a destra). (Immagine per gentile concessione di Littelfuse, Inc.)

Littelfuse ha progettato semiconduttori proprietari per ridurre al minimo il deterioramento dei componenti dovuto al calore e assicurare prestazioni ottimali in condizioni difficili. Entrambe le linee di modelli offrono unità con azionamento in c.a. o c.c. e correnti di uscita nominali di 10 A, 25 A e 50 A in uno dei due intervalli di tensione di uscita, da 24 V_c.a. a 240 V_c.a. o da 48 V_c.a. a 600 V_c.a.. I modelli si differenziano per il fatto che il modello SRP1-CR include caratteristiche di protezione e installazione integrate, come un coperchio con protezione per le dita IP20, un diodo TVS di protezione dalle sovratensioni e una piazzola termica preassemblata. La versione SRP1-CB...F (Figura 3, a destra) è dotata inoltre di terminali a connessione rapida.

I relè sono dispositivi unipolari a una via (SPST) cablati in serie con il carico di uscita (Figura 4).

Figura 4: Gli SSR SRP1 sono cablati in serie con il carico di uscita; l'ingresso è pilotato da un segnale di comando in c.a. o c.c., a seconda del modello. (Immagine per gentile concessione di Littelfuse, Inc.)

Gli SSR richiedono un dissipatore di calore per funzionare ai valori nominali specificati. Entrambi i modelli di Littelfuse utilizzano la più recente tecnologia di incollaggio diretto per assicurare la massima affidabilità e longevità del prodotto. I relè SRP1-CR incorporano una piazzola termica per l'efficiente dissipazione del calore senza richiedere un composto termico, consentendo un'installazione pulita e semplice. I diagrammi di riduzione della potenza termica (Figura 5) mostrano la corrente di uscita massima che può essere supportata per varie temperature ambiente e dissipatori con varie resistenze termiche.

Figura 5: Sono mostrate le curve di riduzione delle prestazioni degli SSR serie SRP1-CR per varie temperature ambiente e vari dissipatori di calore. (Immagine per gentile concessione di Littelfuse, Inc.)

La resistenza termica è specificata in ˚C per watt (°C/W). Un dissipatore di calore da 10 °C/W si riscalda di 10 °C in più rispetto all'aria circostante per ogni 1 W di calore che dissipa. I dissipatori con una resistenza termica inferiore sono più efficienti di quelli con una resistenza termica superiore e, quindi, raffreddano meglio.

Gli SSR SRP1 sono certificati per la conformità a vari standard in materia di salute, sicurezza, ambiente, compatibilità elettromagnetica e immunità elettrostatica, quali UL, CAN/CSA, IEC, CISPR, RoHS e REACH. Si adattano perfettamente alle applicazioni di controllo del movimento e riscaldamento nell'automazione industriale. Funzionano bene anche nell'industria della trasformazione alimentare, per il controllo di forni industriali, apparecchiature di confezionamento e sistemi a nastro trasportatore. I sistemi di riscaldamento, ventilazione e condizionamento dell'aria utilizzano questi relè per le unità di trattamento aria e i compressori, così come i sistemi di illuminazione su larga scala. Tutte queste applicazioni richiedono prestazioni superiori e altissima affidabilità e la serie SRP1 dispone di opzioni per soddisfare vari requisiti di corrente, tensione, tempo di risposta e commutazione.

Ad esempio, il modello SRP1-CBAZL-050NW-N è un SSR da 50 A con uscita da 24 V_c.a. a 240 V_c.a.. Accetta una tensione di ingresso compresa tra 90 V_c.a. e 280 V_c.a. e commuta a zero-crossing della tensione di uscita. Offre una resistenza massima nello stato On di 6,3 mΩ, che si traduce in una caduta di appena 0,3 V attraverso il relè alla massima corrente. La caduta di tensione massima nominale è di 1,3 V. Il relè si attiva in meno di 20 ms, compreso il tempo di attesa per zero-crossing, e si disattiva in meno di 30 ms.

Il modello SRP1-CBDZL-010NF-N è un esempio di SSR azionato in c.c.. Ha una corrente di uscita nominale di 10 A con un intervallo di tensione di uscita da 24 V_c.a. a 240 V_c.a.. L'intervallo di tensione di ingresso è compreso tra 4 V_c.c. e 32 V_c.c. Inoltre, commuta a zero-crossing della tensione di uscita e presenta la stessa resistenza nello stato On massima di 6,3 mΩ. Si differenzia dai relè SRP1-CB standard per la presenza di terminali a connessione rapida. Il suo tempo di attivazione è pari alla metà del ciclo della forma d'onda di uscita.

Il modello SRP1-CRARH-025TC-N è la versione sicura al tatto (Touch-Safe) della serie SRP1 e ha una corrente di uscita di 25 A. Questo modello è azionato in c.a. con una tensione di ingresso compresa tra 90 V_c.a. e 280 V_c.a.. Si differenzia dagli altri modelli perché ha una risposta di commutazione istantanea e utilizza un'alta tensione di uscita da 48 V_c.a. a 600 V_c.a.. Il tempo di attivazione del relè è inferiore a 20 ms e il tempo di disattivazione è inferiore a 30 ms.

Il tempo di risposta più rapido si ottiene utilizzando un relè con un ingresso c.c. e una risposta di commutazione istantanea. Un esempio è il modello SRP1-CRDRL-010TC-N. Questo SSR ha una corrente di uscita nominale di 10 A con una tensione di uscita da 24 V_c.a. a 240 V_c.a.. L'intervallo di tensione di ingresso è compreso tra 4 V_c.c. e 32 V_c.c. Il tempo di attivazione è di 20 µs e il tempo di disattivazione è inferiore alla metà del ciclo della forma d'onda di uscita, il che lo rende uno dei relè con i tempi di ciclo più rapidi.

Conclusione

Per soddisfare le esigenze dell'automazione di fabbrica in termini di prestazioni di commutazione, affidabilità e standard internazionali, i progettisti possono affidarsi agli SSR della serie SRP1. Questa serie utilizza i progressi della tecnologia dei semiconduttori per ottenere lunga durata, alta velocità di commutazione e livelli minimi di EMI in un ampio intervallo di correnti di uscita e opzioni di controllo in ingresso.