Quali sono i parametri di progettazione più comuni da considerare nella scelta dei relè a stato solido?

Nella maggior parte degli impianti, i problemi dei relè a stato solido (SSR) derivano spesso dalla scelta impropria dei parametri di progettazione. I quattro parametri di progettazione importanti da considerare nella scelta di un SSR sono la gestione termica, la selezione del tipo di commutazione, l'interpretazione della corrente nominale e la protezione dalle sovratensioni. Questo articolo approfondisce questi quattro parametri e spiega come i prodotti SSR di Littelfuse e le loro varianti contribuiscono a raggiungerli in modo ottimale. Per concludere, l'articolo dimostra la resistenza superiore un SSR di Littelfuse attraverso una serie di test.

Tipi di commutazione SSR per diverse applicazioni di carico

I sistemi di riscaldamento a volte possono creare interferenze elettromagnetiche inaspettate, con conseguente mancato superamento dei test di conformità. Le applicazioni di controllo motori hanno talvolta tempi di risposta lenti. Entrambi i problemi risalgono spesso a una causa comune e semplice: gli ingegneri hanno scelto il tipo di commutazione SSR sbagliato per l'applicazione.

Diversi tipi di carichi elettrici richiedono approcci di commutazione diversi. I carichi resistivi, come gli elementi riscaldanti, funzionano in modo ottimale quando la corrente elettrica inizia a scorrere gradualmente da zero. Questo approccio previene i transitori di tensione e il rumore elettromagnetico.

I carichi induttivi, come i motori, sono diversi. I motori richiedono una risposta di commutazione tempestiva, indipendentemente dalla posizione della forma d'onda c.a. Ciò è dovuto alla relazione di fase intrinseca tra corrente e tensione nei motori, una caratteristica dei circuiti induttivi.

Le caratteristiche elettriche di questi diversi carichi creano requisiti di commutazione completamente diversi. L'utilizzo del tipo di commutazione sbagliato può causare i problemi che gli ingegneri spesso riscontrano nei sistemi. La Figura 1 illustra il fenomeno dell'accensione zero-crossing e dell'accensione casuale, adatte rispettivamente per carichi resistivi e induttivi.

Figura 1: Forme d'onda di tensione che mostrano i tempi di conduzione (aree verdi) per diverse modalità di commutazione. La commutazione zero-crossing riduce al minimo i transitori, mentre la commutazione istantanea fornisce una risposta immediata per le applicazioni critiche dal punto di vista temporale. (Immagine per gentile concessione di Littelfuse)

Questa discrepanza porta a diversi problemi. I transitori di tensione danneggiano i componenti elettronici sensibili e le interferenze elettromagnetiche richiedono interventi di riprogettazioni costosi a causa dei problemi di conformità. La durata prevista delle apparecchiature si riduce notevolmente e le prestazioni del sistema diventano imprevedibili.

La maggior parte dei produttori di SSR non aiuta a risolvere questo problema, poiché offrono opzioni di commutazione generiche e limitate indicazioni applicative. Ciò significa che gli ingegneri devono capire da soli la compatibilità di carichi complessi e finiscono per procedere per tentativi al fine di trovare ciò che funziona. Ciò causa ritardi nei progetti e fa lievitare i costi.

Littelfuse offre una tecnologia di commutazione adattata alle applicazioni finali e progettata specificamente per le caratteristiche del carico utilizzando i semiconduttori di IXYS e la tecnologia di incollaggio diretto. I modelli a commutazione zero-crossing come SRP1-CBAZH-050NW-N e SRP1-CRAZH-050TC-N eliminano i transitori elettrici commutando con precisione ai punti di intercetta zero della tensione c.a. Questi modelli sono adatti per il controllo di impianti di riscaldamento fino a 24 kW a 600 V c.a. con interferenze elettromagnetiche minime.

Figura 2: Da sinistra a destra, gli SSR SRP1-CR, SRP1-CB e SRP1-CB...F di Littelfuse. (Immagine per gentile concessione di Littelfuse)

Per le applicazioni a motore e induttive che richiedono una risposta immediata, i modelli a commutazione istantanea, tra cui SRP1-CBARH-050NW-N e SRP1-CRARH-050TC-N, si attivano immediatamente alla ricezione del segnale di controllo. Gestiscono le caratteristiche più impegnative di avviamento dei motori per l'automazione industriale ad alta potenza. Questo approccio ingegneristico specifico per l'applicazione garantisce prestazioni affidabili fin dalla prima installazione. La Figura 2 mostra le diverse varianti degli SSR di Littelfuse.

Linee guida per la corrente nominale e margini di sicurezza

Perché gli ingegneri sottodimensionano sempre gli SSR pur attenendosi alle schede tecniche del produttore? Esiste una discrepanza tra le specifiche di laboratorio e le condizioni di funzionamento reali.

Le correnti nominali sembrano semplici inizialmente, tuttavia gli ingegneri scoprono presto dei problemi. Gli elementi di riscaldamento assorbono 1,4 volte la loro corrente nominale durante l'innesco a freddo e le temperature ambiente possono superare la base nominale di +40 °C. Questo scenario richiede un declassamento notevole. Inoltre, un dimensionamento inadeguato dei fili riduce ulteriormente la capacità di corrente. Questi fattori creano un ambiente complesso per le specifiche. I componenti sottodimensionati si guastano prematuramente. Le unità sovradimensionate comportano uno spreco di denaro e di spazio sul pannello.

La maggior parte dei fornitori di SSR aggrava il problema fornendo valori di corrente nominale di base con un contesto applicativo minimo. Gli ingegneri leggono i numeri nelle schede tecniche senza conoscere le ipotesi di funzionamento, i margini di sicurezza o i fattori di declassamento reali. Questo costringe i più a ricorrere a costose iterazioni per tentativi, che ritardano i progetti e spesso causano guasti ai componenti che si sarebbero potuti evitare con indicazioni adeguate fin dall'inizio.

Figura 3: Le linee guida di progettazione degli SSR di Littelfuse indicano un fattore di declassamento del 20% per le applicazioni di riscaldamento. I valori di potenza rappresentano la potenza massima sicura del riscaldatore per ciascun valore nominale del relè a stato solido a tensioni c.a. standard. (Immagine per gentile concessione di Littelfuse)

Littelfuse fornisce indicazioni dettagliate sulla corrente nominale (Figura 3) con specifiche chiare che eliminano le congetture.

• I modelli da 10 A, come SRP1-CRAZL-010TC-N, gestiscono in modo sicuro correnti di riscaldamento da 8 A, per applicazioni da 960 W a 4,8 kW e forniscono una protezione integrata con soppressore di tensioni transitorie (TVS) per gli ambienti elettrici.
• Le versioni da 25 A, come il modello SRP1-CBAZL-025NW-N, gestiscono carichi da 20 A a supporto di sistemi da 2,4 kW a 12,0 kW con commutazione zero-crossing per applicazioni di riscaldamento.
• Le unità da 50 A controllano applicazioni da 40 A e alimentano apparecchiature da 4,8 kW a 24,0 kW.

Ogni specifica include fattori di utilizzazione conservativi del 75-80% e dati dettagliati sul declassamento della temperatura, che dimostrano come una gestione intelligente delle sollecitazioni termiche ed elettriche porti a una maggiore durata.

Protezione dai picchi di tensione e dai transitori elettrici

I transitori elettrici si verificano frequentemente negli ambienti industriali. Questi casi includono le sovratensioni indotte dai fulmini lungo le linee elettriche e la generazione di f.c.e.m. durante la commutazione dei motori. Anche i disturbi della rete elettrica creano picchi di tensione superiori a 1200 V. Sebbene ogni evento possa durare solo pochi microsecondi, può danneggiare gli SSR e le altre apparecchiature collegate. Nel tempo, il danno cumulativo di molti piccoli transitori può guastare i componenti, portando a un arresto totale della produzione.

L'approccio convenzionale richiede dispositivi di protezione dalle sovratensioni esterni, che richiedono uno spazio aggiuntivo nel quadro elettrico, cablaggi complessi e un attento coordinamento tra più livelli di protezione. Molti fornitori di SSR offrono unità di base senza protezione integrata, costringendo i tecnici a progettare sistemi di soppressione delle sovratensioni separati. Tuttavia, i protettori esterni introducono punti di guasto dovuti a connessioni aggiuntive e potrebbero non rispondere abbastanza rapidamente a causa dell'induttanza parassita e dei ritardi di risposta.

Figura 4: Blocchi funzionali interni che mostrano la configurazione dell'uscita con isolamento dell'optoaccoppiatore, controllo della temporizzazione di intervento (zero-crossing o istantaneo) e tiristore antiparalleli per la commutazione bidirezionale c.a. (Immagine per gentile concessione di Littelfuse)

Littelfuse offre la protezione integrata con la serie SRP1-CR, che incorpora diodi TVS serie SMBJ direttamente nell'alloggiamento dell'SSR. La Figura 4 illustra i blocchi funzionali interni che mostrano l'isolamento dell'optoaccoppiatore e il controllo della temporizzazione di intervento che offrono questo approccio di protezione integrato. Questa protezione a livello di componente risponde in pochi nanosecondi, bloccando i picchi di tensione tra 900-1200 V_PK prima che si verifichino danni.

Modelli come SRP1-CRAZH-050TC-N per gli impianti di riscaldamento e SRP1-CRARH-050TC-N per il controllo motori offrono una protezione integrata dalle sovratensioni ottimizzata per applicazioni specifiche. Sono ideali per gli ambienti elettrici difficili con azionamenti a frequenza variabile, dove i transitori della f.c.e.m. sono una minaccia tipica.

Il design integrato elimina i componenti esterni e fornisce la protezione esattamente dove è necessaria nel circuito. Questo approccio dimostra una maggiore affidabilità rispetto alle alternative non protette, fornendo una protezione completa contro i transitori elettrici.

Soluzioni per la dissipazione del calore e il controllo della temperatura

Mentre la maggior parte degli ingegneri si concentra sulle specifiche elettriche, è la progettazione termica che determina la durata effettiva degli SSR. La generazione di calore durante il funzionamento sembra gestibile finché le temperature di giunzione non superano i limiti di sicurezza. Il deterioramento dei semiconduttori inizia silenziosamente, causando prestazioni incoerenti.

La sfida inizia in piccolo, quando la maggior parte delle applicazioni funziona al di sopra della soglia standard di +40 °C, richiedendo un declassamento della corrente che le specifiche menzionano ma non sottolineano. Si aggiungano a ciò le incongruenze dell'interfaccia termica dovute a un'applicazione sui generis della pasta, a un dimensionamento inadeguato del dissipatore e a un flusso d'aria ambientale insufficiente e il gioco è fatto. Quello che sembra essere un semplice compito di gestione termica diventa una sfida ingegneristica complessa con implicazioni significative sui costi.

Littelfuse offre una gestione termica integrata con la serie SRP1, che incorpora ogni aspetto del controllo termico in una soluzione completa. Le piazzole termiche premontate eliminano le variabili di installazione e garantiscono un trasferimento di calore costante senza l'uso di composti amorfi. La tecnologia dei semiconduttori di IXYS e la tecnologia di incollaggio diretto offrono caratteristiche di dissipazione del calore migliori rispetto ai componenti standard. Le curve di declassamento termico dettagliate portano a una selezione precisa del dissipatore adatto per qualsiasi condizione operativa.

Figura 5: Limiti della corrente di carico in base alla temperatura ambiente e alla resistenza termica del dissipatore (°C/W). Essenziale per prevenire i guasti termici nelle applicazioni industriali ad alta temperatura. (Immagine per gentile concessione di Littelfuse)

La Figura 5 illustra la curva della corrente di carico rispetto alla temperatura ambiente in diversi scenari termici. I modelli da 50 A, come SRP1-CBAZH-050NW-N e SRP1-CRAZH-050TC-N, mantengono la capacità di corrente totale fino a +50 °C con un dissipatore adeguato da 0,7 °C/W. Forniscono comunque una capacità di 35 A con una dissipazione di 1,5 °C/W a +40 °C ambiente. Questo li rende adatti ad applicazioni come il controllo di riscaldatori in ambienti industriali ad alta temperatura.

Risultati dei test e dati di convalida delle prestazioni

Test comparativi indipendenti convalidano le prestazioni dichiarate da Littelfuse. Sottoposta a un identico test di durata di 750.000 cicli a due volte la corrente nominale, la serie SRP1 di Littelfuse ha superato di gran lunga i tre concorrenti principali (Figura 6). Mentre le unità di Littelfuse hanno completato l'intero ciclo di prova, i concorrenti hanno fallito rispettivamente a 200.000, 130.000 e 60.000 cicli. Il concorrente 3 ha subito esplosioni catastrofiche del semiconduttore, che hanno comportato rischi per la sicurezza.

Figura 6: Confronto visivo del danno interno dell'SSR dopo il test di resistenza, senza la copertura superiore e con le modalità di guasto dettagliate. (Immagine per gentile concessione di Littelfuse)

L'analisi postuma ha rivelato danni da fatica termica nelle unità della concorrenza, dimostrando l'efficacia della tecnologia dei semiconduttori di IXYS/Littelfuse, della tecnologia di incollaggio diretto e della gestione termica. Questa convalida nel mondo reale dimostra che l'approccio integrato a quattro pilastri di Littelfuse garantisce un miglioramento misurabile dell'affidabilità. Il risultato è che la serie SRP1 è la scelta ideale per le applicazioni industriali critiche e soddisfa gli standard di conformità cЯUus, CE e RoHS.

Conclusione

Gli SSR serie SRP1 di Littelfuse affrontano le quattro sfide ingegneristiche che portano ai guasti dei relè a stato solido industriali. I tipi di commutazione adattati all'applicazione eliminano le interferenze elettromagnetiche, mentre i margini di sicurezza conservativi prevengono i guasti da sottodimensionamento. La protezione dalle sovratensioni integrata gestisce i transitori elettrici, mentre l'avanzata gestione termica ne prolunga la durata. I test nel mondo reale hanno convalidato le loro prestazioni superiori, raggiungendo 750.000 cicli rispetto ai guasti dei concorrenti a 200.000 cicli o meno. Questo approccio ingegneristico garantisce un funzionamento affidabile dall'installazione per molti anni di servizio industriale impegnativo.