W automatyce przemysłowej stabilne zasilanie nie kończy się na doprowadzeniu odpowiedniego napięcia do szafy sterowniczej. Równie ważny jest sposób, w jaki zasilane i odłączane są poszczególne odbiorniki. Grzałki, elektrozawory, silniki, oświetlenie czy inne elementy wykonawcze mogą generować udary prądowe, zakłócenia i dodatkowe obciążenie układu. W takich aplikacjach coraz częściej stosuje się przekaźniki półprzewodnikowe SSR (Solid State Relay).

SSR pozwala przełączać obwód mocy za pomocą sygnału sterującego bez stosowania mechanicznych styków. Dzięki temu sterownik PLC może bezpośrednio sterować obciążeniem, a sama komutacja odbywa się elektronicznie – szybko, cicho i bez zużywania elementów mechanicznych.

Sterowanie obciążeniem bez mechanicznych styków z wykorzystaniem SSR

Typowy SSR składa się z obwodu wejściowego, układu izolacji galwanicznej oraz półprzewodnikowego elementu wykonawczego. Sygnał sterujący, np. 24 V DC z wyjścia PLC, uruchamia układ wejściowy, a ten za pośrednictwem optoizolacji steruje elementem przełączającym po stronie obciążenia.

W zależności od zastosowania SSR może przełączać obwody AC lub DC. W przypadku prądu przemiennego stosowane są przede wszystkim triaki i tyrystory, natomiast do obwodów stałoprądowych wykorzystuje się odpowiednie tranzystory, m.in. MOSFET lub IGBT.

Takie rozwiązanie pozwala oddzielić obwód sterowania od obwodu mocy, co jest szczególnie istotne w automatyce. Sterownik może pracować na niskim napięciu, podczas gdy SSR steruje obciążeniem zasilanym z wyższego napięcia.

Rozruch obciążenia – tu zaczyna się problem w układach automatyki

Przy doborze elementu przełączającego nie wystarczy sprawdzić napięcia znamionowego i prądu roboczego odbiornika. Szczególnie istotny jest charakter obciążenia i jego zachowanie w chwili załączenia.

Niektóre odbiorniki w momencie uruchomienia pobierają znacznie większy prąd niż podczas normalnej pracy. Dotyczy to m.in. obciążeń pojemnościowych, transformatorów, niektórych źródeł światła czy silników. Jeżeli element przełączający zostanie dobrany wyłącznie na podstawie prądu znamionowego odbiornika, może okazać się niewystarczający w warunkach rozruchowych.

W przypadku obciążeń AC istotny jest również moment, w którym następuje załączenie. W SSR dostępne są rozwiązania z załączaniem natychmiastowym oraz układy typu Zero Crossing, które załączają obciążenie w pobliżu przejścia napięcia przez zero.

Właściwie dobrane załączanie w zerze może ograniczyć prąd udarowy i poziom zakłóceń generowanych podczas przełączania. Jest to szczególnie korzystne w aplikacjach, w których wiele odbiorników jest cyklicznie załączanych i wyłączanych.

Nie oznacza to jednak, że Zero Crossing jest najlepszym rozwiązaniem w każdej aplikacji. Wybór powinien wynikać z charakteru konkretnego obciążenia i sposobu jego sterowania.

Przekaźniki SSR a stabilność zasilania

W układach automatyki częste przełączanie obciążeń może wpływać na warunki pracy całej instalacji. Duże i gwałtowne zmiany poboru prądu mogą powodować zakłócenia, spadki napięcia oraz niepożądane oddziaływanie na pozostałe elementy systemu.

Zastosowanie SSR pozwala kontrolować sposób załączania odbiorników i ograniczać część niekorzystnych zjawisk związanych z komutacją. Szczególnie ważne jest to w układach, w których kilka odbiorników jest sterowanych cyklicznie przez jeden system automatyki.

SSR nie jest oczywiście urządzeniem stabilizującym napięcie sieci ani zabezpieczeniem przed jego wahaniami. Może jednak być istotnym elementem poprawnie zaprojektowanego toru zasilania i sterowania obciążeniem.

Najważniejszy parametr, o którym łatwo zapomnieć – temperatura i chłodzenie

Półprzewodnikowe przełączanie ma jednak swoją cenę. W stanie przewodzenia na elemencie SSR występuje spadek napięcia, który przy dużym prądzie oznacza realne straty mocy.

Jeżeli przez przekaźnik płynie 20 A, a na elemencie wykonawczym występuje spadek napięcia 1 V, w postaci ciepła wydzielane jest około 20 W. Ta energia musi zostać odprowadzona.

Dlatego maksymalny prąd podany w katalogu nie powinien być traktowany jako wartość możliwa do uzyskania niezależnie od warunków pracy. Rzeczywista obciążalność SSR zależy m.in. od temperatury otoczenia, sposobu montażu, czasu pracy oraz możliwości odprowadzania ciepła.

W aplikacjach dużej mocy konieczne może być zastosowanie radiatora. Ważne są również odstępy pomiędzy sąsiadującymi modułami. W zamkniętej szafie sterowniczej kilka SSR pracujących jednocześnie może wytwarzać znaczną ilość ciepła, wpływając na temperaturę całego układu.

Prawidłowe chłodzenie nie jest więc dodatkiem do projektu. Jest jednym z warunków uzyskania deklarowanej obciążalności i trwałości przekaźnika.

 

Prąd upływu – obciążenie może być „wyłączone”, ale nadal pod napięciem

Kolejną właściwością SSR, którą trzeba uwzględnić przy projektowaniu toru zasilania, jest prąd upływu.

W stanie wyłączenia półprzewodnikowy element wykonawczy nie tworzy takiej samej fizycznej przerwy jak styk mechaniczny. Przez SSR może nadal płynąć niewielki prąd.

W przypadku dużych obciążeń wartość ta może sięgać kilku miliamperów. Dla większości odbiorników nie będzie miało to praktycznego znaczenia, jednak przy urządzeniach elektronicznych, czułych wejściach sterowników czy małych obciążeniach może prowadzić do niepożądanego zachowania.

Dlatego przed zastosowaniem SSR należy sprawdzić nie tylko maksymalny prąd obciążenia, ale również prąd upływu konkretnego modelu.

Zasilanie AC i DC – nie każdy SSR można zastosować wszędzie

Jednym z podstawowych błędów przy projektowaniu jest traktowanie wszystkich SSR jako urządzeń uniwersalnych.

Przekaźnik przeznaczony do przełączania AC nie powinien być stosowany do obwodu DC. Elementy takie jak triaki czy tyrystory, stosowane w SSR AC, wykorzystują właściwości przebiegu przemiennego i mogą nie wyłączyć prądu stałego w sposób wymagany przez aplikację.

Dlatego dobór powinien zawsze rozpoczynać się od określenia:

• rodzaju napięcia – AC lub DC,
• napięcia obciążenia,
• prądu roboczego,
• spodziewanego prądu rozruchowego,
• rodzaju obciążenia,
• częstotliwości przełączania,
• temperatury otoczenia,
• sposobu odprowadzania ciepła.

Dopiero zestawienie tych parametrów pozwala właściwie dobrać SSR.

Gdzie przekaźniki półprzewodnikowe SSR dają największą przewagę?

Szczególnie dobrym przykładem są układy grzewcze. W regulatorze temperatury element wykonawczy może być przełączany bardzo często. Zastosowanie przekaźnika elektromechanicznego oznaczałoby tysiące cykli pracy styków. SSR eliminuje mechaniczne zużycie i pozwala realizować częste przełączanie praktycznie bezgłośnie.

Podobne korzyści można uzyskać w innych aplikacjach automatyki, w których odbiorniki są cyklicznie załączane i wyłączane, a trwałość mechanicznego elementu przełączającego mogłaby stać się ograniczeniem.

W przypadku układów wielofazowych interesującym rozwiązaniem są również dwufazowe SSR, takie jak modele serii 77 firmy Finder. Umożliwiają one przełączanie dwóch faz i mogą uprościć konstrukcję układu oraz ograniczyć liczbę elementów w szafie.

 

SSR jako bezpieczny element toru zasilania

Przekaźnik półprzewodnikowy nie zastępuje zabezpieczeń, aparatury ochronnej ani urządzeń odpowiedzialnych za stabilizację parametrów sieci. Jest elementem wykonawczym, którego zadaniem jest kontrolowane przełączanie obciążenia.

Jego właściwy dobór może jednak mieć bezpośredni wpływ na niezawodność całego toru zasilania. W praktyce oznacza to konieczność spojrzenia na SSR nie jako na pojedynczy komponent o określonym prądzie znamionowym, ale jako część całego układu: źródło zasilania → zabezpieczenie → element przełączający → obciążenie.

W takim ujęciu znaczenie mają nie tylko napięcie i prąd, ale również charakter obciążenia, warunki rozruchowe, sposób komutacji, temperatura i wymagania dotyczące chłodzenia.

Dobrze dobrany SSR pozwala więc nie tylko często przełączać obciążenie. Może również pomóc zaprojektować bardziej trwały, przewidywalny i stabilny układ zasilania automatyki – pod warunkiem, że jego parametry zostaną dobrane do rzeczywistych warunków pracy, a nie wyłącznie do wartości zapisanych na tabliczce znamionowej odbiornika.

FINDER Polska Sp. z o.o.
ul. Logistyczna 27
62-080 Sady
finder.pl@findernet.com