在工廠自動(dòng)化中使用固態(tài)繼電器，實(shí)現(xiàn)高可靠性、快速開關(guān)和低 EMI

作者：Art Pini

投稿人：DigiKey 北美編輯

為了避免成本昂貴的停機(jī)時(shí)間，先進(jìn)的診斷技術(shù)和預(yù)見(jiàn)性維護(hù)越來(lái)越多地應(yīng)用于許多行業(yè)的工廠自動(dòng)化過(guò)程中，如食品飲料生產(chǎn)、自動(dòng)化裝配和其他連續(xù)加工系統(tǒng)，以及暖通空調(diào)、水凈化和發(fā)電設(shè)備等。可靠的開關(guān)繼電器是這些自動(dòng)化工業(yè)過(guò)程中至關(guān)重要的設(shè)備。這類繼電器必須能夠快速切換，在極具挑戰(zhàn)性的條件下持續(xù)運(yùn)行，同時(shí)最大限度地減小觸頭磨損，且不會(huì)產(chǎn)生影響無(wú)線傳感器和控制裝置的電磁干擾 (EMI)。

固態(tài)繼電器 (SSR) 采用創(chuàng)新技術(shù)，提高了可靠性和耐用性，可確保即使在惡劣環(huán)境中也能保持穩(wěn)定的性能，從而滿足工廠自動(dòng)化的開關(guān)要求。

本文簡(jiǎn)要討論工廠自動(dòng)化的開關(guān)要求。然后，以 [Littelfuse] SSR 產(chǎn)品為例展開介紹，并說(shuō)明如何使用該設(shè)備來(lái)滿足這些要求。

定義并滿足工廠自動(dòng)化的開關(guān)要求

工廠自動(dòng)化對(duì)開關(guān)的要求包括：以低成本實(shí)現(xiàn)可靠性、無(wú)觸點(diǎn)顫動(dòng)或電弧的快速動(dòng)作時(shí)間、將影響附近電路或工廠中越來(lái)越多無(wú)線傳感器和網(wǎng)絡(luò)的電磁干擾將至最小，以及能夠很好的抵御機(jī)械沖擊和振動(dòng)。

SSR 采用半導(dǎo)體器件執(zhí)行開關(guān)操作，以滿足這些要求。這種繼電器可采用交流或直流電壓驅(qū)動(dòng)，每種激勵(lì)類型都有不同的型號(hào)（圖 1）。

圖 1：這些固態(tài)繼電器的功能框圖顯示了直流（上）和交流（下）致動(dòng)式型號(hào)的關(guān)鍵組件。（圖片來(lái)源：Littelfuse, Inc.）

直流驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器（上）可調(diào)節(jié)外加電壓。交流致動(dòng)固態(tài)繼電器（下）采用全橋整流器將激勵(lì)信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流電。這兩種固態(tài)繼電器都通過(guò)光學(xué)方式將致動(dòng)信號(hào)與輸出隔離。這些 SSR 的有源元件是一對(duì)硅控整流器 (SCR)。這些 SSR 包括過(guò)壓保護(hù)功能，其形式是在可控硅柵極之間連接一個(gè)瞬態(tài)電壓抑制 (TVS) 二極管，以保護(hù) SSR 并防止在網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)瞬態(tài)電時(shí)發(fā)生意外狀態(tài)變化。

開關(guān)響應(yīng)則利用半導(dǎo)體器件的快速開關(guān)時(shí)間，并通過(guò)觸發(fā)電路控制。開關(guān)動(dòng)作可以在施加執(zhí)行信號(hào)后輸出電壓的過(guò)零點(diǎn)處進(jìn)行，也可以與致動(dòng)信號(hào)一起隨機(jī)（瞬時(shí)）進(jìn)行（圖 2）。

圖 2：根據(jù) SSR 的預(yù)期應(yīng)用選擇開關(guān)特性。（圖片來(lái)源：Littelfuse, Inc.）

零交叉導(dǎo)通適用于如工業(yè)加熱器等大電流應(yīng)用，可最大限度地減小浪涌電流。瞬時(shí)接通用于必須在高頻下實(shí)現(xiàn)開關(guān)動(dòng)作的情況。瞬時(shí)開關(guān)可產(chǎn)生盡可能高的開關(guān)頻率。

SSR 示例

為了滿足工業(yè)和商業(yè)機(jī)械應(yīng)用對(duì)更可靠、更持久的功率開關(guān)繼電器的需求，Littelfuse Inc. 設(shè)計(jì)出了 [SRP1] 系列高耐久型固態(tài)繼電器。該系列繼電器分為兩個(gè)型號(hào)：[SRP1-CB] 高耐久型裸 SSR 和 [SRP1-CR] 高耐用型一體式 SSR（帶觸碰安全和過(guò)壓保護(hù)功能）（圖 3，左和中）。

圖 3：所示為 SRP1-CB 裸 SSR（左）、SRP1-CR 觸摸安全 SSR（中）和 SRP1-CB...F 的備選快速連接端子（右）。（圖片來(lái)源：Littelfuse, Inc.）

Littelfuse 設(shè)計(jì)的專有半導(dǎo)體器件可最大限度地防止元器件因發(fā)熱而導(dǎo)致的性能下降，并在惡劣條件下能達(dá)到最佳性能。兩個(gè)型號(hào)系列均提供交流或直流致動(dòng)裝置，輸出電流額定值為 10 A、25 A 和 50 A，輸出電壓范圍為 24 VAC 至 240 VAC 或 48 VAC 至 600 V AC 。這兩種型號(hào)的不同之處在于，SRP1-CR 集成了保護(hù)和安裝功能，包括 IP20 手指安全蓋、TVS 二極管過(guò)壓保護(hù)和預(yù)裝導(dǎo)熱墊。SRP1-CB...F 版本（圖 3，右）還具有快速連接端子。

繼電器是與輸出負(fù)載串聯(lián)的單刀單擲 (SPST) 裝置（圖 4）。

圖 4：SRP1 SSR 與輸出負(fù)載串聯(lián)；由交流或直流致動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)輸入（具體取決于型號(hào)）。（圖片來(lái)源：Littelfuse, Inc.）

SSR 需要散熱器才能在規(guī)定的額定值下工作。Littelfuse 的這兩種型號(hào)都采用了最新的直接粘合技術(shù)，以確保最高的可靠性和產(chǎn)品壽命。SRP1-CR 繼電器包括一個(gè)可有效散熱的內(nèi)置導(dǎo)熱墊，無(wú)需導(dǎo)熱膏，安裝簡(jiǎn)便。熱衰減曲線圖（圖 5）顯示了環(huán)境溫度不同和熱阻不同的散熱器可支持的最大輸出電流。

圖 5：所示為 SRP1-CR 系列固態(tài)繼電器在不同環(huán)境溫度和散熱器條件下的降額曲線。（圖片來(lái)源：Littelfuse, Inc.）

熱阻單位為 ?C 每瓦特 (°C/W)。額定功率為 10°C/W 的散熱器每散熱 1 W，溫度就會(huì)比周圍空氣高 10°C。熱阻較低的散熱器比熱阻較高的散熱器效率更高，因此冷卻效果更好。

SRP1 SSR 經(jīng)認(rèn)證符合各種健康、安全、環(huán)境、電磁兼容性和抗靜電標(biāo)準(zhǔn)，包括 UL、CAN/CSA、IEC、CISPR、RoHS 和 REACH。這種繼電器非常適合工業(yè)自動(dòng)化中的加熱和運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用。在食品和飲料行業(yè)，這種繼電器也能很好地控制工業(yè)烘爐、包裝設(shè)備和輸送系統(tǒng)。供暖、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)以及大型照明系統(tǒng)的空氣處理器和壓縮機(jī)都在使用這種繼電器。所有這些應(yīng)用都需要卓越的性能和超高的可靠性，而 SRP1 系列提供了各種選擇，可滿足各種不同的電流、電壓、響應(yīng)時(shí)間和開關(guān)要求。

例如，[SRP1-CBAZL-050NW-N] 是額定電流為 50 A、輸出電壓為 24 VAC 至 240 VAC 的固態(tài)繼電器。該繼電器接受 90 VAC 至 280 VAC 輸入電壓，并在輸出電壓過(guò)零時(shí)動(dòng)作。該器件的最大導(dǎo)通電阻為 6.3 mΩ，在最大電流下，繼電器兩端的電壓降僅為 0.3 V。額定最大壓降為 1.3 V。繼電器在不到 20 ms 的時(shí)間內(nèi)（包括過(guò)零等待時(shí)間）導(dǎo)通，并在不到 30 ms 的時(shí)間內(nèi)斷開。

[SRP1-CBDZL-010NF-N] 是一種直流致動(dòng)型 SSR。該繼電器的額定輸出電流為 10 A，輸出電壓范圍為 24 VAC 至 240 V AC 。輸入電壓范圍為 4 VDC 至 32 V DC 。該繼電器同樣在輸出電壓過(guò)零點(diǎn)時(shí)動(dòng)作，其最大導(dǎo)通電阻為 6.3 mΩ。該繼電器與標(biāo)準(zhǔn) SRP1-CB 繼電器的不同之處在于，它采用了快速連接端子。其導(dǎo)通時(shí)間等于輸出波形周期的二分之一。

[SRP1-CRARH-025TC-N] 是 SRP1 系列的觸摸安全型號(hào)，額定輸出電流為 25 A。該型號(hào)是交流驅(qū)動(dòng)型，輸入電壓為 90 VAC 至 280 V AC 。與其他型號(hào)不同的是，該型號(hào)具有瞬時(shí)開關(guān)響應(yīng)能力，并使用 48 VAC 至 600 VAC 的高輸出電壓范圍。該繼電器的導(dǎo)通時(shí)間小于 20 ms，斷開時(shí)間小于 30 ms。

通過(guò)具有直流輸入和瞬時(shí)開關(guān)響應(yīng)能力的繼電器可實(shí)現(xiàn)最快的響應(yīng)時(shí)間。例如 [SRP1-CRDRL-010TC-N] 繼電器。該 SSR 的額定輸出電流為 10 A，輸出電壓范圍為 24 VAC 至 240 V AC 。輸入電壓范圍為 4 VDC 至 32 V DC 。其導(dǎo)通時(shí)間為 20 μs，斷開時(shí)間不到輸出波形周期的二分之一，成為周期時(shí)間最快的繼電器之一。

結(jié)束語(yǔ)

為了滿足工廠自動(dòng)化對(duì)開關(guān)性能、可靠性和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的要求，設(shè)計(jì)人員可以信賴 SRP1 系列 SSR。該系列繼電器采用先進(jìn)的半導(dǎo)體技術(shù)，在各種輸出電流和輸入控制選項(xiàng)中實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)壽命、高開關(guān)速度和最小電磁干擾。

審核編輯 黃宇