Introductie

Relais spelen een belangrijke rol in elektrische regelsystemen. Er zijn veel soorten relais zoals elektromagnetische relais, tijdrelais en thermische relais. Solid State Relays (SSR's) zijn er een van. Ze kunnen elektrische apparaten van stroom voorzien/afsluiten met behulp van een laagspanningsstuursignaal. In dit artikel bespreken we SSR's, hoe ze werken en hun toepassingen.

Inleiding tot relaistypen

Er zijn momenten waarop we elektrische apparatuur met hoge spanning/hoge stroom moeten besturen met behulp van een klein signaal. Stel je bijvoorbeeld een scenario voor waarin we een 220V enkelfasige 1HP-motor moeten besturen met behulp van een kleine schakelaar/knop of met behulp van een PLC. In een toepassing als deze kan de motor niet rechtstreeks op de PLC of de schakelaar worden aangesloten. Dit overschrijdt niet alleen de classificatie van de schakelaar, maar vormt ook een elektrisch gevaar vanwege de hoge spanningen en stroom die worden gehanteerd.

Relais zijn in dergelijke gevallen nuttig. Met een relais kunnen we een groot apparaat besturen dat een hogere stroom trekt (zoals een belasting van 220V 20A) met een klein spanningssignaal (24V, 100mA). Een relais zorgt ook voor galvanische scheiding tussen de hoogspanningszijde en de laagspanningszijde. Relais zijn apparaten van het aan/uit-type die alleen deze twee verschillende werkingsmodi hebben.

Voordat we overgaan op solid-state relais, laten we enkele van de meest populaire soorten relais op de markt bekijken om te begrijpen hoe een regulier relais werkt.

Er zijn veel soorten relais op de markt. Over het algemeen zijn het elektrisch bediende aan/uit-schakelaars met een enkel-/meerpolige opstelling. 

Hier zijn enkele van de populaire relaistypen en hun functionaliteit in het kort:

• Elektromagnetische/elektromechanische relais
  • Dit zijn de meest populaire en generieke soorten relais. Ze bestaan ​​uit een mechanische arm die contact maakt/verbreekt met de geleidende contactklemmen van het relais en wordt geactiveerd door een spanning op de ingebouwde spoel aan te leggen. Elektromagnetische relais kunnen zowel AC- als DC-apparaten aansturen. Elektromagnetische relais zijn verkrijgbaar in verschillende spoelspanningen en contactwaarden.
• Kleine signaalrelais
  • Kleine signaalrelais worden meestal gevonden in auto- en industriële automatiseringstoepassingen. Dit zijn miniatuurversies van elektromechanische relais die laagspannings- en laagstroomsignalen schakelen, zoals digitale PLC-uitgangssignalen.
• Tijdvertragingsrelais
  • Tijdvertragingsrelais bestaan ​​uit een ingebouwde timer en een elektromechanisch relais om het inschakelen te vertragen na het toepassen van een inschakelsignaal. Deze zijn te vinden in motorbesturingscircuits om krachtige motoren te starten.
• Gepolariseerde relais
  • Gepolariseerde relais zijn een speciaal type relais dat gevoelig is voor de richting van de toegepaste stroom. Wanneer een gelijkstroom in een bepaalde polariteit op de spoel wordt toegepast, schakelt het relais naar een bepaalde positie, waardoor een bepaald aantal contacten wordt geactiveerd. Wanneer de polariteit wordt verwisseld, wordt een andere set contacten geactiveerd. Wanneer de stroom wordt weggenomen, keren sommige gepolariseerde relais terug naar een 'neutrale stand' om alle contacten te verbreken.

Het andere meest populaire relaistype is het Solid State Relay. Met het begrip over de relais die we tot nu toe hebben, laten we solid-state relais bespreken.

Wat is een solid-state relais?

Een Solid State Relay (ook bekend als SSR) is een ander type relais dat werkt vanuit een klein AC/DC-ingangssignaal. SSR's werken op dezelfde manier als EMR's (Electro-Meahcnical Relays). Ze hebben echter niet de bewegende componenten. SSR's gebruiken in plaats daarvan elektrische en optische componenten (waardoor ze de naam solid-state krijgen) om de schakeltaak uit te voeren en het ingangssignaal geïsoleerd te houden van de schakelzijde.

Net als een elektromechanisch relais, bieden solid-state relais ook een bijna oneindige contactweerstand/impedantie wanneer ze open zijn en bijna nul weerstand/impedantie tijdens bedrijf. Afhankelijk van de interne constructie van het besturingscircuit, kunnen SSR's AC, DC of beide typen aansturen. Dit is mogelijk dankzij de verscheidenheid aan halfgeleiderkeuzes die beschikbaar zijn als vermogenselektronica. Solid-state relais kunnen worden ontworpen met behulp van SCR's, TRIAC's of zelfs transistors/MOSFET's.

Een van de belangrijkste dingen die een SSR onderscheidt van zijn elektromechanische tegenhanger, is de operationele levensduur. Elektromechanische relais hebben een zeer beperkte levensduur van contacten omdat ze de contacten fysiek in- of uitschakelen. Hierdoor ontstaan ​​er elektrische bogen tussen de openingscontacten die het contactoppervlak aantasten. Hoewel de zware relais zijn ontworpen om dit tegen te gaan, zijn ze niet permanent immuun voor slijtage.

SSR's daarentegen zijn volledig solid state en hebben geen bewegende delen. Hierdoor kunnen ze duizenden schakelcycli onder nominale belasting aan zonder dat ze zich zorgen hoeven te maken over de operationele stabiliteit. Dit komt ook de schakelsnelheid van de SSR ten goede. 

Solid State Relay-circuit

Solid State-relais zijn eenvoudige apparaten vanuit het oogpunt van bruikbaarheid. Ze hebben een besturingssignaalingang en een geschakelde uitgang die elektrische ladingen met hoog vermogen regelt. Hun interne constructie is veel gecompliceerder dan wat op het eerste gezicht lijkt. Laten we het SSR-circuit bespreken en hoe het werkt.

Zoals eerder vermeld, bieden solid-state relais elektrische isolatie tussen de stuursignaalzijde en de belastingszijde. Net als bij elektromechanische relais waarbij de isolatie plaatsvindt door fysiek gescheiden contacten, bereiken SSR's dit door het ingangssignaal optisch te isoleren.

Dit wordt gedaan met behulp van een speciaal halfgeleiderapparaat genaamd 'optocoupler' (ook wel 'optoisolator' genoemd). Optocouplers bevatten een of meer infrarood emitterende diodes of LED's samen met een lichtgevoelig apparaat om optische signaalisolatie te bieden. 

Wanneer het besturingssignaal wordt geleverd (zeer lage DC-spanning in het bereik van 2-3V), wordt de IR-LED ingeschakeld die in de SSR is ingebouwd. De uitgezonden straal wordt opgevangen door het lichtgevoelige apparaat om de output te activeren. Het fotogevoelige apparaat wordt verder van de zender geplaatst en zorgt voor elektrische isolatie. Met deze implementatie kan een SSR eenvoudig een belasting van 220V AC schakelen met een stuursignaal van slechts 5V DC.

Het stuursignaal kan op meerdere manieren ontstaan. Het kan zijn,

• DC-signaal in vaste toestand
  • Solid state DC-signalen kunnen afkomstig zijn van eenvoudige schakelaars of directe stroombronnen zoals batterijcellen.
• Digitaal uitgangssignaal
  • Controllers zoals microcontrollers of microprocessors, PLC's kunnen ook signalen genereren die kunnen worden ingevoerd in SSR's voor het regelen van belastingen.
• Logische poortsignalen
  • Voor toepassingen die niet de verwerkingskracht van een microcontroller vereisen, kan de uitgang van een combinatorisch logische poortcircuit worden aangesloten op een SSR om een ​​belasting aan/uit te zetten volgens een reeks voorwaardelijke ingangen.

Soorten SSR's

Er zijn veel soorten solid-state relais. Ze verschillen van elkaar door de functionaliteit. Het werkingsprincipe lijkt erg op elkaar, hoewel ze in verschillende toepassingen worden gebruikt.

Direct schakelende SSR

Direct schakelende solid-state relais schakelen de uitgang direct in als er een stuurspanning wordt aangelegd. Deze SSR's hebben een atypische responstijd van minder dan 1 milliseconde, waardoor ze een ideaal onderdeel zijn voor toepassingen die een snelle respons en/of fasehoekregeling vereisen. Deze vinden ook toepassingen bij het schakelen van inductieve lasten.

Direct schakelende SSR's zijn meestal gemaakt van triacs om AC-signalen te kunnen regelen, ongeacht de fasehoek op het moment van schakelen. Dit werkt identiek aan een gewone schakelaar waarbij het inschakelpunt willekeurig is.

Nul schakelende SSR

Nulschakeling, ook wel nuldoorgang SSR's genoemd, wordt ingeschakeld bij het eerste nuldoorgangspunt van de lijnspanning, ongeacht het tijdstuursignaal dat wordt toegepast. Voor een sinusvormige lijnspanning van 50 Hz kan de responstijd tussen bijna nul en 10 ms liggen (minder dan een halve periode).

Deze SSR's hebben een speciaal ingebouwd circuit dat 'nuldoorgangsdetector' wordt genoemd. Wanneer het stuursignaal wordt toegepast, genereert dit circuit een puls zodra de sinusvormige AC-golfvorm het 0V-punt bereikt. Hierdoor wordt de triac ingeschakeld die de belasting regelt en de triac blijft geleidend totdat de lijnspanning weer nul bereikt. De cyclus herhaalt zich zolang de stuurspanning aanwezig is.

Nuldoorgang SSR's vinden hun toepassingen in resistieve, capacitieve en inductieve lastcontrolesystemen. De activering op het nuldoorgangspunt zorgt voor een minimale stootstroom die tijdens het opstarten in de belasting stroomt. 

Piek schakelende SSR

In aanvulling op het nuldoorgangstype activeren SSR's met piekschakeling de uitgang bij de eerste piek van de lijnspanning bij het aanleggen van de stuurspanning. Na deze halve cyclus blijft de SSR functioneren als een nuldoorgang SSR. 

In SSR's met piekschakeling wordt een nuldoorgangsdetector gekoppeld aan een initiële piekdetectortrap om de eerste inschakelpuls te genereren. De SSR gaat pas aan als de lijnspanning zijn piekspanning bereikt. Zodra de piek wordt gedetecteerd, krijgt de belasting stroom via de triac. Wanneer geschakeld op een piek van de voedingsspanning, trekken inductieve belastingen de minste hoeveelheid inschakelstroom. Het gebruik van SSR's met piekschakeling is gunstig in dergelijke toepassingen om ervoor te zorgen dat de belasting wordt beschermd tegen inschakelstromen.

SSR's met piekschakeling worden gebruikt bij sterk inductieve belastingen zoals transformatoren en krachtige motoren. 

Analoge schakelende SSR

Analoge schakelende SSR's zijn een speciaal type SSR's. Ze werken met een 4-20mA gelijkstroomsignaal. De fase van de uitgang wordt proportioneel beïnvloed door het ingangssignaal. Wanneer het stuurspannings-/stroomsignaal wordt verwijderd, wordt de SSR uitgeschakeld. Analoge solid-state relais hebben een ingebouwde schakeling die functioneert als een feedbacksysteem met gesloten lus om de uitgangsspanning te regelen als een functie van de ingangsspanning.

DC schakelende SSR

Voor resistieve en inductieve belastingen worden DC-schakelende SSR's veel gebruikt. DC SSR's regelen de belasting met behulp van MOSFET's of BJT's en daarom kunnen ze het best worden gebruikt met DC-belastingen zoals DC-verwarmingselementen, magneetventielen en DC-borstelmotoren. Aangezien deze geen ingebouwde inductieve terugslagbeveiliging hebben, moet een externe vrijloopdiode worden aangesloten op de uitgangsklemmen in omgekeerde voorspanningsconfiguratie.

Besturingsmethoden

Verschillende soorten SSR's hebben verschillende rijmethoden. Zoals hierboven vermeld, hebben SSR's slechts een klein stuursignaal nodig om een ​​hogere spanning en hogere stroombelasting te schakelen. Hier zijn enkele methoden die worden gebruikt om de invoer van een SSR aan te sturen.

Directe DC-schakeling

De eenvoudigste methode om een ​​SSR aan te sturen is door de stuurspanning rechtstreeks op de SSR aan te leggen. Als de stuurspanning van een SSR bijvoorbeeld 12 V gelijkstroom is, wordt de SSR ingeschakeld als het spanningssignaal rechtstreeks aan de stuuringangen wordt geleverd. Dit type eenvoudige implementatie is te vinden in direct-on-line motorbesturingscircuits.

Transistorbesturing

In sommige gevallen is de stuursignaalspanning mogelijk niet hoog genoeg om de ingangen van de SSR direct aan te sturen. Een microcontroller die op 5 V of 3.3 V werkt, is bijvoorbeeld mogelijk niet in staat om voldoende spanning en stroom te leveren om de interne circuits van de SSR aan te drijven. In dergelijke gevallen moeten de logische spanningen worden vertaald naar een stuursignaal naar de ingang van de SSR. Door een schakeling te implementeren die vergelijkbaar is met de bovenstaande afbeelding, kan een klein ingangssignaal de SSR eenvoudig aansturen. Het hierboven getoonde NPN-transistorcircuit kan de SSR inschakelen wanneer een positieve spanning op de basisterminal wordt aangelegd.

Gecombineerde logische besturing

In toepassingen waar voorwaardelijke logica nodig is, maar het systeem te eenvoudig is om te worden bestuurd door een op een microcontroller gebaseerd besturingssysteem, zoals een PLC, kunnen logische poorten worden gebruikt. Met een circuit vergelijkbaar met het circuit dat hieronder wordt getoond, kan de geïnverteerde uitvoer van een positief combinatorisch logisch circuit direct een SSR aansturen om een ​​elektrische belasting te regelen.

AC-besturingssignaal

Sommige systemen gebruiken alleen wisselstroom in zowel de besturings- als de vermogenselektronica. Het opnemen van een SSR in een dergelijk systeem kan een uitdaging zijn, omdat SSR's meestal worden aangestuurd met DC-signalen. Met het principe van full-bridge-gelijkrichting kan een wisselstroomsignaal op een compatibel spanningsniveau echter worden omgezet in een gelijkgericht gelijkspanningssignaal om de ingangen van de SSR aan te sturen. Onderstaande figuur toont zo'n implementatie.

De meeste SSR-fabrikanten bieden echter solid-state relais met AC-ingang in hun SSR-serie om deze extra overhead te ondervangen.

Solid State Relay-voordelen

SSR's hebben veel voordelen, waaronder

• Lange levensduur en hoge betrouwbaarheid
• Snelle reactietijden
• Lage EMI
• Geen contactvonken door ontbreken van mechanische componenten
• Hoge weerstand tegen trillingen, schokken en stof
• Stille werking
• Logische compatibiliteit

SSR's hebben echter ook enkele nadelen:

• Contact spanningsval
  • Omdat SSR's zijn gemaakt met behulp van halfgeleiderapparaten, vormen ze een inherente serieweerstand, zelfs wanneer ze volledig zijn ingeschakeld. Thyristors kunnen bijvoorbeeld een spanningsval van 1-1.6V over de klemmen hebben. Hierbij ontstaat warmte, die passieve of actieve koeling vereist.
• Tijdelijke spanningsproblemen en dV/dt-beperkingen
  • Als SSR's niet correct worden geïmplementeerd, bestaat het risico van willekeurige inschakeling veroorzaakt door regeneratieve actie vanwege de inherente capaciteit die aanwezig is in de halfgeleidertrappen.

Hoe u het juiste Solid State-relais kiest

Houd bij het kiezen van een SSR voor een bepaalde toepassing rekening met de volgende hoofdpunten:

Algemene informatie

Selecteer een SSR die de nominale belastingstroom, spanning en bedrijfstemperatuur aankan. De SSR moet over het algemeen een hogere classificatie hebben dan de beoogde toepassing.

Beveiligingsfuncties

De SSR moet voldoende bescherming hebben tegen thermische overbelasting, overstroom en tijdelijke spanningsbeveiliging. In veel gevallen moeten dergelijke circuits extern worden aangesloten.

Zorg er ook voor dat de SSR voldoet aan de isolatienormen voor de toepassing. Hogere SSR's hebben bijvoorbeeld een input-to-output isolatieweerstand van >=4000Vrms AC en output naar case isolatieweerstand van >= 2500Vrms AC

Naleving van industriestandaarden

Door een SSR te selecteren die is vervaardigd om te voldoen aan IEC, UL en vergelijkbare industrienormen, worden de systeemintegriteit en betrouwbaarheid gegarandeerd.

Conclusie

Solid State-relais zijn uitstekende schakelapparaten die in veel gevallen conventionele elektromechanische relais kunnen vervangen. De initiële kosten van het implementeren van een op SSR gebaseerd systeem zijn relatief hoog, de voordelen wegen ruimschoots op tegen de nadelen en rechtvaardigen de kosten.