Przekaźniki półprzewodnikowe SSR – budowa, działanie i zastosowanie

Czym dokładnie jest przekaźnik SSR?

W ujęciu technicznym SSR to elektroniczny element przełączający, który realizuje funkcję załączania i wyłączania obwodu wykonawczego bez użycia jakichkolwiek ruchomych zestyków. Komutacja prądu odbywa się tu w sposób czysto elektroniczny. W zależności od charakteru obciążenia jako elementy wykonawcze wykorzystuje się:

• Triaki lub tyrystory – w aplikacjach prądu przemiennego (AC),
• Tranzystory (MOSFET lub IGBT) – w układach prądu stałego (DC).

Struktura wewnętrzna typowego przekaźnika SSR opiera się na pełnej izolacji galwanicznej (najczęściej optycznej) między obwodem sterującym, a prądowym. Oznacza to, że sygnał sterujący (np. z wyjścia tranzystorowego sterownika PLC) zasila wewnętrzną diodę LED, której światło uruchamia element fotoczuły załączający strukturę półprzewodnikową w obwodzie mocy.

Sygnał sterujący przekaźnika SSR podawany jest zazwyczaj niskim napięciem, np. 24 V DC. Wejścia sterujące dostępne są jednak w różnych zakresach napięć, takich jak 4…32 V DC, 16…32 V AC czy 90…280 V AC. W zależności od typu SSR obwód wykonawczy może natomiast przełączać napięcie przemienne AC lub napięcie stałe DC.

Budowę SSR można przedstawić następująco:

• wejście sterujące,
• układ optoizolacji,
• układ przełączający półprzewodnikowy z wyjściem przekaźnika.

W przekaźnikach SSR nie stosuje się elementów ruchomych przez co pozbawione są one ograniczeń charakterystycznych dla klasycznych przekaźników. Przekaźnik elektromechaniczny wykorzystuje bowiem cewkę elektromagnetyczną, która po zasileniu przyciąga ruchomy styk i zamyka obwód.

Zalety SSR nad EMR

Przekaźniki SSR posiadają wiele zalet w porównaniu z klasycznymi przekaźnikami elektromagnetycznymi.

• Bardzo duża trwałość – Brak ruchomych elementów powoduje, że SSR mogą wykonywać miliony cykli przełączeń bez zużycia mechanicznego.
• Cicha praca – SSR działają całkowicie bezgłośnie, ponieważ nie występuje mechaniczne przełączanie styków.
• Szybkie przełączanie – Czas przełączenia jest znacznie krótszy niż w EMR, co ma znaczenie w automatyce i sterowaniu procesami.
• Brak iskrzenia – SSR nie powodują powstawania łuku elektrycznego, dlatego mogą pracować w środowiskach zagrożonych wybuchem lub tam, gdzie wymagane jest ograniczenie zakłóceń.

Przekaźniki elektroniczne nie są jednak pozbawione ograniczeń. Wykorzystane elementy półprzewodnikowe, podczas przewodzenia generują straty mocy i wydzielają ciepło. Z tego powodu bardzo ważny jest odpowiedni dobór radiatora oraz zapewnienie właściwego chłodzenia.

Grzanie SSR i dobór radiatora

Jedną z najważniejszych cech operacyjnych przekaźnika SSR jest wydzielanie ciepła podczas pracy. Elementy półprzewodnikowe wykazują stały spadek napięcia, który generuje straty mocy. Z tego względu przy montażu SSR należy bezwzględnie stosować radiatory oraz zadbać o odpowiednie odległości separacyjne pomiędzy modułami. Nieprawidłowe chłodzenie skutkuje przegrzewaniem urządzenia, spadkiem dopuszczalnego prądu wyjściowego, skróceniem żywotności oraz trwałym uszkodzeniem struktury półprzewodnikowej.

W kartach katalogowych przekaźników SSR marki Finder znajdują się informacje na temat prawidłowej instalacji tych elementów – odległości pomiędzy SSR oraz doboru i sposobu montażu odpowiednich radiatorów.

Prądy upływu

Kolejnym istotnym ograniczeniem technologii półprzewodnikowej jest występowanie prądów upływu w stanie zablokowania przekaźnika. W przeciwieństwie do klasycznych styków mechanicznych (EMR), które w stanie otwartym tworzą fizyczną przerwę powietrzną o nieskończenie wielkiej rezystancji, struktura półprzewodnikowa SSR (np. triak czy tranzystor) nawet w stanie wyłączenia przewodzą niewielki prąd rzędu kilku miliamperów (mA).

Na etapie projektowania warto dokładnie przeanalizować noty katalogowe producentów.

• SSR przeznaczone do przełączania dużych obciążeń (np. grzałek przemysłowych o prądzie 40 A) mają z reguły znacznie większe prądy upływu (nawet do 10 mA).
• Do sterowania mniejszymi elementami (np. wejściami PLC, cewkami) należy wybierać dedykowane, miniaturowe przekaźniki SSR (często w obudowach interfejsowych o szerokości 6,2 mm), gdzie prąd upływu jest zredukowany do mikroamperów (µA), co całkowicie eliminuje problem.

Zastosowanie i dobór SSR

Przekaźniki SSR znajdują zastosowanie przede wszystkim w automatyce przemysłowej, sterowaniu grzałkami, piecami, układami regulacji temperatury, elektrozaworami oraz innymi urządzeniami wymagającymi częstego przełączania obciążeń.

Szczególnie popularne jest wykorzystanie SSR do sterowania grzałkami elektrycznymi. W takich aplikacjach regulator temperatury może bardzo często załączać i wyłączać obciążenie. Klasyczny przekaźnik EMR szybko uległby zużyciu mechanicznemu, natomiast SSR może pracować przez bardzo długi czas bez awarii.

Przy wyborze przekaźnika SSR należy w pierwszej kolejności określić rodzaj i charakter obciążenia. Kategorycznie nie wolno stosować przekaźników SSR AC w obwodach DC, ponieważ elementy przełączające AC mogą nie wyłączyć poprawnie prądu stałego. Dodatkowo w konfiguracjach AC dostępne są wersje z załączaniem natychmiastowym lub w chwili przejścia napięcia przez zero (Zero Crossing), co ogranicza zakłócenia sieci oraz udary prądowe przy obciążeniach o charakterze pojemnościowym.

Przekaźnik S77 – wersja dwufazowa

Przekaźniki typu S77 są przykładami SSR stosowanych w układach wielofazowych. Wersja dwufazowa posiada dwa niezależne zaciski przełączające, co umożliwia niezależne sterowanie dwoma fazami. Takie rozwiązanie pozwala uprościć instalację oraz zmniejszyć ilość elementów montowanych w szafie sterowniczej.

Podsumowanie

Przekaźniki półprzewodnikowe SSR są nowoczesnym rozwiązaniem stosowanym szeroko w automatyce przemysłowej. Dzięki brakowi elementów mechanicznych cechują się bardzo dużą trwałością, cichą pracą oraz możliwością wykonywania ogromnej liczby przełączeń.

SSR szczególnie dobrze sprawdzają się w sterowaniu grzałkami i układami regulacji temperatury, gdzie wymagana jest wysoka niezawodność oraz częste przełączanie obciążenia.

Podczas projektowania układów z SSR bardzo ważne jest jednak odpowiednie chłodzenie, dobór radiatora oraz zachowanie właściwych odstępów montażowych. Nadmierna temperatura znacząco wpływa na skrócenie żywotności przekaźników półprzewodnikowych.

Dobór odpowiedniego typu SSR – AC lub DC – powinien być zawsze dostosowany do rodzaju sterowanego obciążenia oraz parametrów pracy całego układu.

Krzysztof Smyrski