วิธีการใช้โซลิดสเตตรีเลย์ที่มีสัญญาณรบกวนต่ำเฉพาะเพื่อ จำกัด EMI และเป็นไปตามมาตรฐานที่สำคัญ

นับตั้งแต่เปิดตัวเมื่อสามทศวรรษที่แล้วโซลิดสเตทรีเลย์ (SSRs) ได้แทนที่รีเลย์แม่เหล็กไฟฟ้า (EMRs) สำหรับการสลับแอปพลิเคชันที่ต้องการการทำงานที่มีความน่าเชื่อถือสูง ปราศจากประกายไฟฟ้า และใช้พลังงานต่ำ ข้อดีเพิ่มเติมของ SSRs ได้แก่ การทำงานที่ไม่มีเสียงรบกวนและความเข้ากันได้กับวงจรควบคุมแบบดิจิทัล

อย่างไรก็ตามในการใช้งานที่บ้าน, การใช้งานเชิงพาณิชย์และการแพทย์โดยเฉพาะอย่างยิ่งงานที่ต้องปฏิบัติตามมาตรฐานความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้าระหว่างประเทศ (EMC) เช่น IEC 60947-4-3 จำเป็นต้องมีการเลือกรีเลย์อย่างระมัดระวังเพื่อให้แน่ใจว่ามีสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) ที่สร้างขึ้นโดยรีเลย์ ถูกย่อให้เล็กที่สุด ผลิตภัณฑ์บางอย่างสามารถทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าสูงขึ้นและเสี่ยงต่อการไม่ปฏิบัติตามมาตรฐาน EMC

บทความนี้จะอธิบายข้อดีและข้อเสียของ SSRs และแอปพลิเคชันที่เหมาะสมที่สุด จากนั้นบทความจะกล่าวถึงส่วนสำคัญของรีเลย์ที่อาจทำให้เกิดปัญหาในการปล่อยมลพิษก่อนที่จะแนะนำช่วง SSRs ที่มีเสียงรบกวนต่ำจาก Sensata Technologies ที่นักออกแบบสามารถใช้สำหรับการใช้งานเชิงพาณิชย์ ใช้งานที่บ้านและทางการแพทย์ที่มีความละเอียดอ่อนของ EMI

EMRs เปรียบเทียบกับ SSRs

เนื่องจากมีการสัมผัสกับกระแสไฟฟ้าเต็มวงจรเมื่อปิดการใช้สวิตช์เพื่อเปิดและปิดวงจรกำลังสูงจึงไม่สามารถใช้งานได้ สวิตช์เกิดอันตรายระหว่างการทำงานและเกิดความร้อนสูงเกินไปในการทำงาน วิธีแก้ปัญหาคือการใช้ไฟอัตโนมัติเปิดและปิดโดยวิธีธรรมดาเพื่อเรียกใช้พลังงานสูง

ข้อดีของการจัดเรียงนี้คือการลดต้นทุนและพื้นที่เนื่องจากการลดความยาวของสายไฟจำนวนมากที่จำเป็นสำหรับวงจรไฟฟ้ากำลังสูง ข้อดีเหล่านี้เกิดจากการที่รีเลย์สามารถวางไว้ใกล้กับโหลดและสามารถใช้สายไฟที่บางกว่าเพื่อเชื่อมต่อกับสวิตช์ไฟต่ำได้ โดยทั่วไปสวิตช์นั้นจะอยู่ในตำแหน่งที่สะดวกกว่าสำหรับผู้ใช้ นอกจากนี้วงจรไฟฟ้ากำลังต่ำสามารถแยกออกจากวงจรไฟฟ้ากำลังสูงได้ ตัวอย่างที่ใช้รีเลย์ ได้แก่ เตาอบเชิงพาณิชย์ เครื่องใช้ในครัวเรือนและอุปกรณ์ทางการแพทย์

EMRs แบบดั้งเดิมใช้ขดลวดที่ได้รับพลังงานจากวงจรพลังงานต่ำเพื่อสร้างสนามแม่เหล็กซึ่งจะปิดหน้าสัมผัส (เปิดตามปกติ) EMRs สามารถเปลี่ยนโหลด AC หรือ DC ได้ถึงระดับสูงสุด ความต้านทานการสัมผัสจะลดลงเมื่อโหลดเพิ่มขึ้นลดการกระจายพลังงานและไม่จำเป็นต้องใช้ฮีทซิงค์ (รูปที่ 1)

รูปที่ 1: EMRs เชื่อมต่อไฟฟ้ากระแสสลับเข้ากับโหลดเมื่อสวิตช์ในวงจรพลังงานต่ำปิดและเปิดขดลวดซึ่งจะปิดหน้าสัมผัส (แหล่งรูปภาพ: DigiKey)

ประโยชน์ที่สำคัญของ EMRs คือต้นทุนต่ำและรับประกันการแยกที่แรงดันไฟฟ้าที่ใช้ต่ำกว่าพิกัดอิเล็กทริกของอุปกรณ์ การแยกมีความสำคัญอย่างยิ่งเมื่อต้องเปิดหรือปิดวงจรไฟฟ้ากำลังสูงอย่างสมบูรณ์โดยไม่มีอันตรายจากการบาดเจ็บของผู้ใช้จากกระแสไฟฟ้ารั่ว EMRs ยังเป็นตัวเลือกที่ดีหากคาดว่าจะมีกระแสไฟกระชากหรือแรงดันไฟฟ้าพุ่งสูงในแหล่งจ่ายไฟ AC

ข้อเสียที่สำคัญของ EMRs คือศักยภาพของ EMI และการสึกหรอ เนื่องจากการเกิดประกายไฟอาจเกิดขึ้นได้เมื่อหน้าสัมผัสเปิดและปิดรีเลย์จึงสามารถสร้าง EMI ที่เห็นคุณค่าได้ โดยทั่วไประดับต่ำและ EMRs ที่ออกแบบมาอย่างดีจะรวมการป้องกันเพื่อลดการปล่อยมลพิษใด ๆ แต่จำเป็นต้องมีการดูแลสำหรับการใช้งานในพื้นที่ใกล้เคียงกับอุปกรณ์ที่ไวต่อ EMI

เนื่องจาก EMRs เป็นอุปกรณ์เชิงกลแม้แต่ผลิตภัณฑ์ที่ออกแบบและผลิตมาอย่างดีที่สุดก็จะเสื่อมสภาพไปในที่สุด ในกรณีส่วนใหญ่จะเป็นขดลวดที่เสียหายก่อนโดยปล่อยให้อุปกรณ์อยู่ในสภาพที่ไม่ปลอดภัยเนื่องจากโดยปกติหน้าสัมผัสจะเปิดอยู่ (NO) ปล่อยให้วงจรพลังงานต่ำแยกออกจากวงจรไฟฟ้ากำลังสูง กล่าวได้ว่า EMRs สมัยใหม่มีความน่าเชื่อถือมากและมักเป็นกรณีที่อุปกรณ์ที่ขับเคลื่อนโดยรีเลย์ที่เสื่อมสภาพก่อน

SSRs ได้มาเป็นของตัวเองเนื่องจากวงจรควบคุมที่ใช้ในการสลับแอปพลิเคชันกำลังสูงได้ย้ายไปยังอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ดิจิทัล ตามชื่อที่แนะนำ SSRs เป็นอุปกรณ์ที่ใช้เซมิคอนดักเตอร์และด้วยเหตุนี้จึงเหมาะอย่างยิ่งกับการควบคุมดูแลโดยวงจรดิจิทัลที่ใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับแอปพลิเคชันที่มีความเร็วในการสลับสูง

SSRs กล่าวถึงข้อบกพร่องที่สำคัญของ EMRs เนื่องจากไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว SSRs จึงไม่เสื่อมสภาพ โดยทั่วไปอุปกรณ์จะทำงานเป็นเวลาหลายสิบล้านรอบ แต่เมื่อทำไม่สำเร็จมักจะอยู่ในตำแหน่ง "เปิด" ซึ่งอาจมีผลกระทบด้านความปลอดภัย SSRs ไม่สร้างส่วนโค้งเมื่อเปิดหรือปิดซึ่งไม่เพียง แต่ทำให้เหมาะสำหรับใช้ในสภาพแวดล้อมที่เป็นอันตราย แต่ยังกำจัดแหล่งที่มาของ EMI จำนวนมากที่อาจทำให้เกิดความเสียหายกับ EMRs ได้อีกด้วย นอกจากนี้ยังเงียบโดยกลไกทำงานได้กับแรงดันไฟฟ้าอินพุตที่หลากหลายและใช้พลังงานเพียงเล็กน้อยแม้จะใช้แรงดันไฟฟ้าสูง การเปลี่ยนจาก EMRs เป็น SSRs ได้เร่งตัวขึ้นเนื่องจากราคาของกลุ่มหลังยังคงลดลงอย่างต่อเนื่อง

ข้อเสียที่สำคัญของ SSRs เกิดจากพื้นฐานของวงจรเซมิคอนดักเตอร์ ตัวอย่างเช่น เมื่อ "เปิด" จะมีความต้านทานสูงทำให้เกิดการกระจายกำลังไฟฟ้าหลายสิบวัตต์พร้อมกับการสะสมความร้อนที่เป็นผล ความท้าทายในการระบายความร้อนมักจะเป็นเช่นนั้นผู้ออกแบบจะต้องมีฮีทซิงค์จำนวนมากซึ่งจะเพิ่มขนาดและน้ำหนักของโซลูชัน SSRs ยังได้รับผลกระทบจากความร้อนโดยรอบดังนั้นจึงต้องถูกลดทอนลงหากใช้ในอุณหภูมิที่สูงขึ้น ความต้านทานของวงจรภายในยังสามารถสร้างแรงดันตกซึ่งอาจทำให้เกิดปัญหากับโหลดได้หากมีความไวต่อการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้า ในขณะที่อยู่ในสถานะ “ปิด” SSRs จะมีกระแสรั่วไหล ที่แรงดันไฟฟ้าสูงอาจเป็นสิ่งที่ไม่พึงปรารถนาหรือแม้กระทั่งความท้าทายด้านความปลอดภัย นอกจากนี้ SSRs จำนวนมากต้องการโหลดขั้นต่ำเพื่อให้ทำงานได้อย่างถูกต้อง

พื้นฐานของการดำเนินการ SSRs

สวิตช์เอาต์พุตเป็นส่วนสำคัญของ SSRs สำหรับรีเลย์เอาท์พุต AC เอาต์พุตสามารถควบคุมได้โดยวงจรเรียงกระแสที่ควบคุมด้วยซิลิคอนไตรแอกหรือแบ็คทูแบ็ค ข้อได้เปรียบที่สำคัญของโซลูชัน SCR คือคุณสมบัติ dv/dt ที่รวดเร็วโดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อรีเลย์ถูก "ปิด”

ตัวอย่างเช่นเมื่อ SSR ที่มี triac ควบคุมเอาต์พุตปิดอยู่ dv/dt อาจช้าได้ถึง 5 ถึง 10 โวลต์/มิลลิวินาที (volts/ms) คุณลักษณะ dv/dt ที่ช้าอาจเป็นปัญหาได้เนื่องจากหาก di/dt สำหรับกระแสที่ลดลง (และ/หรือ dv/dt สำหรับแรงดันไฟฟ้าที่นำกลับมาใช้ใหม่) ตื้นเกินไป Triac อาจดำเนินการหลังจากที่แหล่งจ่ายไฟ AC ข้ามจุดศูนย์กระแส/แรงดันไฟฟ้า เหตุการณ์ดังกล่าวทำให้เอาต์พุตไม่เสถียรและสามารถเพิ่ม EMI ได้

ในการเปรียบเทียบ SCRs มี dv/dt ประมาณ 500 โวลต์/ไมโครวินาที (volts/µs) และจะไม่ดำเนินการหลังจากจุดข้ามศูนย์ ข้อดีอีกอย่างของ SSR ที่มี SCRs คือการกระจายความร้อนได้ดีกว่าเนื่องจากส่วนประกอบกระจายไปในพื้นที่กว้างกว่าไตรแอกเดียว ส่วนที่เหลือของบทความนี้จะอธิบาย SSRs ที่มีสเตจเอาต์พุต SCR แบบ back-to-back

SSR พื้นฐานโดยใช้ SCR แสดงในรูปที่ 2 โดยทั่วไปแล้ว SSRs เอาท์พุต AC จะใช้พลังงานจากสาย AC เมื่อปิด S1 (ควบคุมโดยวงจรอินพุต) ประตูที่เกี่ยวข้องของ SCR1 และ SCR2 จะเชื่อมต่อกันและกระแสจากแหล่งจ่ายไฟ AC จะไหลผ่าน R1 หรือ R2 และเข้าสู่เกตของ SCR ใดก็ตามที่มีความเอนเอียงไปข้างหน้า สิ่งนี้จะทำให้ SCR “เปิด” และรีเลย์ดำเนินการเปิดเครื่องโหลด สำหรับแต่ละครึ่งรอบของแหล่งจ่ายไฟ AC SCRs จะดำเนินการสลับกันและจ่ายกระแสให้กับโหลด เมื่อเปิด S1 แล้วแต่ว่า SCR ใดที่ "เปิด" จะยังคงดำเนินการต่อไปจนกว่ากระแสไฟฟ้ากระแสสลับจะถึงศูนย์เมื่อ SCR “ปิด” ณ จุดนี้ SCR อื่นไม่ได้รับกระแสเกตอีกต่อไปรีเลย์จะเปิดขึ้นและกำลังไฟฟ้าไปยังโหลดจะถูกลบออก

รูปที่ 2: เค้าโครงพื้นฐานของรีเลย์โดยใช้ SCRs แบบย้อนกลับ S1 เกิดจากวงจรอินพุตพลังงานต่ำ (แหล่งรูปภาพ: Sensata-Crydom)

SSRs สมัยใหม่มักอาศัยออปโตคัปเปลอร์เพื่อแยกระหว่างวงจรพลังงานต่ำและพลังงานสูง ตัวเลือกหลักสองตัวเลือกสำหรับนักออกแบบคือการใช้ออปโตคัปเปลอร์ที่ใช้ LED/optotransistor หรืออุปกรณ์ที่รวม LED และ optotriac ออปโตทรานซิสเตอร์ต้องการกระแสควบคุมน้อยลง, ประหยัดพื้นที่และทำให้ผู้ออกแบบมีโอกาสกำหนดค่าลักษณะของวงจรควบคุมได้มากขึ้น ข้อได้เปรียบที่สำคัญของแนวทางไตรแอคคือต้นทุนที่ต่ำกว่า แผนผังรีเลย์ที่ควบคุมด้วย optotriac แสดงในรูปที่ 3

รูปที่ 3: ใน SSR นี้การแยกระหว่างวงจรพลังงานต่ำและพลังงานสูงจะผ่านออปโตคัปเปลอร์โดยใช้ออปโตไทรแอค (แหล่งรูปภาพ: Sensata-Crydom)

(สำหรับข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับวิธีเลือก SSR โปรดดูบทความทางเทคนิคของ DigiKey “วิธีการเปลี่ยนกระแสหรือแรงดันอย่างปลอดภัยและมีประสิทธิภาพโดยใช้ SSR”)

SSRs สำหรับสภาพแวดล้อม EMI ต่ำ

การเลือก SSR ที่มีเอาต์พุตที่ควบคุมด้วย SCR เป็นตัวเลือกที่ดีสำหรับแอพพลิเคชั่นที่ไวต่อ EMI เนื่องจากอุปกรณ์มีลักษณะเสียงรบกวนต่ำโดยธรรมชาติ สำหรับการใช้งานที่ละเอียดอ่อนโดยเฉพาะเช่นผลิตภัณฑ์ที่เรียกร้องให้ใช้ผลิตภัณฑ์สวิตชิ่งที่เป็นไปตามมาตรฐาน IEC 60947-4-3 ควรเลือกผลิตภัณฑ์ที่มีเสียงรบกวนต่ำเป็นพิเศษ SSRs ที่เปิดเฉพาะเมื่อแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับข้ามจุดแรงดันเป็นศูนย์โดยไม่คำนึงว่าอินพุตจะเปิดใช้งานเมื่อใดเป็นตัวเลือกที่ดีสำหรับการใช้งานเหล่านี้

สิ่งที่เรียกว่าอุปกรณ์ข้ามศูนย์เหล่านี้จะกำจัดกระแสไฟขาเข้าและแรงดันไฟฟ้าที่อาจเกิดขึ้นเมื่อเปิดวงจรไฟฟ้ากำลังสูงในขณะที่เอาต์พุต AC อยู่ในช่วงกลางรอบ สิ่งนี้จะช่วยลดอุบัติการณ์ของ EMI นักออกแบบควรทราบว่าในขณะที่ SSRs ที่ไม่มีการข้ามศูนย์นั้นเหมาะอย่างยิ่งสำหรับโหลดตัวต้านทานเช่นเครื่องทำความร้อน แต่ก็ไม่เหมาะสำหรับโหลดที่มีอุปนัยสูง ทางเลือกที่ดีกว่าสำหรับแอปพลิเคชันเหล่านี้เรียกว่า SSRs แบบสุ่มสลับ สิ่งเหล่านี้เปลี่ยนทันทีที่สวิตช์อินพุตเปิดใช้งานแทนที่จะรอให้แหล่งจ่ายไฟ AC ถึงศูนย์

Sensata Technologies ซึ่งนำเสนอ Sensata-Crydom ยี่ห้อของ SSRs ได้เปิดตัวผลิตภัณฑ์สามตัวใน LN ซีรี่ส์ SSRs ช่วงสัญญาณรบกวนต่ำเอาท์พุต AC โดย LND4425 สามารถจ่าย 25 แอมแปร์ (A) ให้กับเอาต์พุตในขณะที่ LND4450 ให้กระแส 50 A และ LND4475 ให้กระแส 75 A อุปกรณ์ต้องการกระแสไฟฟ้าขั้นต่ำ 100 มิลลิแอมป์_rms (mA_rms) สำหรับการทำงานที่มั่นคงมีให้ในฟอร์มแฟคเตอร์ "hockey puck" และน้ำหนักประมาณ 75 กรัม (g) (รูปที่ 4) โซลูชันทั้งสามมีเอาต์พุต AC 48 ถึง 528 โวลต์และทำงานจากแรงดันไฟฟ้าควบคุม 4.8 ถึง 32 โวลต์ DC มีการป้องกันแรงดันไฟฟ้าเกินอินพุต/เอาต์พุตในตัวและความเป็นฉนวนจากอินพุตไปยังเอาต์พุตคือ 3500 โวลต์_rms

รูปที่ 4: LND44xx SSR ของ Sensata-Crydom เสนอได้ถึง 75 A และ 528 โวลต์จากโซลูชันขนาดกะทัดรัดที่มีน้ำหนักเพียง 75 กรัม (แหล่งรูปภาพ: Sensata-Crydom)

LN ซีรี่ส์ได้รับการออกแบบมาเพื่อการใช้งาน EMI ที่ต่ำที่สุด พวกเขาใช้ออปโตคัปเปลอร์ที่มีออปโตไทรแอคที่อินพุตและ SCRs แบบย้อนกลับสำหรับการควบคุมเอาต์พุตเพื่อเอาชนะ EMI ที่อาจเกิดขึ้นซึ่งอาจเกิดขึ้นอันเป็นผลมาจากคุณสมบัติ dv/dt ที่ช้า SCR แบบ back-to-back มี dv/dt 500 โวลต์/µs ผลิตภัณฑ์นี้ยังมีวงจรทริกเกอร์ที่ได้รับการจดสิทธิบัตรซึ่งช่วยให้สามารถสลับโหลดตัวต้านทานโดยใช้ EMI น้อยที่สุด แผนผังสำหรับ SSRs ซีรี่ส์ LN แสดงในรูปที่ 5

รูปที่ 5: SSRs ซีรี่ส์ LN ของ Sensata-Crydom ได้รับการออกแบบมาเพื่อลด EMI ด้วยคุณสมบัติต่าง ๆ เช่นวงจรทริกเกอร์ที่ได้รับการจดสิทธิบัตรและ SCRs แบบ back-to-back (แหล่งรูปภาพ: Sensata-Crydom)

ผลลัพธ์ของคุณสมบัติการลด EMI เหล่านี้สอดคล้องกับ IEC60947-4-3 Environment B สำหรับสถานที่ตั้งในประเทศเชิงพาณิชย์และอุตสาหกรรมเบาที่มีแรงดันไฟฟ้าต่ำ (รูปที่ 6)

รูปที่ 6: ทำการทดสอบการปล่อยคลื่น RF สำหรับ Sensata-Crydom LND4450 SSR เกณฑ์การปฏิบัติตาม IEC60947-4-3 Environment B แสดงเป็นเส้นทึบสีส้ม (แหล่งรูปภาพ: Sensata-Crydom)

LN ซีรี่ส์เหมาะอย่างยิ่งกับการใช้งานเช่นเครื่องทำความร้อนในเตาอบเชิงพาณิชย์ดังแสดงในรูปที่ 7

รูปที่ 7: รีเลย์ที่ใช้ในเตาอบเชิงพาณิชย์ควรเป็นไปตามข้อบังคับ IEC60947-4-3 Environment B ในกราฟิกนี้ตำแหน่งรีเลย์จะถูกทำเครื่องหมายด้วยตัวเลขโดยมี“ 1” ระบุว่า LND44xx SSRs เป็นตัวเลือกที่ดีที่ใด (แหล่งรูปภาพ: Sensata-Crydom)

สรุป

รีเลย์เป็นวิธีแก้ปัญหาที่ง่ายและได้รับการพิสูจน์แล้วสำหรับการเปลี่ยนวงจรกำลังสูงโดยใช้วงจรกระตุ้นที่ใช้พลังงานต่ำ EMRs เป็นตัวเลือกที่ดีที่จำเป็นต้องใช้โซลูชันราคาประหยัด แต่ไม่เหมาะกับการใช้งานในแอปพลิเคชั่นการสลับความถี่สูงและพื้นที่ที่ไวต่อ EMI SSRs มีราคาแพงกว่า แต่ให้การทำงานที่แข็งแกร่งและปราศจากการสึกหรอและเข้ากันได้กับการควบคุมโดยอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ดิจิทัล อย่างไรก็ตามนักออกแบบที่เลือก SSRs ควรตระหนักถึงความท้าทายด้านความร้อนที่เกิดขึ้นเนื่องจากการกระจายความร้อนที่สูงขึ้นในการใช้งานที่เหมือนกันเมื่อเทียบกับ EMRs

ในขณะที่ SSRs ทุกประเภทมี EMI ที่ต่ำกว่า EMRs แต่การออกแบบบางอย่างก็ต้องดิ้นรนเพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดด้านกฎระเบียบของ EMC เช่นที่ระบุไว้ใน IEC60947-4-3 Environment B ดังที่แสดงวิธีแก้ปัญหาคือการใช้ SSRs ที่มีขั้นตอนเอาต์พุต SCR แบบย้อนกลับ สิ่งเหล่านี้มีการสลับแบบเป็นศูนย์ซึ่งส่งผลให้มีการปล่อย RF ต่ำเป็นพิเศษทำให้ง่ายต่อการปฏิบัติตามข้อกำหนด