ใช้รีเลย์โซลิดสเตตในระบบอัตโนมัติในโรงงานเพื่อความน่าเชื่อถือสูง การสลับที่รวดเร็ว และ EMI ต่ำ

เพื่อหลีกเลี่ยงค่าเสียเวลาราคาแพงในช่วงเวลาเครื่องเสีย การวินิจฉัยขั้นสูงและการบำรุงรักษาเชิงคาดการณ์จึงถูกนำมาใช้มากขึ้นในระบบอัตโนมัติของโรงงานในอุตสาหกรรมต่างๆ เช่น การผลิตอาหารและเครื่องดื่ม การประกอบอัตโนมัติ และระบบการประมวลผลต่อเนื่องอื่น ๆ ตลอดจนเครื่องจักรด้าน HVAC การกรองน้ำ และการผลิตพลังงาน รีเลย์ที่เชื่อถือได้สำหรับการสลับเป็นสิ่งสำคัญสำหรับกระบวนการอุตสาหกรรมอัตโนมัติเหล่านี้ จะต้องสามารถสลับได้อย่างรวดเร็ว ทำงานอย่างต่อเนื่องภายใต้เงื่อนไขที่ท้าทายโดยมีการสึกกร่อนจากการสัมผัสให้น้อยที่สุด และไม่ก่อให้เกิดการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) ที่สามารถส่งผลกระทบต่อเซนเซอร์และระบบควบคุมไร้สายได้

รีเลย์โซลิดสเตต (SSR) ตอบสนองความต้องการการสลับของระบบอัตโนมัติในโรงงานโดยใช้เทคโนโลยีนวัตกรรมที่ช่วยเพิ่มความน่าเชื่อถือและความทนทานเพื่อให้มั่นใจถึงประสิทธิภาพที่สม่ำเสมอแม้ในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง

บทความนี้จะกล่าวถึงข้อกำหนดการสลับของระบบอัตโนมัติในโรงงานโดยย่อ จากนั้นจะแนะนำตัวอย่างของ SSR จากLittelfuse และแสดงให้เห็นว่าสามารถนำมาใช้เพื่อตอบสนองความต้องการเหล่านั้นได้อย่างไร

การกำหนดและตอบสนองความต้องการการสลับระบบอัตโนมัติในโรงงาน

ความต้องการการสลับสำหรับระบบอัตโนมัติในโรงงาน ได้แก่ ความน่าเชื่อถือที่มีต้นทุนต่ำ เวลาการทำงานที่รวดเร็วโดยไม่มีการเด้งหรือการเกิดอาร์คจากการสัมผัส EMI ขั้นต่ำที่อาจส่งผลต่อวงจรใกล้เคียงหรือเซ็นเซอร์และเครือข่ายไร้สายที่ใช้กันมากขึ้นในโรงงาน และความทนทานต่อแรงกระแทกและการสั่นสะเทือนทางกลที่สูง

SSR ใช้งานอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์เพื่อดำเนินการสลับเพื่อตอบสนองความต้องการเหล่านี้ สามารถทำงานด้วยแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับหรือกระแสตรง โดยมีรูปแบบที่แตกต่างกันสำหรับการกระตุ้นแต่ละประเภท (รูปที่ 1)

รูปที่ 1: แผนผังบล็อกฟังก์ชันของ SSR เหล่านี้แสดงส่วนประกอบที่สำคัญสำหรับทั้งโมเดลที่ขับเคลื่อนด้วย DC (ด้านบน) และ AC (ด้านล่าง) (ที่มาของภาพ: Littelfuse Inc.)

SSR ที่ขับเคลื่อนด้วย DC (ด้านบน) จะควบคุมแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ SSR ที่ขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้ากระแสสลับ (ด้านล่าง) ใช้เครื่องแปลงกระแสไฟฟ้าแบบสะพานคลื่นเต็มคลื่นเพื่อแปลงสัญญาณกระตุ้นให้เป็นไฟฟ้ากระแสตรง SSR ทั้งสองประเภทจะแยกสัญญาณการทำงานออกจากเอาต์พุตโดยใช้แสง องค์ประกอบที่ทำงานของ SSR เหล่านี้คือเครื่องแปลงกระแสไฟฟ้าควบคุมด้วยซิลิกอน (SCR) จำนวนหนึ่ง SSR เหล่านี้รวมถึงการป้องกันแรงดันไฟเกินในรูปแบบของไดโอดป้องกันแรงดันไฟฟ้าชั่วขณะ (TVS) ที่เชื่อมต่อระหว่างเกตของ SCR เพื่อปกป้อง SSR และป้องกันการเปลี่ยนแปลงสถานะที่ไม่คาดคิดในกรณีที่มีไฟฟ้าชั่วขณะบนเครือข่าย

การตอบสนองการสลับใช้ประโยชน์จากเวลาในการสลับที่รวดเร็วของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ และควบคุมโดยวงจรทริกเกอร์ การสลับสามารถทำได้เมื่อแรงดันไฟฟ้าขาออก zero crossing หลังจากใช้สัญญาณการทำงาน หรือแบบสุ่ม (ทันที) โดยใช้สัญญาณการทำงาน (รูปที่ 2)

รูปที่ 2: เลือกคุณลักษณะการสลับให้ตรงกับการใช้งานที่ต้องการของ SSR (ที่มาของภาพ: Littelfuse Inc.)

การเปิดใช้งานแบบ zero-crossing ใช้สำหรับแอปพลิเคชั่นที่มีกระแสไฟฟ้าสูง เช่น เครื่องทำความร้อนในอุตสาหกรรม ซึ่งจะช่วยลดกระแสไฟกระชากให้เหลือน้อยที่สุด การเปิดทันทีใช้ในกรณีที่ต้องสลับกันเกิดขึ้นที่ความถี่สูง การสลับทันทีทำให้ได้ความถี่การสลับที่สูงที่สุดเท่าที่เป็นไปได้

ตัวอย่างของ SSR

เพื่อตอบสนองความต้องการรีเลย์สวิตชิ่งไฟฟ้าที่เชื่อถือได้และใช้งานได้ยาวนานยิ่งขึ้นในการใช้งานเครื่องจักรในอุตสาหกรรมและเชิงพาณิชย์ Littelfuse Inc. จึงได้ออกแบบSRP1 ตระกูล SSR ที่มีความทนทานสูง มีให้เลือกสองรุ่น ได้แก่SRP1-CB SSR เปล่าที่มีความทนทานสูงและSRP1-CR SSR แบบครบวงจรที่มีความทนทานสูงพร้อมระบบ Touch-Safe และการป้องกันไฟเกิน (รูปที่ 3 ซ้ายและตรงกลาง)

รูปที่ 3: แสดงให้เห็น SSR เปล่า SRP1-CB (ซ้าย), SSR Touch-Safe SRP1-CR (ตรงกลาง) และขั้วต่อด่วนทางเลือกของ SRP1-CB…F (ขวา) (ที่มาของภาพ: Littelfuse Inc.)

Littelfuse ออกแบบเซมิคอนดักเตอร์ที่เป็นกรรมสิทธิ์เพื่อลดการเสื่อมสภาพของส่วนประกอบอันเนื่องมาจากความร้อน และมอบประสิทธิภาพที่เหมาะสมที่สุดภายใต้สภาวะที่รุนแรง ทั้งสองรุ่นมีหน่วยที่มีการทำงานแบบ AC หรือ DC และพิกัดกระแสไฟขาออก 10 A, 25 A และ 50 A ในช่วงแรงดันไฟขาออกสองช่วงคือ 24 V_AC ถึง 240 V_AC หรือ 48 V_AC ถึง 600 V_AC รุ่นต่าง ๆ แตกต่างกันตรงที่ SRP1-CR มีคุณลักษณะการป้องกันและการติดตั้งแบบบูรณาการ รวมถึงฝาปิดป้องกันนิ้ว IP20, การป้องกันไฟเกินไดโอด TVS และแผ่นระบายความร้อนที่ติดมาล่วงหน้า เวอร์ชัน SRP1-CB…F (รูปที่ 3 ด้านขวา) ยังมีขั้วต่อด่วนอีกด้วย

รีเลย์เป็นอุปกรณ์แบบขั้วเดี่ยว โยนเดี่ยว (SPST) ที่ต่อสายแบบอนุกรมกับโหลดเอาต์พุต (รูปที่ 4)

รูปที่ 4: SSR SRP1 เชื่อมต่อแบบอนุกรมกับโหลดเอาต์พุต ส่วนอินพุตจะขับเคลื่อนด้วยสัญญาณการทำงาน AC หรือ DC ขึ้นอยู่กับรุ่น (ที่มาของภาพ: Littelfuse Inc.)

SSR ต้องใช้แผ่นระบายความร้อนจึงจะทำงานได้ตามค่าพิกัดที่ระบุ Littelfuse ทั้งสองรุ่นใช้เทคโนโลยีการเชื่อมต่อโดยตรงล่าสุดเพื่อให้มั่นใจถึงความน่าเชื่อถือสูงสุดและอายุการใช้งานที่ยาวนานของผลิตภัณฑ์ รีเลย์ SRP1-CR มีแผ่นระบายความร้อนในตัวเพื่อการกระจายความร้อนอย่างมีประสิทธิภาพโดยไม่ต้องใช้สารประกอบระบายความร้อน ช่วยให้ติดตั้งได้ง่ายและสะอาด กราฟการลดอุณหภูมิ (รูปที่ 5) แสดงกระแสเอาต์พุตสูงสุดที่สามารถรองรับได้สำหรับอุณหภูมิแวดล้อมต่างๆ และตัวระบายความร้อนที่มีความต้านทานความร้อนต่าง ๆ

รูปที่ 5: แสดงเส้นโค้งการลดระดับสำหรับ SSR ซีรีส์ SRP1-CR สำหรับอุณหภูมิแวดล้อมและฮีตซิงก์ต่าง ๆ (ที่มาของภาพ: Littelfuse Inc.)

ค่าความต้านทานความร้อนระบุเป็น ˚C ต่อวัตต์ (°C/W) แผ่นระบายความร้อนที่มีอุณหภูมิ 10°C/W จะร้อนกว่าอากาศโดยรอบ 10°C ต่อความร้อน 1 W ที่ระบายออกไป ฮีทซิงค์ที่มีค่าความต้านทานความร้อนต่ำกว่าจะมีประสิทธิภาพมากกว่าฮีทซิงค์ที่มีค่าความต้านทานความร้อนสูงกว่า และจึงระบายความร้อนได้ดีกว่า

SSR SRP1 ได้รับการรับรองว่าเป็นไปตามมาตรฐานด้านสุขภาพ ความปลอดภัย สิ่งแวดล้อม ความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า และภูมิคุ้มกันไฟฟ้าสถิตต่างๆ รวมถึง UL, CAN/CSA, IEC, CISPR, RoHS และ REACH เหมาะอย่างยิ่งกับการใช้งานในการควบคุมความร้อนและการเคลื่อนไหวในระบบอัตโนมัติในอุตสาหกรรม นอกจากนี้ยังทำงานได้ดีในอุตสาหกรรมอาหารและเครื่องดื่ม โดยควบคุมเตาอบอุตสาหกรรม อุปกรณ์บรรจุภัณฑ์ และระบบสายพานลำเลียง ระบบทำความร้อน ระบายอากาศ และปรับอากาศใช้รีเลย์เหล่านี้สำหรับเครื่องจัดการอากาศและคอมเพรสเซอร์ เช่นเดียวกับระบบไฟฟ้าขนาดใหญ่ แอปพลิเคชันทั้งหมดเหล่านี้ต้องการประสิทธิภาพที่เหนือกว่าและความน่าเชื่อถือที่สูงเป็นพิเศษ และซีรีส์ SRP1 มีตัวเลือกต่าง ๆ เพื่อตอบสนองความต้องการด้านกระแสไฟ แรงดันไฟ เวลาตอบสนอง และการสลับต่าง ๆ

ตัวอย่างเช่นSRP1-CBAZL-050NW-N เป็น SSR ได้รับการกำหนดที่ 50 A พร้อมเอาท์พุต 24 V_AC ถึง 240 V_AC รองรับแรงดันไฟฟ้าขาเข้า 90 V_AC ถึง 280 V_AC และสวิตช์ที่ zero crossing ของแรงดันไฟขาออก มีค่าความต้านทานขณะเปิดสูงสุดที่ 6.3 มิลลิโอห์ม (mΩ) ซึ่งจะส่งผลให้รีเลย์ลดแรงดันไฟฟ้าลงเพียง 0.3 V ที่กระแสไฟสูงสุด แรงดันไฟตกสูงสุดที่กำหนดคือ 1.3 V รีเลย์จะเปิดในเวลาไม่ถึง 20 มิลลิวินาที (ms) รวมถึงเวลาในการรอ zero crossing และปิดในเวลาไม่ถึง 30 ms

SRP1-CBDZL-010NF-N เป็นตัวอย่างของ SSR ที่ขับเคลื่อนด้วย DC มีกระแสไฟขาออก 10 A พร้อมช่วงแรงดันไฟขาออก 24 V_AC ถึง 240 V_AC ช่วงแรงดันไฟฟ้าขาเข้าคือ 4 V_DC ถึง 32 V_DC นอกจากนี้ ยังสลับเมื่อแรงดันเอาต์พุตที่ zero crossing และมีค่าความต้านทานเปิดสถานะสูงสุดเท่ากันที่ 6.3 mΩ. แตกต่างจากรีเลย์มาตรฐาน SRP1-CB ตรงที่มีขั้วต่อเชื่อมต่อด่วน เวลาเปิดเครื่องเท่ากับครึ่งหนึ่งของรอบของรูปคลื่นเอาต์พุต

SRP1-CRARH-025TC-N เป็นเวอร์ชัน Touch-Safe ของซีรีย์ SRP1 และได้รับการกำหนดกระแสไฟขาออกที่ 25 A รุ่นนี้ทำงานด้วยไฟฟ้ากระแสสลับ โดยใช้แรงดันไฟฟ้าขาเข้า 90 V_AC ถึง 280 V_AC แตกต่างจากรุ่นอื่นตรงที่มีการตอบสนองการสลับทันทีและใช้ช่วงแรงดันเอาต์พุตสูงถึง 48 V_AC ถึง 600 V_AC เวลาในการเปิดรีเลย์น้อยกว่า 20 มิลลิวินาที (ms) และเวลาในการปิดรีเลย์น้อยกว่า 30 ms.

เวลาตอบสนองที่เร็วที่สุดทำได้โดยใช้รีเลย์ที่มีอินพุต DC และการตอบสนองการสลับทันที ตัวอย่างเช่นSRP1-CRDRL-010TC-N SSR นี้มีกระแสไฟขาออก 10 A พร้อมช่วงแรงดันไฟขาออก 24 V_AC ถึง 240 V_AC ช่วงแรงดันไฟฟ้าขาเข้าคือ 4 V_DC ถึง 32 V_DC เวลาในการเปิดคือ 20 ไมโครวินาที (µs) และเวลาปิดน้อยกว่าครึ่งหนึ่งของรอบของรูปคลื่นเอาต์พุต ทำให้เป็นหนึ่งในเวลาในรอบรีเลย์ที่เร็วที่สุด

สรุป

เพื่อตอบสนองความต้องการด้านประสิทธิภาพการสลับ ความน่าเชื่อถือ และมาตรฐานสากลของระบบอัตโนมัติในโรงงาน นักออกแบบสามารถไว้วางใจในซีรีส์ SRP1 ของ SSR ได้ ซีรีส์นี้ใช้ความก้าวหน้าในเทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์เพื่อให้มีอายุการใช้งานยาวนาน ความเร็วในการสลับสูง และ EMI น้อยที่สุดในกระแสเอาต์พุตและตัวเลือกการควบคุมอินพุตที่หลากหลาย