Come scegliere il relè a stato solido giusto per soddisfare i requisiti applicativi

I relè a stato solido (SSR) sono utilizzati in un numero sempre più ampio e variegato di settori, tra cui plastica, imballaggio, trasformazione alimentare, HVAC, semiconduttori, energia rinnovabile e convenzionale, petrolchimica, trasporti, stampa, laboratorio, forni e fornaci, illuminazione, medicale e controllo del movimento. Gli SSR sono spesso utilizzati al posto dei relè elettromagnetici (EMR) perché non hanno parti in movimento e durano a lungo. Inoltre, non sono soggetti all'erosione dei contatti e alle interferenze elettriche dovute agli archi elettrici sulle superfici di contatto.

Poiché i relè a stato solido sono disponibili in diverse configurazioni che supportano vari tipi di carico, i progettisti devono capire come selezionarli in base all'uso previsto. Ciò è particolarmente vero nelle applicazioni industriali come il controllo di motori, pompe e ventole con i loro carichi induttivi, che richiedono un tipo di relè diverso dalle applicazioni di riscaldamento e illuminazione, che presentano carichi resistivi.

Questo articolo illustra brevemente i motivi per cui gli SSR sono una buona scelta per l'automazione industriale e di fabbrica. Ne descrive quindi l'utilizzo, le caratteristiche e spiega come selezionarli per un'applicazione utilizzando dispositivi di esempio di Carlo Gavazzi.

Perché utilizzare gli SSR?

I sistemi di automazione industriale e di fabbrica richiedono dispositivi di commutazione caratterizzati da basso costo, affidabilità, tempi di attuazione rapidi senza rimbalzi dei contatti o archi elettrici, interferenze elettromagnetiche (EMI) minime, bassa suscettibilità agli ambienti difficili ed elevata tolleranza agli urti e alle vibrazioni meccaniche. Per soddisfare questi requisiti, gli SSR utilizzano dispositivi a semiconduttore per sostituire le armature e i contatti dei relè meccanici nelle operazioni di commutazione. Essendo a telaio chiuso, gli SSR resistono anche a urti, vibrazioni, umidità, sostanze chimiche aggressive e polvere. In questo modo si ottengono dispositivi a lunga durata ed elevata affidabilità.

La scelta di un SSR per l'applicazione richiede la comprensione del carico da controllare e delle loro caratteristiche essenziali, in modo da adeguare le esigenze dell'applicazione alle specifiche del relè.

Specifiche di controllo e di carico del relè a stato solido

Gli SSR possono essere controllati con una tensione di comando c.a. o c.c. Il controllo in c.c. utilizza una bassa tensione, in genere da 4 V a 32 V. Possono anche utilizzare un circuito di corrente da 4 mA a 20 mA o un ingresso analogico da 1 V_c.c. a 10 V_c.c.. Il controllo in c.a. utilizza tensioni comprese tra 24 V_c.a. e 275 V_c.a..

I carichi di un SSR possono essere sia in corrente alternata che in corrente continua. Sono disponibili SSR con tensioni di carico c.a. massime fino a 690 V_c.a. e correnti nominali c.a. di 125 A. I valori nominali in c.c. sono 500 V_c.c. e 100 A.

Tipi di carichi elettrici

I carichi elettrici sono classificati in base alle loro caratteristiche elettriche dominanti. Motori, ventole e pompe sono classificati come carichi induttivi. La corrente e la tensione del carico sono sfasate, dove la corrente è in ritardo rispetto alla tensione. I carichi induttivi resistono alle variazioni della loro corrente di carico generando un potenziale di controtensione chiamato forza controelettromotrice (f.e.m.). Gli SSR utilizzati con carichi induttivi devono essere in grado di gestire queste tensioni.

Dispositivi come riscaldatori, forni, stufe elettriche, asciugatrici e lampade sono esempi di carichi resistivi. La tensione e la corrente nei carichi resistivi sono in fase.

I carichi capacitivi resistono alle variazioni della tensione di carico. La corrente e la tensione in un carico capacitivo sono sfasate, con la corrente che precede la tensione. La maggior parte degli alimentatori a commutazione e alcuni dispositivi medici come i defibrillatori hanno un carico capacitivo. Quando si applica la tensione per la prima volta a un carico capacitivo, questo presenta un'impedenza molto bassa, con conseguente corrente di inserzione elevata.

Le caratteristiche di ciascun tipo di carico determinano il tipo di SSR necessario per controllarlo.

Tipi di SSR

Esistono cinque tipi di SSR di uso comune (Figura 1): commutazione a zero o zero-crossing, commutazione ad accensione istantanea o casuale, commutazione in c.c., commutazione di picco e commutazione ad angolo di fase o analogica.

Figura 1: Il tipo di SSR è determinato dal momento in cui l'SSR commuta rispetto alla tensione di linea. (Immagine per gentile concessione di Carlo Gavazzi Inc.)

I tipi di SSR si basano sul momento in cui il dispositivo commuta rispetto alla fase della tensione di linea. L'SSR a commutazione zero è un relè in c.a. che commuta il carico al primo zero-crossing della tensione di linea dopo l'applicazione del segnale di controllo. Il tempo di commutazione dell'SSR è al massimo pari a mezzo periodo della frequenza di linea, quindi per una frequenza di linea di 60 Hz è di 8,3 ms. Gli SSR a commutazione zero sono utilizzati principalmente con carichi resistivi per limitare le alte sovracorrenti transitorie al momento della commutazione. Poiché la tensione di rete è pari a zero quando il carico è collegato, anche la corrente in un carico resistivo è pari a zero. Questo tipo di relè è adatto anche alla maggior parte dei carichi induttivi e capacitivi.

L'SSR a commutazione casuale o ad accensione istantanea, anch'esso un relè in c.a., eroga immediatamente l'energia al carico dopo che si applica la tensione di comando. Si attiva in qualsiasi fase della tensione di rete. Il ritardo di risposta tipico è inferiore a 1 ms. I relè a commutazione casuale sono utilizzati con carichi induttivi.

L'SSR a commutazione continua è destinato ad applicazioni resistive e induttive in c.c. Come il relè a commutazione casuale, collega il carico immediatamente quando si applica il segnale di controllo. Il tempo di risposta è inferiore a 100 ms.

L'SSR con commutazione di picco commuta al successivo picco di tensione di linea dopo che si applica la tensione di comando. Questi relè sono utilizzati per carichi induttivi pesanti come i trasformatori.

L'SSR ad angolo di fase o a commutazione analogica legge la tensione del segnale di controllo analogico. Varia il periodo di conduzione dell'uscita del relè in modo proporzionale all'ampiezza della tensione di comando. Questo tipo di SSR viene utilizzato nei sistemi ad anello chiuso e nelle applicazioni in cui si utilizza un avvio graduale per limitare le correnti di inserzione.

Altri tipi di SSR, varianti di quelli descritti, sono utilizzati meno frequentemente per esigenze applicative particolari.

Numero di poli

Gli SSR sono dispositivi a una via che possono accendere o spegnere un polo. Il numero di poli si riferisce al numero di tensioni di linea che può controllare. Una linea c.a. monofase o una linea c.c. richiede un SSR unipolare. Una linea monofase a 220 V necessita di due poli, uno per ciascuna delle sorgenti dei componenti a 110 V. Per le applicazioni trifase è necessario un relè tripolare.

I relè sono classificati come unipolari a una via (SPST), bipolari a una via (DPST) o tripolari a una vis (3PST).

Progettazione degli SSR

I diagrammi a blocchi funzionali degli SSR differiscono a seconda che siano destinati ad applicazioni in c.a. o in c.c. Gli SSR per applicazioni bipolari in c.a., come il relè a commutazione zero DPST RK2A60D50P di Carlo Gavazzi (Figura 2), utilizzano i tiristori come dispositivi di controllo.

Figura 2: Diagramma a blocchi funzionali dell'SSR DPST RK2A60D50P per applicazioni in c.a. (Immagine per gentile concessione di Carlo Gavazzi Inc.)

RK2A60D50P è in grado di gestire tensioni di uscita di 660 V e correnti di uscita fino a 50 A. Altri SSR di questa famiglia possono gestire correnti di uscita fino a 75 A. Richiede una tensione di comando compresa tra 4 V_c.c. e 32 V_c.c.. Come tutti gli SSR, utilizza un optoaccoppiatore per garantire l'isolamento elettrico tra la sorgente della tensione di comando e la linea di 4.000 V_RMS. Questo relè ha un ingresso di controllo comune per entrambe le uscite; altre versioni della famiglia di prodotti hanno ingressi di controllo separati per ciascuna uscita. L'asserzione della tensione di comando avvia un rilevatore zero-crossing, che attiva i tiristori antiparalleli allo zero-crossing della linea per entrambi i poli.

Le applicazioni in corrente continua, essendo unipolari, utilizzano i transistor come dispositivo di commutazione principale. Ciò è illustrato nel diagramma a blocchi funzionali dell'SSR c.c. SPST RM1D060D50 di Carlo Gavazzi (Figura 3).

Figura 3: Diagramma a blocchi funzionali dell'SSR c.c. SPST RM1D060D50; gli SSR c.c. utilizzano i transistor come dispositivo di commutazione primario. (Immagine per gentile concessione di Carlo Gavazzi Inc.)

Questo dispositivo gestisce tensioni di uscita da 1 V_c.c. a 60 V_c.c. e correnti di uscita di 50 A. Questa serie di SSR è dotata di relè in grado di gestire 500 V_c.c. e correnti di 100 A. Poiché la linea è unipolare in corrente continua, come interruttore primario viene utilizzato un MOSFET. In questo modo si ottiene un relè con tempi di risposta all'accensione e allo spegnimento inferiori a 100 ms ciascuno. Questo relè può funzionare a una velocità di commutazione di 1.000 Hz e utilizza una tensione di comando c.c. compresa tra 4 V_c.c. e 32 V_c.c.. Altri dispositivi di questa famiglia di prodotti offrono tensioni di controllo c.a. fino a 280 V. Anche la tensione di comando è optoisolata dalla linea con un isolamento di 3750 V_RMS.

L'isolamento galvanico tra la linea di controllo e il carico può essere realizzato anche con l'accoppiamento del trasformatore. Questo tipo di isolamento, illustrato con un diagramma a blocchi del dispositivo RP1D060D8 di Carlo Gavazzi (Figura 4), utilizza una sorgente RF modulata accoppiata attraverso un trasformatore RF per fornire l'isolamento galvanico tra l'ingresso e l'uscita.

Figura 4: L'accoppiamento del trasformatore in RP1D060D8 realizza l'isolamento galvanico. (Immagine per gentile concessione di Carlo Gavazzi Inc.)

Questo SSR a commutazione c.c. è in grado di gestire 350 V_c.c. e 8 A. Utilizza una tensione di comando c.c. compresa tra 4,25 V_c.c. e 32 V_c.c.. È alloggiato in un contenitore 4-SIP con quattro pin a foro passante distanziati a multipli di 2,54 mm. Si differenzia dagli altri SSR citati per le dimensioni ridotte e per l'utilizzo di un trasformatore di accoppiamento con cui isolare l'ingresso dall'uscita. Ha una specifica di isolamento di 4.000 V_RMS e un tempo di risposta di commutazione di <100 ms in chiusura e <250 ms in apertura.

Intervallo della temperatura di funzionamento

Gli SSR commutano tensioni fino a 660 V e correnti fino a 100 A e possono produrre una elevata quantità di calore. La potenza viene dissipata durante la commutazione, quando la corrente che attraversa il relè e la tensione che lo attraversa non sono nulle. Questo calore deve essere rimosso dal relè mediante dissipatori. La temperatura ambiente influisce sulla corrente massima nominale dell'SSR e deve essere declassata se elevata. In genere, gli SSR possono funzionare senza dissipatore per correnti di uscita di 5 A o inferiori. Se il relè è montato su una superficie metallica, questo limite aumenta a 8 A. Carlo Gavazzi offre dissipatori abbinati a modelli specifici di SSR che garantiscono prestazioni ottimali in qualsiasi ambiente termico.

Tipi di montaggio

Gli SSR sono disponibili in vari tipi di contenitore (Figura 5) per adattarsi all'applicazione prevista. La maggior parte dei tipi di montaggio richiede che il relè sia fissato a una superficie conduttrice di calore o a un dissipatore per controllare la temperatura del dispositivo.

Figura 5: Esempi di configurazioni di montaggio comuni per gli SSR. (Immagine per gentile concessione di Carlo Gavazzi Inc.)

Il modello RZ3A60D55 di Carlo Gavazzi (a sinistra) è un SSR 3PST in c.a., a commutazione zero, con uscita nominale di 660 V e 55 A, controllato da un segnale di ingresso da 4 V_c.c. a 32 V_c.c.. Utilizza un sistema di montaggio a telaio modulare, con tutti e tre i dispositivi di commutazione montati su una piastra base comune. Utilizzando una piazzola termica o un composto per dissipatori, la piastra base viene montata su una superficie conduttrice di calore.

L'SSR Hockey Puck è così chiamato per la sua forma spessa e la sua struttura densa. La struttura solida di questo contenitore lo rende più resistente agli urti e alle vibrazioni, migliorando l'affidabilità in ambienti industriali difficili. RM1D060D50, già descritto in precedenza e mostrato nella Figura 5 (secondo da sinistra), è un esempio di SSR che utilizza il contenitore "hockey puck".

Il System-in-Package (SiP) è un involucro montato su scheda a circuiti stampati (scheda CS) per un sottosistema elettronico completo. L'SSR c.c. RP1D060D8, discusso in precedenza e mostrato nella Figura 5 (terzo da sinistra), è montato in un contenitore 4-SIP (a quattro pin). Questo SSR controlla una corrente di uscita di 8 A o inferiore e può essere montato su una scheda CS senza bisogno di un dissipatore termico.

Le guide DIN sono guide metalliche utilizzate all'interno di un involucro per montare dispositivi elettrici come interruttori, alimentatori e SSR. RGS1A60D50KKE di Carlo Gavazzi è un SSR c.a. SPST a commutazione zero, che utilizza il montaggio su guida DIN ed è illustrato all'estrema destra nella Figura 5. Può commutare 660 V e 50 A all'uscita. Utilizza una linea di controllo c.c. con un intervallo compreso tra 4 V_c.c. e 32 V_c.c.. Il modulo DIN è largo solo 17,5 mm per un'installazione compatta. Anche se la guida di montaggio fornisce un certo raffreddamento, sono disponibili dissipatori di calore compatibili con la guida DIN.

Conclusione

Senza elementi mobili, senza erosione dei contatti e senza interferenze elettriche dovute ad archi elettrici sulle superfici di contatto, gli SSR hanno l'affidabilità necessaria per l'automazione industriale e di fabbrica. La scelta del dispositivo giusto può essere semplificata affidandosi a un fornitore come Carlo Gavazzi, che offre una vasta gamma di prodotti SSR. Con una certa conoscenza del funzionamento, delle caratteristiche e delle applicazioni degli SSR, i progettisti possono essere più sicuri di trovare il relè giusto per soddisfare i requisiti di ogni progetto.