Spis treści:
Przekaźniki półprzewodnikowe to niezwykle przydatne moduły, znajdujące zastosowanie w różnych dziedzinach elektroniki. Warto poznać ich budowę, zasadę działania oraz parametry.
Przekaźnik SSR vs. przekaźnik elektromagnetyczny
Hasło „przekaźnik” większości osób kojarzy się z elektromechanicznym podzespołem przełączającym, wykonanym na bazie elektromagnesu oraz zespołu stałych i ruchomych styków. Tradycyjne przekaźniki elektromagnetyczne mają szereg istotnych zalet, do których należy m.in. bardzo niska rezystancja styków, dzięki której łączone obwody są sterowane w sposób niemalże bezstratny. Niski koszt standardowych modeli przekaźników, a także łatwość ich sterowania, wpływają na niegasnącą popularność tychże komponentów w urządzeniach automatyki przemysłowej, instalacjach budynkowych, sprzęcie pomiarowym i medycznym, aplikacjach motoryzacyjnych, aparaturze wojskowej i niezliczonych innych obszarach techniki. Niestety – największą wadą przekaźników jest ograniczona trwałość styków, zwłaszcza w warunkach obciążeń zbliżonych do maksymalnego dopuszczalnego prądu/napięcia dla styków danego modelu.
W sytuacjach, w których konieczne jest częste przełączanie lub długotrwała, bezawaryjna praca, z pomocą przychodzą tzw. przekaźniki półprzewodnikowe (ang. Solid State Relay, w skrócie SSR). Są one całkowicie pozbawione jakichkolwiek elementów ruchomych – sterowanie obwodem obciążenia odbywa się wyłącznie na drodze elektronicznej, przez co moduły SSR osiągają niewiarygodnie wysoką trwałość i niezawodność, nawet przy naprawdę imponujących obciążeniach.
Mało tego – przekaźniki półprzewodnikowe oferują znacznie wyższą szybkość przełączania w porównaniu do klasycznych przekaźników. Czas opóźnienia pomiędzy zmianą sygnału sterującego, a reakcją wyjściowych obwodów kluczujących plasuje się na poziomie kilku milisekund lub mniej. Przekaźniki SSR lepiej nadają się również do sterowania odbiornikami indukcyjnymi, pozwalają bowiem zredukować poziom emisji zakłóceń, powstających podczas przełączania obciążeń.
Budowa przekaźnika SSR
Wejście typowego przekaźnika SSR zawiera izolację galwaniczną, zapewnioną przez transoptor lub optotriak. Zadaniem optoizolatora jest separacja obwodu wejściowego od wyjściowego, co ma chronić zarówno układ sterujący (np. mikrokontroler) przed niekontrolowanymi przepływami prądów bądź zbyt wysokimi potencjałami, jak i użytkowników – przez skutkami groźnych dla życia porażeń elektrycznych.
Po stronie „wtórnej” bariery galwanicznej znajdują się właściwe elementy kluczujące, włączone szeregowo w obwód zasilania obciążenia. W roli kluczy występują najczęściej triaki lub sparowane ze sobą tranzystory MOSFET, choć można także spotkać konstrukcje bazujące na tyrystorach lub nawet nowoczesnych tranzystorach IGBT dużej mocy. Ważną częścią przekaźnika SSR są obwody gasikowe, stosowane do tłumienia impulsów napięciowych, powstających podczas sterowania obciążeniami o charakterze indukcyjnym. SSR może zawierać także dodatkowe układy zabezpieczające, takie jak ochronniki przeciwprzepięciowe czy też obwody monitorowania temperatury. Ze względu na wydzielanie ciepła przez obciążone dużym prądem elementy półprzewodnikowe, w praktyce często stosuje się radiatory dla poprawy warunków chłodzenia przekaźnika – obudowy SSR średniej i dużej mocy są zatem konstrukcyjnie przygotowane do instalacji zewnętrznych radiatorów.
Najważniejsze rodzaje przekaźników SSR
Zaletą elektronicznego przełączania obciążeń jest możliwość elastycznego dopasowania sposobu sterowania odbiornikiem energii do potrzeb konkretnej aplikacji. Co ciekawe, w przypadku przekaźników półprzewodnikowych mamy do wyboru trzy główne typy tych komponentów, różniące się zachowaniem w odpowiedzi na sygnał sterujący.
- Przekaźniki typu instant On są sterowane całkowicie asynchronicznie względem przebiegów napięcia i prądu sieciowego w obwodzie wyjściowym. Oznacza to, że załączenie przekaźnika następuje niemal natychmiast po podaniu odpowiedniego sygnału na wejście sterujące, a równie krótko trwa także jego wyłączanie po zaniku napięcia na wejściu.
- Przekaźniki z przełączaniem w zerze napięcia sieciowego, po otrzymaniu sygnału sterującego, odczekują do najbliższego „zera” – czyli momentu, w którym sinusoida napięcia sieciowego przechodzi przez zero (innymi słowy – zmienia się polaryzacja napięcia w obwodzie obciążenia) i dopiero wtedy uruchamiają element wyjściowy (np. triak). Dzięki temu duże obciążenia rezystancyjne (np. grzałki) mogą być bezpiecznie, „miękko” załączane, bez ryzyka powstania dużych udarów prądowych.
- Przekaźniki z załączaniem w szczycie napięcia sieciowego działają analogicznie do opisanych poprzednio, z tą jednak różnicą, że załączenie wyjścia następuje w momencie, gdy napięcie obwodu obciążenia osiąga wartość maksymalną. Taki tryb pracy przydaje się podczas sterowania obciążeń indukcyjnych, gdyż – z uwagi na przesunięcie fazy – pikowi napięcia odpowiada (w przybliżeniu) zerowe natężenie prądu.
Przykładowe parametry
Najważniejsze parametry katalogowe przekaźników SSR przeanalizujemy na przykładzie jednego z dostępnych w naszym sklepie modułów marki Fotek – SSR-75 DA. Przekaźnik jest przystosowany do pracy z obciążeniem sieciowym, przy czym zakres napięcia przemiennego rozciąga się już od 24 V AC i dochodzi do 380 V AC. Prąd znamionowy, który moduł jest w stanie obsłużyć, to aż 75 amperów, zaś czas reakcji nie przekracza 10 ms, czyli jednego półokresu napięcia o częstotliwości 50 Hz. Co ważne, przekaźnik może być wysterowany za pomocą niskonapięciowych układów cyfrowych – minimalne napięcie wejściowe, potrzebne do uruchomienia wyjścia, to jedynie 3 V. Górne ograniczenie sygnału sterującego wynosi 32 V, dzięki czemu przekaźnik może pracować także w systemach zasilanych napięciem 12V czy też 24 V – dobrym przykładem będą tutaj sterowniki PLC. Cały moduł ma wymiary 63 x 45 x 23 mm i może być przykręcony do radiatora za pomocą dwóch śrub o rozstawie równym 48 mm.
