Hoe gespecialiseerde solid-state relais met lage ruis toepassen om EMI te beperken en aan kritische normen te voldoen

Sinds hun introductie meer dan drie decennia geleden hebben solid-state relais (SSR's) de elektromagnetische relais (EMR's) verdrongen voor schakeltoepassingen die een uiterst betrouwbare, boogvrije werking met laag vermogen vereisen. Andere voordelen van SSR's zijn een geruisloze werking en compatibiliteit met digitale regelcircuits.

Bij veeleisende toepassingen thuis, in de handel en in de medische sector - vooral wanneer moet worden voldaan aan internationale normen voor elektromagnetische compatibiliteit (EMC), zoals IEC 60947-4-3 - is echter een zorgvuldige relaisselectie nodig om ervoor te zorgen dat de door het relais veroorzaakte elektromagnetische interferentie (EMI) tot een minimum beperkt blijft. Sommige producten kunnen spanningspieken veroorzaken en het risico inhouden dat niet aan de EMC-normen wordt voldaan.

In dit artikel worden de voor- en nadelen van SSR's en de toepassingen waarvoor zij het meest geschikt zijn, uiteengezet. Het artikel gaat vervolgens in op de belangrijkste onderdelen van het relais die storende emissies kunnen veroorzaken, alvorens een reeks ruisarme SSR's van Sensata Technologies te introduceren die ontwerpers kunnen gebruiken voor EMI-gevoelige commerciële, huishoudelijke en medische toepassingen.

EMR's versus SSR's

Omdat de schakelaar in gesloten toestand wordt blootgesteld aan de volledige stroomsterkte van het circuit, is het gebruik van een schakelaar om een circuit met hoog vermogen in en uit te schakelen onpraktisch. De schakelaar geeft een gevaarlijke lichtboog tijdens de werking en raakt oververhit tijdens de werking. De oplossing is een zwakstroomschakeling te gebruiken, die wordt in- en uitgeschakeld door een conventionele schakelaar, om de sterkstroomschakeling te activeren.

Een van de voordelen van deze opstelling is dat de kosten en de ruimte worden beperkt doordat er minder zware bedrading nodig is voor het hoog-vermogencircuit. Deze voordelen zijn te danken aan het feit dat het relais dicht bij de belasting kan worden geplaatst, en dat dunnere draden kunnen worden gebruikt voor de verbinding met de schakelaar met laag vermogen. Die schakelaar bevindt zich meestal in een positie die voor de gebruiker gemakkelijker is. Bovendien kan de stroomkring met laag vermogen galvanisch worden gescheiden van de stroomkring met hoog vermogen. Voorbeelden van relais zijn o.a. commerciële ovens, huishoudelijke apparaten en medische apparatuur.

Traditionele EMR's gebruiken een spoel die door het zwakstroomcircuit onder stroom wordt gezet om een magnetisch veld te creëren dat vervolgens de (normaal geopende) contacten sluit. De EMR's kunnen een AC of DC belasting schakelen tot hun maximum vermogen. Hun contactweerstand vermindert naarmate de belasting toeneemt, waardoor de vermogensverspreiding afneemt en er geen koellichaam nodig is (figuur 1).

Afbeelding 1: EMR's verbinden wisselstroom met de belasting wanneer de schakelaar in het laagspanningscircuit gesloten is en de spoel bekrachtigt die op zijn beurt de contacten sluit. (Bron afbeelding: DigiKey)

De belangrijkste voordelen van EMR's zijn de lage kosten en de gegarandeerde isolatie bij elke toegepaste spanning onder de diëlektrische rating van de voorziening. Isolatie is bijzonder belangrijk wanneer de stroomkring met hoog vermogen volledig moet worden in- of uitgeschakeld zonder gevaar voor verwonding van de gebruiker door lekstromen. EMR's zijn ook een goede optie indien grote piekstromen of piekspanningen in de wisselstroomvoorziening worden verwacht.

De belangrijkste nadelen van EMR's zijn de kans op EMI en slijtage. Omdat bij het openen en sluiten van de contacten vonken kunnen ontstaan, kan het relais een aanzienlijke EMI genereren. Over het algemeen zijn de niveaus laag en goed ontworpen EMR's zijn voorzien van afscherming om eventuele emissies te beperken, maar voorzichtigheid is geboden bij toepassingen die worden gebruikt in de nabijheid van EMI-gevoelige apparatuur.

Omdat EMR's mechanische apparaten zijn, zullen zelfs de best ontworpen en vervaardigde producten uiteindelijk verslijten. In de meeste gevallen is het de spoel die het eerst faalt, waardoor het toestel in een fail-safe toestand blijft omdat de contacten normaal open (NO) zijn, waardoor de stroomcircuits met laag vermogen geïsoleerd blijven van de stroomcircuits met hoog vermogen. Moderne EMR's zijn echter zeer betrouwbaar en het is vaak zo dat de door het relais gevoede apparatuur het eerst verslijt.

SSR's zijn tot hun recht gekomen nu de regelcircuits die worden gebruikt voor het schakelen van toepassingen met hoog vermogen, zijn overgeschakeld op digitale elektronica. Zoals de naam al aangeeft, zijn SSR's halfgeleiderelementen en als zodanig zeer geschikt voor besturing door digitale circuits op basis van microcontrollers, met name voor toepassingen met hoge schakelsnelheden.

SSR's pakken de belangrijkste nadelen van EMR's aan. Omdat er geen bewegende delen zijn, slijten SSR's niet. De toestellen presteren gewoonlijk tientallen miljoenen cycli, maar als ze defect raken, is dat meestal in de "aan"-stand, wat gevolgen kan hebben voor de veiligheid. SSR's produceren geen vlambogen bij het openen of sluiten, waardoor ze niet alleen geschikt zijn voor gebruik in gevaarlijke omgevingen, maar ook de bron elimineren van veel van de EMI die EMR's kunnen teisteren. Ze zijn ook mechanisch stil, werken over een breed bereik van ingangsspanningen, en verbruiken weinig stroom, zelfs bij hoge spanningen. De omschakeling van EMR's naar SSR's is versneld omdat de prijs van SSR's blijft dalen.

De belangrijkste nadelen van SSR's vloeien voort uit hun basis als halfgeleiderschakeling. In de "aan"-stand is er bijvoorbeeld een aanzienlijke weerstand, waardoor er tientallen watts aan vermogen verloren gaan, met warmteontwikkeling als gevolg. De thermische uitdagingen zijn gewoonlijk van dien aard dat de ontwerper een aanzienlijk koellichaam moet aanbrengen, waardoor de omvang en het gewicht van de oplossing toenemen. SSR's worden ook beïnvloed door de omgevingswarmte en moeten daarom bij gebruik bij hogere temperaturen worden gereduceerd. De interne circuitweerstand kan ook een spanningsval genereren die problemen kan veroorzaken voor de belasting als deze gevoelig is voor veranderingen in de voedingsspanning. In de "uit"-stand vertonen SSR's enige lekstroom. Bij hoge spanningen kan dit ongewenst zijn of zelfs een veiligheidsprobleem vormen. Bovendien hebben veel SSR's een minimale belasting nodig om goed te functioneren.

Basisprincipes van SSR-werking

De uitgangsschakelaar is het belangrijkste onderdeel van de SSR. Voor een wisselstroomuitgangsrelais kan de uitgang worden geregeld door een triac of back-to-back siliciumgestuurde gelijkrichters (SCR's). Het belangrijkste voordeel van de SCR-oplossing is een snelle dv/dt-karakteristiek, vooral wanneer het relais "uit" staat.

Wanneer bijvoorbeeld een SSR met een triac die de uitgang regelt, uitschakelt, kan dv/dt zo langzaam zijn als 5 tot 10 volt/milliseconde (volt/ms). De langzame dv/dt-karakteristiek kan een probleem vormen omdat, indien di/dt voor de afnemende stroom (en/of dv/dt voor de opnieuw toegevoerde spanning) te ondiep is, de triac kan gaan geleiden nadat de wisselstroom het nulstroom/spanningspunt heeft overschreden. Een dergelijke gebeurtenis destabiliseert de uitgang en kan de EMI verhogen.

Ter vergelijking: SCR's hebben een dv/dt van ongeveer 500 volt/microseconde (volt/µs) en zullen niet geleiden na de nuldoorgang. Een ander voordeel van een SSR met SCR's is een betere warmteafvoer, aangezien de componenten over een groter oppervlak zijn verspreid dan bij een enkele triac. In de rest van dit artikel worden SSR's met een back-to-back SCR-eindtrap beschreven.

Een basis-SSR met SCR's is afgebeeld in Afbeelding 2. AC uitgang SSR's worden gewoonlijk gevoed door de AC-lijn. Wanneer S1 (geregeld door het ingangscircuit) gesloten is, zijn de respectieve poorten van SCR1 en SCR2 met elkaar verbonden en vloeit er stroom van de wisselstroombron door R1 of R2 en in de poort van de SCR met de voorwaartse voorspanning. Dit zet de SCR "aan" en het relais wordt geleid, waardoor de belasting wordt gevoed. Bij elke halve cyclus van de wisselstroomvoeding geleiden de SCR's beurtelings en wordt stroom aan de belasting geleverd. Wanneer S1 wordt geopend, blijft de SCR die "aan" is, geleiden totdat de wisselstroom nul bereikt wanneer de SCR "uit" wordt. Op dit punt ontvangt de andere SCR geen poortstroom meer, het relais gaat open en de stroom naar de belasting wordt uitgeschakeld.

Afbeelding 2: Basisopzet van een relais met back-to-back SCR's. S1 wordt gevormd door het low-power ingangscircuit. (Afbeelding bron: Sensata-Crydom)

Moderne SSR's maken gewoonlijk gebruik van een optocoupler voor de isolatie tussen de circuits met laag en hoog vermogen. De twee belangrijkste opties voor de ontwerper zijn het gebruik van een optocoupler op basis van een LED/optotransistor of een apparaat waarin een LED en een optotriac worden gecombineerd. Een optotransistor vereist minder stuurstroom, bespaart ruimte en geeft de ontwerper meer mogelijkheden om de kenmerken van het stuurcircuit te configureren. Het belangrijkste voordeel van de triac-benadering is de lagere kostprijs. Het schema van een optotriac gestuurd relais is afgebeeld in Afbeelding 3.

Afbeelding 3: In deze SSR vindt de scheiding tussen circuits met laag en hoog vermogen plaats via een optocoupler op basis van een optotriac. (Afbeelding bron: Sensata-Crydom)

(Voor meer informatie over de keuze van een SSR, zie het technische artikel van DigiKey: "Hoe veilig en efficiënt stroom of spanning schakelen met SSR's")

SSR's voor lage EMI-omgevingen

De keuze van een SSR met SCR-geregelde uitgang is een goede optie voor EMI-gevoelige toepassingen, omdat de apparaten inherente lage-ruiskenmerken hebben. Voor bijzonder gevoelige toepassingen, zoals toepassingen die het gebruik vereisen van schakelproducten die voldoen aan de IEC 60947-4-3 norm, moeten producten met ultralage ruis worden gekozen. SSR's die alleen inschakelen wanneer de wisselspanning het nulspanningspunt passeert - ongeacht wanneer de ingang wordt geactiveerd - zijn een goede optie voor deze toepassingen.

Deze zogenaamde nuldoorgangsinrichtingen elimineren inschakelstroom en spanningspieken die het gevolg kunnen zijn van het inschakelen van circuits met een hoog vermogen terwijl de wisselstroomuitgang zich in het midden van de cyclus bevindt. Dit verlaagt op zijn beurt de incidentie van EMI. Ontwerpers dienen er rekening mee te houden dat SSR's met nuldoorgang bijzonder geschikt zijn voor resistieve belastingen, zoals verwarmingselementen, maar niet voor sterk inductieve belastingen. Een betere keuze voor deze toepassingen zijn de zogenaamde random-switching SSR's. Deze schakelen zodra de ingangsschakelaar wordt geactiveerd, in plaats van te wachten tot de AC-voeding nul bereikt.

Sensata Technologies, dat de SSR's van het merk Sensata-Crydom aanbiedt, heeft onlangs drie producten geïntroduceerd in zijn LN-serie SSR's met AC-uitgang en laag ruisbereik. De LND4425 kan 25 ampère (A) aan de uitgang leveren, terwijl de LND4450 50 A levert en de LND4475 75 A. De apparaten vereisen een minimale belastingsstroom van 100 milliampère_rms (mA_rms) voor een stabiele werking, worden geleverd in de "hockey puck" vormfactor en wegen ongeveer 75 gram (g) (Afbeelding 4). Alle drie oplossingen hebben een uitgang van 48 tot 528 volt wisselstroom en werken met een stuurspanning van 4,8 tot 32 volt gelijkstroom. Ze hebben een ingebouwde overspanningsbeveiliging aan ingang/uitgang en hun diëlektrische sterkte van ingang tot uitgang bedraagt 3500 volt_rms.

Afbeelding 4: De LND44xx SSR's van Sensata-Crydom bieden tot 75 A en 528 volt in een compacte oplossing die slechts 75 g weegt. (Afbeelding bron: Sensata-Crydom)

De LN-serie is ontworpen voor de laagste EMI-waarden. Zij maken gebruik van een optocoupler met een optotriac aan de ingang, en back-to-back SCR's voor de uitgangsregeling om potentiële EMI te ondervangen die kan optreden als gevolg van een langzame dv/dt-karakteristiek. De back-to-back SCR's hebben een dv/dt van 500 volt/µs. De producten zijn tevens voorzien van een gepatenteerd triggercircuit dat het mogelijk maakt resistieve belastingen te schakelen met minimale EMI. Een schema van de SSR's van de LN-serie is afgebeeld in Afbeelding 5.

Afbeelding 5: De LN-serie SSR's van Sensata-Crydom is ontworpen om EMI tot een minimum te beperken met voorzieningen zoals een gepatenteerd triggercircuit en back-to-back SCR's. (Afbeelding bron: Sensata-Crydom)

Het resultaat van deze EMI-verminderende kenmerken is conformiteit met IEC60947-4-3 Environment B voor laagspanningslocaties voor huishoudelijk, commercieel en lichtindustrieel gebruik (Afbeelding 6).

Figuur 6: Gegeleide RF-emissietest voor de Sensata-Crydom LND4450 SSR. De drempelwaarde voor overeenstemming met IEC60947-4-3 Environment B wordt weergegeven als een ononderbroken oranje lijn. (Afbeelding bron: Sensata-Crydom)

De LN-serie is bijzonder geschikt voor toepassingen als verwarmingselementen in commerciële ovens, zoals getoond in Afbeelding 7.

Afbeelding 7: Relais gebruikt in commerciële ovens moeten voldoen aan de IEC60947-4-3 Environment B voorschriften. In deze grafiek zijn de relaallocaties aangegeven met getallen, waarbij "1" aangeeft waar LND44xx SSR's een goede keuze zouden zijn. (Afbeelding bron: Sensata-Crydom)

Conclusie

Relais zijn een eenvoudige en beproefde oplossing om een circuit met hoog vermogen te schakelen met behulp van een activeringscircuit met laag vermogen. EMR's zijn een goede optie wanneer een goedkope oplossing nodig is, maar zijn minder geschikt voor gebruik in hoogfrequente schakeltoepassingen en EMI-gevoelige omgevingen. SSR's zijn duurder, maar bieden een robuuste en slijtagevrije werking en zijn bijzonder geschikt voor aansturing door digitale elektronica. Ontwerpers die voor SSR's kiezen, moeten zich echter bewust zijn van de thermische uitdagingen die zij met zich meebrengen door de hogere warmtedissipatie in vergelijkbare toepassingen in vergelijking met EMR's.

Hoewel alle typen SSR's een lagere EMI vertonen dan EMR's, hebben sommige ontwerpen moeite om te voldoen aan de EMC-regelgevingseisen zoals gespecificeerd in IEC60947-4-3 Environment B. Zoals getoond, bestaat de oplossing erin SSR's te gebruiken met back-to-back SCR-eindtrappen. Deze bieden nuldoorgangsschakeling, wat resulteert in ultralage RF-emissies, waardoor het gemakkelijker is om aan de voorschriften te voldoen.