Halfgeleiderrelais: een basisoverzicht

Dit is de blog over halfgeleiderrelais (solid state relay - SSR) die ik in mijn laatste blog over mechanische relais beloofde. SSR's voeren dezelfde basisfuncties uit als mechanische relais, maar hier zal ik bespreken hoe ze intern werken, waarom je er de voorkeur aan zou moeten geven boven een mechanisch relais en behandel ik wat terminologie.

SSR's bestaan uit drie hoofddelen: een sensor, een schakelinrichting en een koppelingsmechanisme. Gewoonlijk wordt de koppeling optisch uitgevoerd om elektrische isolatie te bieden tussen de besturings- en signaalschakelingen. De ingang zet een interne led aan die een lichtgevoelige diode inschakelt. De diode schakelt een SCR, thyristor of MOSFET in, waardoor er stroom naar de uitgangspennen mogelijk is.

SSR's zijn sneller dan mechanische relais, omdat er geen bewegende onderdelen zijn, waardoor de vrijgavetijd sterk wordt verminderd, contactterugslag is geen factor, ze gaan langer mee en er is geen akoestisch geluid. Enkele nadelen van SSR's zijn dat ze een hogere contactweerstand hebben dan een mechanisch relais en dat ze kwetsbaarder zijn voor schade door piekstromen. Als de interne schakelinrichting beschadigd is, is het relais onbruikbaar.

Een aspect dat de meeste mensen in verwarring brengt als ze naar SSR's kijken, zijn de uitgangstypes. Ze kunnen DC, AC of een combinatie van beide schakelen. Bij het schakelen van AC, zijn er meerdere opties, zoals nuldoorgang, proportionele besturing of asynchroon. Laten we kijken naar de verschillen tussen die types.

Nuldoorgang ('Synchroon'): nadat de stuurspanning is toegepast, schakelt het relais pas aan wanneer de belastingsspanning door nul volt gaat. Op de onderstaande afbeelding is de DC-stuurspanning te zien die naar de ingang wordt gestuurd, maar de AC-belastingsspanning wordt pas bij regel 1 door de uitgang geleid, wat de eerste maal is dat de sinusgolf door nul volt gaat. De belasting wordt pas weer uitgeschakeld wanneer de sinus de eerste maal door nul gaat nadat de stuurspanning is uitgeschakeld (Regel 1 markeert het inschakelpunt en regel 2 het uitschakelpunt).

Afbeelding 1: Nuldoorgang relais (Bron afbeelding: DigiKey)

Proportionele besturing: in dit geval is het vermogen dat aan de belasting wordt geleverd recht evenredig met het analoge stuursignaal dat aan de ingang wordt geleverd. Het stuursignaal kan diverse verschillende vormen aannemen, zoals 0 - 5 V_DC, 4 - 20 mA en 0 - 10 V_DC. Deze variërende signaaluitgangen worden typisch aangetroffen in verlichtings- of verwarmingstoepassingen.

Asynchroon ('Onmiddellijk' of 'Willekeurig inschakelend'): de uitgang van deze relais schakelt in zodra er spanning op de ingang wordt toegepast en schakelt uit zodra de spanning wordt verwijderd en de sinusgolf nul bereikt.

Lees voor meer informatie over elektromechanische relais of relais in het algemeen deze blog: Mechanische relais: een basisoverzicht, of bekijk de onderstaande video.