Основы SSR (твердотельные реле): коммутационное устройство
В этой статье представлено введение в основную работу твердотельных реле с акцентом на устройства вывода в современных SSR.
Существует множество обстоятельств, в которых нам необходимо контролировать высокую нагрузку на ток / напряжение, основанную на работе схемы с малой мощностью, например, при использовании выхода 5 В на микроконтроллере для включения нагрузки 10 А, 240 В. В этих случаях необходимо обеспечить достаточную изоляцию между мощными и маломощными частями системы. Для достижения этой цели можно использовать различные типы реле, такие как электромеханические реле (ЭМИ), герконовые реле и твердотельные реле (SSR).
Хотя ЭМИ все еще широко используются, у них есть несколько недостатков по сравнению с ССР. В этой статье кратко рассматриваются недостатки EMR и приводятся некоторые подробности относительно базовой работы SSR с акцентом на устройства вывода.
EMR и их недостатки
Электромеханическое реле (ЭМИ) активирует катушку, намотанную на железный сердечник, для управления положением якоря. Для нормально разомкнутого выхода активированная катушка заставляет якорь вставлять электрические контакты в состояние ВКЛ. Когда катушка обесточивается, пружины могут переместить контакты обратно в положение ВЫКЛ.
Рисунок 1. В ЭМИ возбужденная катушка перемещает якорь для подключения или отключения выходных клемм. Изображение адаптировано из электронных учебников
Электромеханическое реле надежное и универсальное. Однако он занимает больше места и медленнее, чем SSR. Как правило, EMR требуется от 5 до 15 мс для переключения и установки - задержки, которая неприемлема в некоторых приложениях. Кроме того, благодаря своим движущимся частям, ЭМИ имеют более короткий срок эксплуатации.
Электромеханическое реле использует магнитные поля для обеспечения изоляции; SSR, напротив, достигает этой цели, как правило, посредством оптической связи. Как показано на рисунке 2, в SSR для подсветки светодиода используется небольшое входное напряжение, обычно от 3 до 32 В постоянного тока. Когда светодиод включен, выходное фоточувствительное устройство, такое как TRIAC, включает и проводит ток.
Рисунок 2. Основная структура ССБ. Изображение адаптировано из pc-управления
SSR может быть спроектирован для переключения нагрузки постоянного тока или переменного тока, а некоторые типы могут переключать нагрузки переменного и постоянного тока. Выходной тип SSR (AC, DC или AC / DC) определяется типом коммутационного устройства: транзистором (либо биполярным, либо MOS), либо SCR, либо TRIAC.
BSR на основе BJT
Упрощенная структура вывода этих SSR показана на рисунке 3 (обратите внимание, что это только устройство вывода, а оптопакет не показан). Когда светодиод горит, транзистор начинает ток. Как показано на рисунке 3, SSR имеет гибкость нагрузки: RL может быть подключен либо к коллектору (RL на фиг. 3 и 5), либо к эмиттеру (RL (ALT) на фиг.3 и 5) терминала транзистора. Учитывая известные IV характеристические кривые BJT, показанные на рисунке 4, желательно, чтобы транзистор работал в A (насыщение) или B (почти полностью выключен).
Поскольку рабочая точка транзистора движется дальше от А или В и к центру линии нагрузки, транзистор входит в область, в которой как напряжение коллектора-эмиттера ($$ V_ {CE} $$), так и ток коллектора ($ $ I_ {C} $$) высоки. Это приводит к большой рассеиваемой мощности, которая может повредить SSR (на A и B, либо $$ V_ {CE} $$, либо $$ I_C $$ мала, и обрабатываемая тепло может быть обработана). Чтобы ускорить переход между состояниями ON и OFF, некоторые SSR используют положительную обратную связь.
Рисунок 3. Использование BJT в качестве устройства вывода SSR. Изображение адаптировано из Solid Relay Handbook с приложениями Энтони Бишопа
Рисунок 4. Вольт-амперные характеристики BJT. Изображение адаптировано из Solid Relay Handbook с приложениями Энтони Бишопа
Когда коммутационное устройство SSR включено (см. Пункт A выше), происходит падение напряжения на выходных терминалах SSR, которое называется «падение напряжения на выходе». Этот параметр указан в техническом описании устройства. Для BSR на основе BJT, таких как серия DC60, максимальное падение напряжения на выходе может составлять от 1 до 1, 3 В. Предполагая падение на 1 В на выходе SSR, мы можем оценить рассеивание мощности на основе BSR на основе BJT около 1 ватт на ампер.
В BJT SSR для достижения более высокого коэффициента усиления от фотосъемки до этапа переключения производители используют такие структуры, как Darlington и дополнительные конфигурации, как показано ниже.
Рисунок 5. Дарлингтон и дополнительные конфигурации, используемые в некоторых BSR на основе BJT. Изображение адаптировано из Solid Relay Handbook с приложениями Энтони Бишопа
MOS-based SSRs
Многие SSR используют МОП-транзисторы в качестве коммутационного устройства. На рисунке 6 показан пример SSR, который может использоваться как для нагрузки переменного тока, так и для постоянного тока. Зачем этим SSR нужны два транзистора "" src = "// www.allaboutcircuits.com/uploads/articles/Fig5m592017.png" />
Рисунок 6. SSR на основе MOS. Изображение предоставлено Omron
В то время как в спецификациях для BSR, основанных на BJT, указывается падение напряжения в состоянии on-state, таблицы данных для SSR на основе MOS дают сопротивление состояния, которое значительно варьируется от одного устройства к другому и может составлять всего несколько миллиомов.
Некоторые основанные на MOS SSRs приводят к исходному терминалу. Это позволяет использовать две различные конфигурации, как показано на рисунке 7. Конфигурация только на постоянном токе, показанная на рисунке 7, может иметь почти половину сопротивления конфигурации AC / DC.
Рисунок 7. Конфигурация AC / DC и DC только для SSR на основе MOS. Изображение предоставлено IXYS (PDF)
Высоковольтные / токовые AC SSR обычно используют SCR или TRIAC в качестве коммутационного устройства. Эти АС переменного тока могут использоваться для переключения нагрузки 90 A, 480 Vrms с приводом только 50 мА. В отличие от ранее обсуждавшихся коммутационных устройств, SCR и TRIAC не могут использоваться для коммутации постоянного тока. Это связано с механизмом положительной обратной связи, который присутствует в SCR и TRIAC и не позволяет выключить устройство, если ток, проходящий через устройство, не опускается ниже определенного уровня (и это обычно не происходит при нагрузке постоянного тока). Основные характеристики этих SSR кратко обсуждаются в остальной части статьи.
SCR- и TRIAC-based SSRs
Силиконовый выпрямитель (SCR) представляет собой четырехслойную структуру PNPN с тремя терминалами: анодом, затвором и катодом. SCR включает в себя регенеративную обратную связь, так что он имеет два стабильных состояния: ON и OFF. Когда SCR выключен, он блокирует ток в обоих направлениях, и когда он включен, SCR действует как выпрямитель и позволяет текущему потоку от анода к катоду. Работа SCR может быть понята путем сравнения структуры PNPN SCR с аналогичной транзистором, показанной на рисунке 8. Обратите внимание, что транзисторная аналогия на рисунке 8 (b) имеет два трехслойных элемента (PNP-транзистор и NPN-один), но, учитывая связь между слоями, показанную на рисунке 8 (а), мы можем поделиться некоторыми из этих уровней между двумя транзисторами и построить всю структуру, используя только четырехслойное устройство PNPN.
Рисунок 8. Структура PNPN действует как два BJT-транзистора. Изображение адаптировано из Solid Relay Handbook с приложениями Энтони Бишопа
Когда напряжение затвора на рисунке 8 (B) увеличивается, увеличивается $$ I_ {C2} $$, что приводит к увеличению $$ I_ {B2} $$. Это, в свою очередь, еще больше увеличивает напряжение затвора Q2. В результате существует механизм положительной обратной связи, который пытается увеличить ток анода-катод SCR. Хотя мы можем включить SCR, подав сигнал на его ворота, мы не можем отключить его, контролируя ворота. SCR можно отключить только путем уменьшения тока, протекающего в устройство ниже определенного уровня, так что усиление петли положительной обратной связи опускается ниже единицы, и устройство перестает проводить. Благодаря этому механизму обратной связи мы не можем использовать SCR для включения и выключения нагрузки постоянного тока.
Поскольку SCR проводит только половину цикла, для переключения источника питания переменного тока необходимо поместить один SCR в конфигурацию моста или использовать два SCR в обратной параллельной конфигурации, как показано на рисунке 9.
Рисунок 9. SSR на основе SCR можно получить, поставив один SCR в мост (A) или два SCR в обратную параллель (B). Изображение адаптировано из Solid Relay Handbook с приложениями Энтони Бишопа
На рисунке 9 (A), когда включен SCR, структура моста обеспечивает путь прохождения тока независимо от полярности источника питания. Одним из основных недостатков этой схемы является падение напряжения от двух дополнительных диодов, которые должны быть добавлены к уровню SCR. Структура, показанная на рисунке 9 (B), не вводит дополнительные потери мощности, но для управления SCR требуется два управляющих сигнала. Один из способов получения этих двух управляющих сигналов состоит в использовании вариации схемы, показанной на рисунке 9 (A), в качестве этапа управления на рисунке 9 (B). Общая структура будет очень похожа на ту, что показана на рисунке 11. Обратите внимание, что структура на рисунке 9 (A) подходит для использования в качестве драйвера для другого коммутационного устройства, потому что на предыдущем этапе ток может быть значительно ниже, а мощность потребление управляемо.
Интегрируя два SCR в обратную параллельную структуру, производители достигают истинного переключателя переменного тока, называемого TRIAC. TRIAC имеет три терминала: затвор, главный терминал 2 и главный терминал 1. Интересно, что TRIAC имеет только один вход управляющего сигнала, и когда устройство активируется через этот терминал затвора, он ведет в любом направлении. Общая характеристика переключения TRIAC аналогична общей характеристике двух SCR в обратной параллельной конфигурации.
Как показано на рисунке 10, TRIAC может использоваться как коммутационное устройство SSR. Тем не менее, можно использовать TRIAC в качестве драйвера для другого коммутационного устройства, как показано на рисунке 11. Эта схема позволяет маломощному SSR управлять сильноточными нагрузками с помощью внешних высокомощных SCR. На рисунке 11 показано, как мы можем использовать TRIAC вместе с тремя резисторами для создания двух управляющих сигналов на рисунке 9 (B). Читатель может убедиться, что независимо от полярности выходного переменного напряжения, затвор SCR будет иметь положительное напряжение из-за тока, который проходит через TRIAC. Теперь, основываясь на полярности напряжения переменного тока, один из двух SCR будет проводить ток.