כיצד לבחור את ממסר מצב-מוצק המתאים לדרישות היישום

ממסרי מצב-מוצק (SSR) משמשים במספר הולך וגדל של תעשיות, כולל פלסטיק, אריזות, מזון ומשקאות, HVAC, מוליכים-למחצה, אנרגיה מתחדשת וקונבנציונלית, נפט וגז, תחבורה, דפוס, מעבדות, כבשנים ותנורים, תאורה, רפואה ובקרת תנועה. SSRs משמשים לעתים קרובות במקום ממסרים אלקטרומגנטיים (EMRs‏) מכיוון שאין להם חלקים נעים והם מחזיקים מעמד זמן רב. הם גם אינם חשופים לשחיקת מגעים ולהפרעות חשמליות עקב קשת חשמלית במשטחי המגע.

מכיוון ש-SSRs זמינים במספר תצורות התומכות בסוגי עומס שונים, המתכננים חייבים להבין כיצד לבחור SSRs שיתאימו לשימוש המיועד. זה נכון במיוחד ביישומים תעשייתיים כגון בקרת מנועים, משאבות ומאווררים עם העומסים האינדוקטיביים שלהם, הדורשים סוג ממסר שונה מיישומי חימום ותאורה, המציגים עומסים התנגדותיים.

מאמר זה דן בקצרה מדוע SSRs הם אופציה טובה לאוטומציה במפעלים ובתעשיה. לאחר מכן הוא מתאר את השימוש שלהם, מאפייניהם, וכיצד לבחור אותם עבור יישום באמצעות התקנים לדוגמה של Carlo Gavazzi‏.

מדוע להשתמש ב-SSR?

מערכות אוטומציה במפעלים ובתעשייה דורשות התקני מיתוג המאופיינים בעלות נמוכה, אמינות, זמני הפעלה מהירים ללא ניתורי או קשתות חשמליות בין המגעים, הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI) מינימליות, רגישות נמוכה לסביבות קשות וסבילות גבוהה לזעזועים מכניים ורעידות. SSRs‏ משתמשים בהתקני מוליכים-למחצה כדי להחליף את הארמטורות והמגעים של ממסרים מכניים בפעולות מיתוג המאפשרים להם לעמוד בדרישות אלו. בהיותם סגורים לחלוטין, SSRs עמידים גם בפני זעזועים, רעידות, לחות, כימיקלים אגרסיביים ואבק. התוצאה היא התקנים בעלי אורך חיים ארוך ואמינות גבוהה.

בחירת ממסר SSR עבור היישום שלכם דורשת הבנת העומס המבוקר והמאפיינים החיוניים של SSRs כדי להתאים את צורכי היישום למפרט הממסר.

מפרטי בקרה ועומס של SSR‏

SSRs‏ ניתנים לבקרה באמצעות מתח בקרה AC‏ או DC‏. בקרת DC משתמשת במתח נמוך, בדרך כלל V‏ 4‏ עד V‏ 32‏. הם יכולים גם להשתמש בחוג זרם של mA‏ 4‏ עד mA‏ 20‏ או כניסה אנלוגית של _DC‏V‏ 1‏ עד _DC‏V‏ 10‏. בקרת AC משתמשת במתחים בתחום של _AC‏V‏ 24‏ עד _AC‏V‏ 275‏.

עומסי SSR יכולים להיות AC או DC. קיימים SSRs‏ עם מתח עומס AC‏ הגבוה עד כדי _AC‏V‏ 690‏ ודירוגי זרם AC‏ של עד A‏ 125‏. דירוגי DC‏ הם _DC‏V‏ 500‏ ו-A‏ 100‏.

סוגי עומסים חשמליים

עומסים חשמליים מסווגים לפי המאפיינים החשמליים הדומיננטיים שלהם. מנועים, מאווררים ומשאבות מסווגים כעומסים אינדוקטיביים. זרם העומס והמתח הם לא-בפאזה, כאשר הזרם מפגר אחרי המתח. עומסים אינדוקטיביים מתנגדים לשינויים בזרם העומס שלהם על ידי יצירת פוטנציאל מתח נגדי הנקרא כוח אלקטרו-מניע לאחור (EMF). SSRs‏ המשמשים עם עומסים אינדוקטיביים צריכים להיות מסוגלים להתמודד עם מתחים אלה.

התקנים כמו תנורי חימום, תנורים, כיריים חשמליות, מייבשים ומנורות הם דוגמאות לעומסים התנגדותיים. המתח והזרם בעומסים התנגדותיים הם באותה פאזה.

עומסים קיבוליים מתנגדים לשינויים במתח העומס. הזרם והמתח בעומס קיבולי הם לא-בפאזה, כאשר הזרם מקדים את המתח. רוב ספקי הכוח הממותגים וכמה התקנים רפואיים כמו דפיברילטורים מציגים עומס קיבולי. כאשר מתח מופעל לראשונה על עומס קיבולי, הוא מהווה אימפדנס נמוך ביותר, וכתוצאה מכך נוצר זרם כניסה גבוה.

המאפיינים של כל סוג עומס מכתיבים את סוג ה-SSR הנדרש עבור הבקרה שלו.

סוגי SSRs‏

ישנם חמישה סוגים נפוצים של SSRs (איור 1): מיתוג אפס או חציית אפס, מיתוג מיידי או מיתוג אקראי, מיתוג DC, מיתוג שיא ומיתוג זווית פאזה או מיתוג אנלוגי.

איור 1: סוג ה-SSR נקבעלפי זמן מיתוג ה-SSR ביחס למתח הקו. (מקור התמונה: .Carlo Gavazzi Inc‏)

סוגי SSR מבוססים על זמן מיתוג ההתקן יחסית לפאזה של מתח הקו. SSR עם מיתוג-אפס הוא ממסר AC שממתג את העומס בחציית האפס הראשונה של מתח הקו לאחר הפעלת אות הבקרה. זמן המיתוג של ה-SSR הוא, לכל היותר, חצי מחזור של תדר הקו, כך שעבור תדר קו של 60 הרץ (Hz), הוא 8.3 מילי-שניות (ms). SSRs‏ עם מיתוג-אפס משמשים בעיקר עם עומסים התנגדותיים כדי להגביל זרמי נחשול גבוהים בזמן המיתוג. מכיוון שמתח הקו הוא אפס כאשר העומס מחובר, הזרם בעומס התנגדותי הוא גם כן אפס. ממסר מסוג זה מתאים גם לרוב העומסים האינדוקטיביים והקיבוליים.

SSR עם מיתוג-אקראי או הפעלה מיידית, גם הוא ממסר AC, מספק כוח באופן מיידי לעומס עם הפעלת מתח הבקרה. הוא מופעל בכל פאזה של מתח הקו. שיהוי תגובה טיפוסי הוא של פחות מ-ms‏ 1‏ ממסרי מיתוג אקראי משמשים עם עומסים אינדוקטיביים.

SSR עם מיתוג DC מיועד עבור יישומי DC‏ התנגדותיים ואינדוקטיביים. כמו ממסר מיתוג אקראי, הוא מחבר את העומס מיד עם הפעלת אות הבקרה. זמן התגובה הוא פחות מ-100 מילי-שניות (ms‏).

SSR‏ מיתוג-שיא ממתג בשיא מתח הקו הבא לאחר יישום מתח הבקרה. ממסרים אלה משמשים לעומסים אינדוקטיביים כבדים כגון שנאים.

SSR‏ זווית-פאזה או מיתוג-אנלוגי קורא את המתח של אות הבקרה האנלוגי. הוא משנה את זמן ההולכה של יציאת הממסר פרופורציונלית לאמפליטודת מתח הבקרה. סוג זה של SSR משמש במערכות חוג-סגור וביישומים שבהם משתמשים באתחול-רך כדי להגביל את זרמי ההתנעה.

סוגי SSR אחרים, גרסאות של אלו שתוארו, משמשים פחות עבור צורכי יישום מיוחדים.

מספר הקטבים

SSRs הם התקנים בעלי דרך-יחידה היכולים להדליק או לכבות קוטב. מספר הקטבים מתייחס למספר מתחי הקו שהוא יכול לבקר. קו AC חד-פאזי או קו DC דורשים SSR חד-קוטבי. קו חד-פאזי של V‏ 220‏ זקוק לשני קטבים, אחד לכל אחד ממקורות רכיבי V‏ 110‏. ממסר תלת-קוטבי נדרש עבור יישומים תלת-פאזיים.

הממסרים מסווגים כקוטב-יחיד דרך-יחידה (SPST‏), שני קטבים דרך-יחידה (DPST‏), או שלושה-קטבים דרך-יחידה (3PST‏).

תכן SSRs‏

דיאגרמות בלוקים הפונקציונליים של SSRs‏ משתנות בהתאם לסוג היישומים AC או DC. SSRs‏ עבור יישומי AC‏ ביפולריים, כגון ממסר מיתוג-אפס DPST‏ RK2A60D50P‏ של Carlo Gavazzi‏ (איור 2‏), משתמש בתיריסטורים כהתקני הבקרה.

איור 2: מוצגת דיאגרמת בלוקים פונקציונליים של SSR‏ DPST‏ RK2A60D50P‏ עבור יישומי AC‏. (מקור התמונה: .Carlo Gavazzi Inc‏)

ה-RK2A60D50P מדורג להתמודד עם מתחי יציאה של V‏ 660‏ וזרמי יציאה גבוהים של עד A‏ 50‏. SSRs‏ אחרים במשפחה זו יכולים להתמודד עם זרמי יציאה של עד A‏ 75‏. הוא דורש מתח בקרה של _DC‏V‏ 4‏ עד _DC‏V‏ 32‏. כמו כל ה-SSRs‏, הוא משתמש במצמד אופטי כדי להבטיח בידוד חשמלי בין מקור מתח הבקרה ל-_RMS‏V‏ 4,000‏ של הקו. לממסר זה יש כניסת בקרה משותפת עבור שתי היציאות; גרסאות אחרות במשפחת המוצרים כוללות כניסות בקרה נפרדות עבור כל יציאה. מתח הבקרה מפעיל גלאי חציית-אפס, המפעיל את התיריסטורים האנטי-מקביליים בחציית האפס של הקו עבור שני הקטבים.

יישומי DC, בהיותם חד-קוטביים, משתמשים בטרנזיסטורים כהתקן המיתוג העיקרי. זה מוצג בדיאגרמת הבלוקים הפונקציונליים של ה-SSR‏ DC‏ SPST‏ RM1D060D50‏ של Carlo Gavazzi‏ (איור 3‏).

איור 3: מוצגת דיאגרמת הבלוקים הפונקציונליים של ה-SSR‏ DC‏ SPST‏ RM1D060D50‏; SSRs‏ DC‏ משתמשים בטרנזיסטורים כהתקן המיתוג העיקרי. (מקור התמונה: .Carlo Gavazzi Inc‏)

התקן זה מטפל במתחי יציאה מ-_DC‏V‏ 1‏ עד _DC‏V‏ 60‏ ובזרמי יציאה של A‏ 50‏. לסדרת SSRs‏ זו יש ממסרים שיכולים לטפל ב-_DC‏V‏ 500‏ ובזרמים של A‏ 100‏. מאחר והקו הוא DC‏ אוניפולרי, משתמשים ב-MOSFET‏ כמתג העיקרי. התוצאה היא ממסר עם זמני תגובה להפעלה וכיבוי שהם כל אחד פחות מ- ms‏ 100‏ ממסר זה יכול לפעול במהירות מיתוג של Hz‏ 1,000‏ ומשתמש בתחום מתחי בקרה DC‏ של _DC‏V‏ 4‏ עד _DC‏V‏ 32‏. התקנים אחרים במשפחת מוצרים זו מציעים מתחי בקרה AC הגבוהים עד כדי V‏ 280‏. מתח הבקרה גם מבודד אופטית מהקו עם בידוד של _RMS‏V‏ 3,750‏.

בידוד גלווני בין קו הבקרה לבין העומס יכול להתבצע גם באמצעות צימוד שנאי. סוג זה של בידוד, המוצג באמצעות דיאגרמת הבלוקים של ה-RP1D060D8‏ של Carlo Gavazzi‏ (איור 4), משתמש במקור RF מאופנן המצומד דרך שנאי RF כדי לספק בידוד גלווני בין הכניסה והיציאה.

איור 4: צימוד שנאי ב-RP1D060D8 משיג בידוד גלווני. (מקור התמונה: .Carlo Gavazzi Inc‏)

SSR‏ מיתוג DC‏ זה הוא בדירוג לטיפול ב-_DC‏V‏ 350‏ ו-A‏ 8‏. הוא משתמש במתח בקרה DC‏ בתחום של _DC‏V‏ 4.25‏ עד _DC‏V‏ 32‏. הוא נתון במארז SIP‏-4‏ עם ארבעה פיני חור-עובר במרווחים של כפולות של 0.1 אינץ'. הוא שונה מ-SSRs‏ אחרים שהוזכרו בכך שהוא קטן יותר ומשתמש בצימוד שנאי כדי לבודד את הכניסה מהיציאה. יש לו מפרט בידוד של _RMS‏V‏ 4,000‏ וזמן תגובה למיתוג של <ms‏ 100‏ בסגירה ו-<ms‏ 250‏ בפתיחה.

תחום טמפרטורות פעולה

מתחי המיתוג של SSRs‏ הם עד V‏ 660‏ וזרמים של A‏ 100‏, והם יכולים לייצר חום משמעותי. הספק מתפזר בעת מיתוג, כאשר הזרם דרך הממסר והמתח עליו אינם אפס. חום זה יש להרחיק מהממסר באמצעות צלעות-קירור. טמפרטורת הסביבה משפיעה על דירוג הזרם המקסימלי של ה-SSR ויש להפחית את דירוג הזרם בטמפרטורת סביבה גבוהה. SSRs‏ ניתן בדרך כלל להפעיל ללא צלעות-קירור עבור זרמי יציאה של A‏ 5‏ או פחות. אם הממסר מותקן על משטח מתכת, גבול זה עולה ל-A‏ 8‏. Carlo Gavazzi‏ מציעה צלעות-קירור המתאימות לדגמי SSR‏ ספציפיים המבטיחות ביצועים אופטימליים בכל סביבה תרמית.

סוגי ההרכבה

ה-SSRs‏ מוצעים בסגנונות מארז שונים (איור 5) כדי להתאים ליישום המיועד. רוב סוגי ההרכבה דורשים שהממסר יהיה מחובר למשטח מוליך חום או לצלעות-קירור כדי לבקר את טמפרטורת ההתקן.

איור 5‏: מוצגות דוגמאות של תצורות הרכבה נפוצות עבור SSRs‏. (מקור התמונה: .Carlo Gavazzi Inc‏)

ה-RZ3A60D55‏ של Carlo Gavazzi‏ (משמאל) הוא SSR‏ 3PST‏ עם מיתוג-אפס AC‏ עם יציאה בדירוג של V‏ 660‏ ו-A‏ 55‏, המבוקר על ידי אות כניסה DC‏ של _DC‏V‏ 4‏ עד _DC‏V‏ 32‏. הוא משתמש במערכת הרכבת שלדה מודולרית, כאשר כל שלושת התקני המיתוג מורכבים על לוחית בסיס משותפת. באמצעות פד תרמי או צלעות-קירור, לוחית הבסיס מורכבת על משטח מוליך חום.

ה-SSR‏ דיסקת הוקי נקראת כך בשל הצורה העבה והמבנה הדחוס. המבנה הסולידי של מארז זה הופך אותו לעמיד יותר בפני זעזועים ורעידות, ומשפר את האמינות בסביבות תעשייתיות קשות. ה-RM1D060D50 שתואר קודם לכן, המוצג באיור 5 (שני משמאל), הוא דוגמה ל-SSR המשתמש במארז דיסקת הוקי.

מודול מערכת-בתוך-מארז (SIP‏) הוא לוח מעגלים מודפסים (PCB‏) המורכב בתוך מארז סגור כתת-מערכת אלקטרונית שלמה. ה-SSR‏ DC‏ RP1D060D8‏, שתואר קודם לכן ומוצג באיור 5‏ (שלישי משמאל), מורכב בתוך מארז SIP‏-4‏ (ארבעה-פינים). SSR זה מבקר זרם יציאה של A‏ 8‏ או פחות וניתן להרכבה על לוח מעגלים מודפסים ללא צורך בצלעות-קירור.

מסילות DIN הן מסילות מתכת המשמשות בתוך מארז להרכבת התקנים חשמליים כמו מפסקי זרם, ספקי כוח ו-SSRs‏. ה-RGS1A60D50KKE‏ של Carlo Gavazzi‏ הוא SSR‏ SPST‏ מיתוג-אפס AC‏ המשתמש בהרכבת מסילות DIN‏ ומוצג באיור 5‏ בצד הימני הרחוק. הוא יכול למתג V‏ 660‏ ו-A‏ 50‏ ביציאה שלו. הוא משתמש בקו בקרה DC‏ בתחום של _DC‏V‏ 4‏ עד _DC‏V‏ 32‏. המודול DIN הוא ברוחב 17.5 מ"מ בלבד עבור התקנה קומפקטית. בעוד שמסילת ההרכבה מספקת קירור מסוים, קיימות צלעות קירור התואמות למסילת DIN.

סיכום

ללא חלקים נעים וללא שחיקת מגעים או הפרעות חשמליות עקב קשת חשמלית במשטחי המגע, ל-SSRs יש את האמינות הדרושה לאוטומציה במפעלים ובתעשייה. את בחירת ההתקן הנכון ניתן לפשט על ידי הסתמכות על ספק כמו Carlo Gavazzi‏, המציע מגוון רחב של מוצרי SSR. עם הבנה מסוימת של פעולת SSR, מאפייניהם ויישומיהם, המתכננים יכולים להיות בטוחים יותר במציאת הממסר המתאים עבור דרישות התכן.