SOLID STATE RELÉ Alexandr Krejèiøík Praha 2002

Na konci knihy je jako pøíloha doplnìn katalogový pøehled nejpoužívanìjších a nejdostupnìjších optotriakù a Solid State relé, které jsou v Èeské republice k mání prostøednictvím rùzných distributorù (GM Electronic, Enika, GES Electronic, Spoerle Electronic, Conrad Electronic, SOS Electronic, ) Pøehled sestavil Libor Kubica Alexandr Krejèiøík SOLID STATE RELÉ Bez pøedchozího písemného svolení nakladatelství nesmí být kterákoli èást kopírována nebo rozmnožována jakoukoli formou (tisk, fotokopie, mikrofilm nebo jiný postup), zadána do informaèního systému nebo pøenášena v jiné formì èi jinými prostøedky Autor a nakladatelství nepøejímají záruku za správnost tištìných materiálù Pøedkládané informace jsou zveøejnìny bez ohledu na pøípadné patenty tøetích osob Nároky na odškodnìní na základì zmìn, chyb nebo vynechání jsou zásadnì vylouèeny Všechny registrované nebo jiné obchodní známky použité v této knize jsou majetkem jejich vlastníkù Uvedením nejsou zpochybnìna z toho vyplývající vlastnická práva Veškerá práva vyhrazena Alexandr Krejèiøík, Praha 2002 Nakladatelství BEN technická literatura, Vìšínova 5, Praha 10 Alexandr Krejèiøík: SOLID STATE RELÉ BEN technická literatura, Praha 2002 1 vydání ISBN 80-7300-081-4

OBSAH SEZNAM POUŽITÝCH ZNAÈEK A SYMBOLÙ 5 O PROBLEMATICE 9 O KNIZE 10 1 FUNKCE ELEKTRONICKÝCH RELÉ 11 1 1 Rozdìlení SSR podle typu výstupního obvodu 15 1 1 1 SSR S ANALOGOVÝM PØENOSEM 15 1 1 2 SSR SPÍNACÍHO TYPU 28 1 2 Rozdìlení SSR podle typu vstupního obvodu 37 1 2 1 VSTUP S LED 37 1 2 2 VSTUP S USMÌRÒOVAÈEM 47 1 2 3 JINÉ TYPY VSTUPÙ 48 1 3 Rozdìlení SSR podle typu izolace 48 1 3 1 SSR S OPTRONEM 50 1 3 2 SSR S TRANSFORMÁTOREM 55 1 3 3 SSR S NÁBOJOVOU VAZBOU 59 1 4 Rozdìlení SSR podle spínání 60 1 4 1 OKAMŽITÉ SPÍNÁNÍ (ASYNCHRONNÍ) 61 1 4 2 SPÍNÁNÍ V NULE (SYNCHRONNÍ) 64 1 5 Rozdìlení SSR podle poètu fází 65 1 6 SSR s regulací 67 1 7 SSR bez izolaèních vlastností 77 1 8 Ochranné obvody, jištìní, omezení proudu 78 1 9 Chlazení SSR 82 1 10 Testování SSR 85 2 POROVNÁNÍ MECHANICKÝCH A POLOVODIÈOVÝCH RELÉ 87 2 1 Hybridní relé 88 A ALEXANDR KREJÈIØÍK: SOLID STATE RELÉ 3

3 STANDARDNÍ SSR øady MOC30XX 97 3 1 MOC3061, 3062, 3063 97 3 2 MOC3010, 3011, 3020, 3021 106 4 SSR FIRMY SHARP 113 4 1 4 2 S26MD01 113 S21MD4 118 5 SSR FIRMY CARLO GAVAZZI 125 5 1 RS1A23D25 127 5 1 1 NAMÌØENÉ VLASTNOSTI 130 5 2 RD0605-D 133 5 2 1 SCHÉMA ZAPOJENÍ 137 5 2 2 NAMÌØENÉ VLASTNOSTI 138 5 3 RP130-240-3-05 143 5 3 1 NAMÌØENÉ VLASTNOSTI 144 5 4 RA2425-D06T 153 6 SSR FIRMY COSMO 157 6 1 KSD203AC3 157 7 SSR FIRMY HYPEL (ÈR) 161 7 1 HSRC05 162 LITERATURA 165 KATALOGOVÝ PØEHLED SSR 170 KNIHY NAKLADATELSTVÍ BEN technická literatura 192 Kontaktní adresy 199 4 ALEXANDR KREJÈIØÍK: SOLID STATE RELÉ A

SEZNAM POUŽITÝCH ZNAÈEK A SYMBOLÙ a [m/s 2 ] zrychlení AC/AC oznaèení napì ového pøevodníku (mìnièe) ze støídavého napìtí na støídavé napìtí, zde i SSR ovládaného støídavým napìtím na vstupu, které mùže na výstupu spínat pouze i støídavé napìtí AC/DC oznaèení zdroje napìtí (pøevodníku) ze støídavého napìtí na stejnosmìrné, zde i SSR ovládaného støídavým napìtím na vstupu, které mùže na výstupu spínat pouze stejnosmìrné napìtí BE oznaèení pøechodu báze-emitor BKO oznaèení pro bistabilní klopný obvod BR oznaèení mùstkového usmìròovaèe, Bridge Rectifier = mùstkový usmìròovaè C oznaèení kondenzátoru C GS [F] vstupní kapacita unipolárního tranzistoru, GS = Gate Source (nebo Substrat) = hradlo emitor (substrát) C iso [F] kapacita mezi vstupními a výstupními svorkami SSR C OUT,C 34 [F] kapacita mezi výstupními svorkami, pokud jimi neteèe proud D oznaèení diody d [m] prùmìr (vodièe vinutí) DC/AC oznaèení napì ového pøevodníku (mìnièe) ze stejnosmìrného napìtí na støídavé napìtí, zde i SSR ovládaného stejnosmìrným napìtím na vstupu, které mùže na výstupu spínat i støídavé napìtí DC/DC oznaèení napì ového pøevodníku ze stejnosmìrného napìtí na stejnosmìrné napìtí, zde i SSR ovládaného stejnosmìrným napìtím na vstupu, které mùže na výstupu spínat pouze stejnosmìrné napìtí Di oznaèení diaku di/dt [A/s] rychlost zmìny velikosti proudu DIL6 oznaèení pouzdra integrovaného obvodu (DIL6 = Dual in Line = vývody ve dvou øadách, celkem 6 vývodù, tj 2 3) du/dt [V/s] rychlost zmìny velikosti napìtí EMR Electro Mechanical Relay = elektromechanická relé f [Hz] kmitoèet FT Field Transistor = tranzistor øízený elektrickým polem (také FET), také oznaèení fototranzistoru G Gate = hradlo, øídicí elektroda g [m/s 2 ] tíhové zrychlení (9,81) A ALEXANDR KREJÈIØÍK: SOLID STATE RELÉ 5

GND oznaèení zemní svorky, GND = Ground = zem h 21E [-] proudový zesilovací èinitel bipolárního tranzistoru I 34max [A] maximální hodnota proudu, kterým mùže být zatížen výstup, aby nedošlo k jeho proudovému (a následnì výkonovému a tepelnému) pøetížení I B [A] proud báze bipolárního tranzistoru I C [A] proud kolektoru bipolárního tranzistoru I CM [A] maximální hodnota kolektorového proudu tranzistoru I F [A] propustný proud diody I F [A] propustný proud LED, který teèe mezi vstupními svorkami, když je vstupní svítivá dioda (LED) polarizovaná propustnì I F(OFF) [A] proud vypnutí LED, hodnota vstupního proudu LED, pøi které dojde k rozepnutí výstupu SSR I F(ON) [A] pracovní proud LED, hodnota vstupního proudu LED, která zpùsobí sepnutí výstupu SSR I FP [A] špièkový proud LED, maximální okamžitá hodnota propustného proudu svítivou diodou (vstupního proudu) I FT [A] pracovní proud LED, hodnota vstupního proudu LED, která zpùsobí sepnutí výstupu SSR I G [A] vstupní proud do hradla, do øídicí elektrody tyristoru, triaku I H [A] pøídržný proud tyristoru nebo triaku I IN [A] vstupní proud I leak [A] výstupní proud SSR v rozepnutém stavu, proud tekoucí mezi výstupními svorkami SSR, pokud je SSR v rozepnutém stavu I L [A] trvalý výstupní proud, který mùže SSR trvale procházet bez (zejména tepelného) poškození SSR (L = Load) I O, I OUT [A] trvalý výstupní proud, výstupní proud, který mùže SSR trvale procházet bez (zejména tepelného) poškození SSR I SC [V] výstupní proud obvodu pøi zatížení nulovou impedancí (SC = short circuit) I T(rms) [A] trvalý efektivní výstupní proud, který mùže SSR trvale procházet bez (zejména tepelného) poškození SSR I TM [A] trvalý špièkový výstupní proud, který mùže SSR trvale procházet bez (zejména tepelného) poškození SSR j [A/mm 2 ] proudová hustota (ve vodièi) J1 oznaèení pøechodu tyristoru K [A z] konstanta relé (poèet závitù krát proud potøebný k pøítahu kotvy relé) K, K T [K/W] tepelný odpor LED Light Emission Diode = svìtlo emitující dioda (také jen LE dioda) MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor = tranzistor øízený polem se strukturou kov-oxid-polovodiè N [-] poèet závitù cívky, vinutí transformátoru 6 ALEXANDR KREJÈIØÍK: SOLID STATE RELÉ A

OFF vypnuto ON zapnuto OSC oznaèení osciloskopu OZ oznaèení operaèního zesilovaèe P [W] výkon P D [W] ztrátový výkon výstupního obvodu P IN [W] vstupní výkon LED, pøípustné výkonové zatížení vstupu SSR PN oznaèení polovodièového pøechodu mezi oblastí P a N typu, pøenesenì oznaèení polovodièové diody s tímto typem pøechodu P OUT [W] výstupní výkonová ztráta, ztrátový výkon SSR, který je nutno odvést P TOT [W] celkový ztrátový výkon SSR (vstup + výstup + øídicí èást) PWM Pulse Width Modulation = pulznì šíøková modulace R [W] odpor R B [W] bázový odpor RBSOA Reverse Biased SOA = bezpeèná pracovní oblast souèástky pøi její závìrné polarizaci napìtím R C [W] kolektorový odpor R DS(ON) [W] odpor kanálu unipolárního tranzistoru v sepnutém stavu Re oznaèení relé (jeho cívky) R E [W] emitorový odpor re1 oznaèení kontaktu relé R F oznaèení fotoodporu R iso [W] izolaèní odpor odpor mezi vstupními a výstupními svorkami SSR, definovaný jako velikost proudu pøi definované hodnotì pøiloženého napìtí R ON [W] výstupní odpor SSR v sepnutém stavu, je dán pomìrem úbytku napìtí mezi sepnutými výstupnímu svorkami a proudem mezi nimi procházejícím RV [%] relativní vlhkost R Z [W] zatìžovací odpor S [m 2 ] plocha (prùøez vodièe) SMD Surface Mount Devices = souèástky povrchové montáže SOA Safe Operating Area = bezpeèná pracovní oblast (souèástky) SSR Solid State relay = relé v pevné fází, polovodièové relé, elektronické relé t [s] èas T [s] doba periody T, Q oznaèení tranzistoru T a [ C] teplota okolí (a = ambient = okolí) T amax [ C] pracovní teplota, teplota okolí, pøi které mùže SSR trvale pracovat T j [ C] teplota pøechodu PN v souèástce t OFF [s] doba rozepnutí, èasové zpoždìní mezi vstupním impulzem a rozepnutím výstupu SSR t ON [s] doba sepnutí, èasové zpoždìní mezi vstupním impulzem a sepnutím výstupu A ALEXANDR KREJÈIØÍK: SOLID STATE RELÉ 7

Tr oznaèení triaku TTL oznaèení druhu logiky pro integrované obvody Ty oznaèení tyristoru U 34max [V] maximální hodnota napìtí U 34, které je možno pøipojit mezi vývody 3 a 4 U B [V] napájecí (bateriové) napìtí U BE [V] napìtí pøechodu báze emitor bipolárního tranzistoru v propustném smìru U CC [V] napájecí napìtí U CES [V] saturaèní napìtí bipolárního tranzistoru U DRM [V] špièkové napìtí na výstupu optoèlenu opakovatelné U F [V] napìtí na diodì v propustném smìru U F [V] úbytek napìtí na LED pøi prùchodu proudu svítivou diodou v propustném smìru (je funkcí proudu) U IN [V] vstupní napìtí U iso U ISO [V] izolaèní napìtí kritická hodnota napìtí pøed prùrazem SSR, je-li toto napìtí aplikované po dobu 1 minuty mezi stejnými svorkami SSR, kde byl mìøen izolaèní odpor U KA [V] závìrné napìtí na diodì (plus na katodì, mínus na anodì) U L [V] napìtí na zátìži, výstupní napì ový rozsah, pøi kterém je zátìž (a SSR) schopna pracovat, maximální hodnota støídavého výstupního napìtí (L = Load) U OFF [V] výstupní napìtí pøi nevodivém (nazapnutém) výstupu U OC [V] výstupní napìtí nezatíženého obvodu (OC = open circuit) U OUT [V] výstupní napìtí U O, U OUT [V] napìtí na zátìži, výstupní napì ový rozsah, pøi kterém je zátìž (a SSR) schopna pracovat, maximální hodnota støídavého výstupního napìtí U R [V] závìrné napìtí LED (závìrná polarita napìtí na vstupních svorkách) U TM [V] maximální úbytek napìtí na sepnutém spínacím prvku (tyristoru, triaku) VA oznaèení volt-ampérové charakteristiky X C [W] kapacitní složka impedance kondenzátoru, kapacitance Z [%] pomìrné ztráty ZD oznaèení Zenerovy diody Ž oznaèení žárovky r [W m] mìrný odpor (vodièe) p [-] Ludolfovo èíslo j [ ] úhel w [rad/s] kruhový kmitoèet t RR [s] vypínací doba diody t [s] èasová konstanta 8 ALEXANDR KREJÈIØÍK: SOLID STATE RELÉ A

O PROBLEMATICE Elektronická (polovodièová) relé (Solid State Relay = relé v pevné fázi) jsou souèástky, jejichž pùvodní funkcí bylo nahrazovat relé elektromechanická Jejich pùvodní uplatnìní se pùvodnì uvažovalo ve výkonových aplikacích, kde tato elektronická relé mìla nahrazovat relé mechanická a to zejména z dùvodù malé životnosti mechanických kontaktù, rozpínajících vìtšinou zátìž indukèního typu Na místì mechanických kontaktù se tedy nejprve objevovala dvojice antiparalelnì zapojených tyristorù a pozdìji triak, èi dokonce jiné spínací prvky analogového typu (tranzistory) S vývojem ovládání tohoto koncového spínacího prvku se nejprve navíc objevila vlastnost galvanického oddìlení vstupního (øídicího) obvodu od výkonové (øízené) èásti elektronického relé Tím vlastnì byla zámìna klasického mechanického relé za elektronické dokonèena Vývoj elektronického relé tím však nekonèil Elektronické obvody tohoto relé umožòovaly do tohoto nového pøístroje zabudovat celou øadu dalších funkcí, velmi výhodných pro øízení výkonových spotøebièù První z tìchto vlastností bylo spínání v nule prùbìhu napìtí sítì, kdy dochází k minimalizaci zapínacích proudových nárazù a minimalizaci rušení tímto spínacím prvkem Další rozvoj vlastností elektronického relé s sebou pøinesl možnost fázového a cyklového øízení spínaného výkonu a tím pomalý nábìh výkonu zátìže, zmìnu výkonu zátìže, dobìh asynchronních motorù a reverzaci chodu motorù Teprve následnì se zaèaly rozmìry a výkony elektronických relé zmenšovat a vývoj dospìl až ke vzniku elektronického relé jako kompaktní souèástky, která již v øadì pøípadù ani nemá chladicí plochu pro pøipojení na chladiè, protože zpracovává tak malé výkony, že je pouzdro staèí rozptýlit samo S poklesem rozmìrù, hmotnosti a výkonu elektronických relé klesala i jejich cena, takže tyto souèástky zaèaly být využívány i mimo klasické výkonové (silnoproudé) aplikace Vzhledem k tomu, že není zvykem výrobcù uvádìt detailní schémata a vlastnosti vyrábìných pøístrojù, pøešla tato informaèní nedostateènost i na elektronická relé ve formì souèástek, kde jinak je pomìrnì bìžná dobrá detailní informovanost o vnitøním zapojení Snad k tomu pøispívá i obvykle hybridní zapojení tìchto elektronických relé z diskrétních prvkù, SMD souèástek a zabudovaných monolitických obvodù Malá informovanost pak má za následek dosud malé využívání tìchto souèástek v konstrukcích, kde mohou vyøešit celou øadu obvodových problémù, zajména galvanické oddìlení ovládaných výkonových výstupù A ALEXANDR KREJÈIØÍK: SOLID STATE RELÉ 9

O KNIZE Tato publikace se tedy snaží kromì teoretického popisu možností a vlastností elektronických relé uvést i na nìkolika pøíkladech souèástek, prodávaných na èeském trhu jejich konstrukci, schémata a odmìøené vlastnosti, dùležité pro použití tìchto souèástek v navrhovaných a vyvíjených konstrukcích Výrobcù elektronických relé je (zejména v USA) mnoho desítek a není technicky možné se zmínit o celém vyrábìném sortimentu tìchto obvodù Pokud však bude laskavý ètenáø touto publikací inspirován, snadno najde na internetu celou øadu odkazù na výrobky tohoto typu Je potìšitelné, že elektronická relé zaèínají vyrábìt i èeské firmy, napø fa HYPEL, jejíž výrobky lze nalézt na http://www hypel cz a jsou zmiòovány i v jedné kapitole této publikace S dotazy a pøipomínkami se lze obracet na autora prostøednictvím adresy autor krejciri@feld cvut cz 10 ALEXANDR KREJÈIØÍK: SOLID STATE RELÉ A