솔리드 스테이트 릴레이
무접점 계전기는 전기 기계 계전기와 동등한 반도체이며 움직이는 부품을 사용하지 않고 전기 부하를 제어하는 데 사용할 수 있습니다.
코일, 자기장, 스프링 및 기계적 접점을 사용하여 전원을 작동하고 전환하는 전기 기계 릴레이(EMR)와 달리 고체 릴레이(SSR)는 움직이는 부품이 없고 대신 고체 반도체의 전기적 및 광학적 특성을 사용합니다. 출력 절연 및 스위칭 기능에 대한 입력을 수행합니다.
일반 전기 기계 계전기와 마찬가지로 SSR은 비전도성(개방)일 때 매우 높고 거의 무한한 저항을 갖고 매우 낮은 저항을 갖는다는 점에서 기존 전기 스위치처럼 작동하는 출력을 통해 입력과 출력 접점 사이에 완전한 전기 절연을 제공합니다. 지휘 할 때 (폐쇄). 무접점 계전기는 일반적인 기계식 NO(상시 개방) 접점 대신 SCR, TRIAC 또는 스위칭 트랜지스터 출력을 사용하여 AC 또는 DC 전류를 모두 전환하도록 설계할 수 있습니다.
무접점 릴레이와 전기 기계 릴레이는 저전압 입력이 부하를 전환하고 제어하는 출력과 전기적으로 절연된다는 점에서 기본적으로 유사하지만 전기 기계 릴레이는 제한된 접점 수명 주기를 가지며 많은 공간을 차지할 수 있습니다. 스위치 속도가 느리며 특히 대형 전원 릴레이 및 접촉기가 있습니다. 솔리드 스테이트 릴레이에는 그러한 제한이 없습니다.
따라서 무접점 릴레이가 기존 전기 기계 릴레이에 비해 갖는 주요 장점은 마모될 움직이는 부품이 없으므로 접점 바운스 문제가 없고 기계식 릴레이보다 훨씬 빠르게 "ON" 및 "OFF"를 전환할 수 있다는 점입니다. 전기자는 움직일 수 있을 뿐만 아니라 제로 전압 턴온 및 제로 전류 턴오프를 통해 전기적 잡음과 과도현상을 제거합니다.
무접점 계전기는 단 몇 볼트 또는 암페어부터 수백 볼트 및 암페어의 출력 스위칭 기능에 이르는 표준 기성품 패키지로 구입할 수 있습니다. 그러나 전류 정격이 매우 높은(150A 이상) 무접점 계전기는 전력 반도체 및 방열판 요구 사항으로 인해 여전히 구매하기에는 너무 비싸므로 더 저렴한 전기 기계 접촉기가 여전히 사용됩니다.
전기 기계 계전기와 마찬가지로 일반적으로 3~32V DC의 작은 입력 전압을 사용하여 훨씬 큰 출력 전압 또는 전류를 제어할 수 있습니다. 예를 들어 240V, 10Amps입니다. 이는 마이크로컨트롤러 또는 로직 게이트를 사용하여 특정 회로 부하를 제어할 수 있는 저전류 5V 신호로 마이크로컨트롤러, PIC 및 Arduino 인터페이스에 이상적이며 이는 광통신을 사용하여 달성됩니다. 절연체.
솔리드 스테이트 릴레이 입력
무접점 계전기(SSR)의 주요 구성 요소 중 하나는 하나(또는 그 이상)의 적외선 발광 다이오드 또는 LED 광원과 감광 장치를 포함하는 광절연기(광커플러라고도 함)입니다. 하나의 사건. 광절연기는 입력과 출력을 분리합니다.
LED 광원은 SSR의 입력 드라이브 섹션에 연결되며 간격을 통해 인접한 감광성 트랜지스터, 달링턴 쌍 또는 트라이액에 대한 광학 커플링을 제공합니다. 전류가 LED를 통과하면 LED가 켜지고 그 빛은 갭을 가로질러 포토 트랜지스터/포토 트라이악에 집중됩니다.
따라서 광 결합 SSR의 출력은 일반적으로 저전압 신호로 이 LED에 전원을 공급하여 "ON"으로 전환됩니다. 입력과 출력 사이의 유일한 연결은 광선이므로 내부 광절연을 통해 고전압 절연(보통 수천 볼트)이 달성됩니다.
광절연기는 더 높은 수준의 입력/출력 절연을 제공할 뿐만 아니라 DC 및 저주파 신호도 전송할 수 있습니다. 또한, LED와 감광 장치는 서로 완전히 분리될 수 있으며 광섬유를 통해 광학적으로 결합될 수 있습니다.
SSR의 입력 회로는 광절연체의 LED와 직렬로 연결된 단일 전류 제한 저항기로 구성되거나 정류, 전류 조정, 역극성 보호, 필터링 등을 갖춘 보다 복잡한 회로로 구성될 수 있습니다.
판매 상태 릴레이를 활성화하거나 "ON"으로 전환하려면 최소값(일반적으로 3V DC)보다 큰 전압을 해당 입력 단자(전기 기계 릴레이 코일과 동일)에 적용해야 합니다. 이 DC 신호는 그림과 같이 기계식 스위치, 논리 게이트 또는 마이크로 컨트롤러에서 파생될 수 있습니다.
솔리드 스테이트 릴레이 DC 입력 회로
기계적 접점, 스위치, 푸시 버튼, 기타 릴레이 접점 등을 활성화 신호로 사용할 경우 사용되는 공급 전압은 SSR의 최소 입력 전압 값과 동일할 수 있지만 트랜지스터, 게이트 및 마이크로와 같은 솔리드 스테이트 장치를 사용할 경우 -컨트롤러의 경우 스위칭 장치 내부 전압 강하를 고려하기 위해 최소 공급 전압은 SSR의 켜기 전압보다 1~2V 높아야 합니다.
그러나 싱킹 또는 소싱의 DC 전압을 사용하여 무접점 릴레이를 전도로 전환하는 것 외에도 전파 정류를 위한 브리지 정류기와 DC 입력에 필터 회로를 추가하여 정현파를 사용할 수도 있습니다. 보여진 바와 같이.
솔리드 스테이트 릴레이 AC 입력 회로
브리지 정류기는 입력 주파수의 두 배에서 정현파 전압을 전파 정류 펄스로 변환합니다. 여기서 문제는 이러한 전압 펄스가 0V에서 시작하고 끝난다는 것입니다. 즉, SSR 입력 임계값의 최소 켜기 전압 요구 사항 아래로 떨어지므로 출력이 반주기마다 "켜짐" 및 "꺼짐"으로 전환됩니다.
이러한 불규칙한 출력 발생을 극복하기 위해 브리지 정류기의 출력에 평활 커패시터(C1)를 사용하여 정류된 리플을 평활화할 수 있습니다. 커패시터의 충전 및 방전 효과로 인해 정류된 신호의 DC 구성 요소가 무접점 릴레이 입력의 최대 켜기 전압 값 이상으로 높아집니다. 그러면 지속적으로 변화하는 정현파 전압 파형이 사용되더라도 SSR의 입력은 일정한 DC 전압을 나타냅니다.
전압 강하 저항기 R 1 및 평활 커패시터 C 1 의 값 은 공급 전압(120V AC 또는 240V AC)과 무접점 계전기의 입력 임피던스에 맞게 선택됩니다. 그러나 약 40kΩ 및 10uF이면 충분합니다.
그런 다음 이 브리지 정류기와 평활 커패시터 회로를 추가하면 AC 또는 무극성 DC 전원을 사용하여 표준 DC 솔리드 스테이트 릴레이를 제어할 수 있습니다. 물론 제조업체에서는 이미 AC 입력 무접점 계전기(일반적으로 90~280V AC)를 생산 및 판매하고 있습니다.
솔리드 스테이트 릴레이 출력
무접점 계전기의 출력 스위칭 기능은 입력 전압 요구 사항과 유사한 AC 또는 DC일 수 있습니다. 대부분의 표준 무접점 계전기의 출력 회로는 전기 기계 계전기의 SPST-NO(상시 개방, 단극, 단투) 작동과 동등한 한 가지 유형의 스위칭 동작만 수행하도록 구성됩니다.
대부분의 DC SSR의 경우 일반적으로 사용되는 솔리드 스테이트 스위칭 장치는 전력 트랜지스터, Darlington 및 MOSFET인 반면, AC SSR의 경우 스위칭 장치는 트라이악 또는 백투백 사이리스터입니다. 사이리스터는 높은 전압 및 전류 성능으로 인해 선호됩니다. 그림과 같이 브리지 정류기 회로 내에서 단일 사이리스터를 사용할 수도 있습니다.
솔리드 스테이트 릴레이 출력 회로
솔리드 스테이트 릴레이의 가장 일반적인 응용 분야는 ON/OFF 스위칭, 조도 조절, 모터 속도 제어 또는 전력 제어가 필요한 기타 애플리케이션을 위한 AC 전원 제어 여부에 관계없이 AC 부하의 스위칭입니다. 이러한 AC 부하 긴 수명과 높은 스위칭 속도를 제공하는 솔리드 스테이트 릴레이를 사용하여 저전류 DC 전압으로 쉽게 제어할 수 있습니다.
전기 기계식 계전기에 비해 무접점 계전기의 가장 큰 장점 중 하나는 부하 전류가 0인 지점에서 AC 부하를 "OFF"할 수 있다는 것입니다. 이를 통해 기존 기계식 계전기 및 유도성 부하와 관련된 아크, 전기 소음 및 접점 바운스를 완전히 제거할 수 있습니다. .
이는 AC 스위칭 무접점 계전기가 입력 신호가 제거되면 장치를 통해 흐르는 AC 전류가 임계값 아래로 떨어지거나 전류 값을 유지할 때까지 계속 전도하는 출력 스위칭 장치로 SCR 및 TRIAC를 사용하기 때문입니다. 그러면 SSR의 출력은 사인파 피크 중간에 절대로 꺼질 수 없습니다.
제로 전류 차단은 전자 기계 계전기의 접점에 의해 아크로 표시되는 유도성 부하의 전환과 관련된 전기적 잡음 및 역기전력을 감소시키기 때문에 무접점 계전기 사용 시 주요 이점입니다. 일반적인 AC 솔리드 스테이트 릴레이의 아래 출력 파형 다이어그램을 고려하십시오.
솔리드 스테이트 릴레이 출력 파형
입력 신호가 적용되지 않으면 SSR이 효과적으로 OFF(개방 회로)되고 출력 단자에 전체 AC 공급 전압이 표시되므로 부하 전류가 SSR을 통해 흐르지 않습니다. DC 입력 신호를 적용하면 SSR의 제로 전압 스위칭 특성으로 인해 정현파의 어느 부분이 양수 또는 음수인지에 관계없이 파형이 교차할 때만 출력이 켜집니다. 영점.
공급 전압이 양의 방향 또는 음의 방향으로 증가하면 출력 사이리스터 또는 트라이액을 완전히 켜는 데 필요한 최소값(일반적으로 약 15V 미만)에 도달합니다. SSR 출력 단자의 전압 강하는 스위칭 장치의 온 상태 전압 강하 V T (일반적으로 2V 미만)입니다. 따라서 반응성 또는 램프 부하와 관련된 높은 돌입 전류가 크게 감소됩니다.
DC 입력 전압 신호가 제거되면 전도가 시작되면서 출력이 갑자기 꺼지지 않으며, 스위칭 장치로 사용되는 사이리스터 또는 트라이액은 부하 전류가 유지 장치 아래로 떨어질 때까지 반주기의 나머지 기간 동안 ON 상태를 유지합니다. 현재, 어느 시점에서 스위치가 꺼집니다. 따라서 사인파 중간에 유도 부하 전환과 관련된 높은 dv/dt 역기전력이 크게 감소합니다.
그러면 전기 기계식 계전기에 비해 AC 무접점 계전기의 주요 장점은 AC 부하 전압이 0V에 가까울 때 SSR을 켜서 부하 전류가 항상 시작되므로 높은 돌입 전류를 억제하는 제로 크로싱 기능입니다. 0V에 가까운 지점에서 사이리스터 또는 트라이액의 고유한 제로 전류 턴오프 특성을 나타냅니다. 따라서 입력 신호 제거와 부하 전류 제거 사이에 1/2사이클의 가능한 최대 턴오프 지연이 있습니다.
위상 조광 솔리드 스테이트 릴레이
무접점 계전기는 부하의 제로 크로싱 스위칭을 간단하게 수행할 수 있지만 디지털 논리 회로, 마이크로프로세서 및 메모리를 통해 훨씬 더 복잡한 기능을 수행할 수도 있습니다. 솔리드 스테이트 릴레이의 또 다른 탁월한 응용 분야는 집에서든 쇼나 콘서트에서든 램프 조도 조절 응용 분야입니다.
AC 사인파의 다음 제로 크로싱 지점까지 대기하는 위의 제로 크로싱 SSR과 달리 논제로(즉시 켜짐) 스위칭 무접점 릴레이는 입력 제어 신호 적용 직후에 켜집니다. 이 랜덤 파이어 스위칭은 램프 디밍과 같은 저항성 애플리케이션과 AC 사이클의 작은 부분 동안만 부하에 전원을 공급해야 하는 애플리케이션에 사용됩니다.
랜덤 스위칭 출력 파형
이를 통해 부하 파형의 위상 제어가 가능하지만 무작위 턴온 SSR의 주요 문제는 릴레이가 턴온되는 순간의 초기 부하 서지 전류가 공급 전압이 다음과 같을 때 SSR 스위칭 전력으로 인해 높을 수 있다는 것입니다. 최고값(90 ° )에 가깝습니다. 입력 신호가 제거되면 부하 전류가 그림과 같이 사이리스터 또는 트라이액 유지 전류 아래로 떨어지면 전도가 중지됩니다. 분명히 DC SSR의 경우 ON-OFF 전환 동작은 즉각적입니다.
무접점 계전기는 전기 기계 계전기(EMR)와 달리 움직이는 부품이나 접점이 없기 때문에 광범위한 ON/OFF 스위칭 애플리케이션에 이상적입니다. 사이리스터, 트라이액, 트랜지스터와 같은 반도체 스위칭 소자를 사용하므로 AC 및 DC 입력 제어 신호는 물론 AC 및 DC 출력 스위칭에 대해 선택할 수 있는 다양한 상용 유형이 있습니다.
그러나 우수한 광절연체와 트라이액을 결합하여 히터, 램프 또는 솔레노이드와 같은 AC 부하를 제어하는 저렴하고 간단한 무접점 릴레이를 직접 만들 수 있습니다. 광절연기는 작동하는 데 소량의 입력/제어 전력만 필요하므로 제어 신호는 PIC, Arduino, Raspberry PI 또는 기타 마이크로 컨트롤러에서 나올 수 있습니다.
예시 1
120V AC, 600와트 가열 요소를 제어하기 위해 디지털 출력 포트 신호가 +5V에 불과한 마이크로 컨트롤러가 필요하다고 가정해 보겠습니다. 이를 위해 MOC 3020 광트리악 절연기를 사용할 수 있지만 내부 트라이악은 120V AC 공급 피크에서 1Amps 피크의 최대 전류(I TSM )만 전달할 수 있으므로 추가 스위칭 트라이악도 사용해야 합니다.
먼저 MOC 3020 광절연기(다른 광트리액 사용 가능)의 입력 특성을 고려해 보겠습니다. 광절연기 데이터시트에 따르면 입력 발광 다이오드의 순방향 전압(V F ) 강하는 1.2V이고 최대 순방향 전류(IF ) 는 50mA입니다.
LED가 최대 50mA까지 합리적으로 밝게 빛나려면 약 10mA가 필요합니다. 그러나 마이크로 컨트롤러의 디지털 출력 포트는 최대 30mA만 공급할 수 있습니다. 그러면 필요한 전류 값은 10~30밀리암페어 사이에 있습니다. 그러므로:
따라서 126Ω과 380Ω 사이의 값을 갖는 직렬 전류 제한 저항기를 사용할 수 있습니다. 디지털 출력 포트는 항상 +5V로 전환하고 광 커플러 LED를 통한 전력 손실을 줄이기 위해 선호하는 저항 값인 240Ω을 선택합니다. 이는 16mA 미만의 LED 순방향 전류를 제공합니다. 이 예에서는 150Ω에서 330Ω 사이의 선호하는 저항 값이 적합합니다.
발열체 부하는 저항력이 600와트입니다. 120V AC 전원을 사용하면 5암페어(I = P/V)의 부하 전류가 제공됩니다. AC 파형의 두 반주기(모두 4개 사분면)에서 이 부하 전류를 제어하려면 주전원 스위칭 트라이악이 필요합니다.
BTA06은 AC 부하의 범용 ON/OFF 전환에 적합한 6A(IT (RMS) ) 600V 트라이액이지만 유사한 6~8A 정격 트라이액도 가능합니다. 또한 이 스위칭 트라이악은 전도를 시작하기 위해 MOC 3020 광절연체의 최대 정격 1A보다 훨씬 적은 50mA의 게이트 드라이브만 필요합니다.
광절연체의 출력 트라이악이 120V RMS AC 공급 전압의 피크 값(90 ° )에서 ON으로 전환되었다고 가정합니다 . 이 피크 전압의 값은 120 x 1.414 = 170Vpk입니다. 광트라이액 최대 전류(I TSM )가 1암페어 피크인 경우 필요한 직렬 저항의 최소값은 170/1 = 170Ω 또는 가장 가까운 권장 값까지 180Ω입니다. 이 180Ω 값은 옵토 커플러 출력 트라이악은 물론 120VAC 공급 장치의 BTA06 트라이악 게이트도 보호합니다.
광절연기의 트라이액이 120V RMS AC 공급 전압의 제로 크로스오버 값( 0o )에서 ON으로 전환되면 스위칭 트라이액을 전도하도록 강제하는 필수 50mA 게이트 구동 전류를 공급하는 데 필요한 최소 전압은 180Ω입니다. x 50mA = 9.0V. 그런 다음 정현파 게이트-to-MT1 전압이 9V보다 클 때 트라이액이 전도를 시작합니다.
따라서 AC 파형의 제로 크로스오버 지점 이후에 필요한 최소 전압은 9V 피크가 되며 이 직렬 게이트 저항기의 전력 소모는 매우 작으므로 180Ω, 0.5W 정격 저항기를 안전하게 사용할 수 있습니다. 아래 회로를 고려하십시오.
AC SSR 회로
이러한 유형의 광커플러 구성은 램프 및 모터와 같은 AC 주 전원 부하를 제어하는 데 사용할 수 있는 매우 간단한 솔리드 스테이트 릴레이 애플리케이션의 기초를 형성합니다. 여기서는 랜덤 스위칭 아이솔레이터인 MOC 3020을 사용했습니다. MOC 3041 광트라이악 아이솔레이터는 동일한 특성을 가지고 있지만 제로 크로싱 감지 기능이 내장되어 있어 유도성 부하를 전환할 때 과도한 돌입 전류 없이 부하가 최대 전력을 수신할 수 있습니다.
다이오드 D 1 은 입력 전압의 역연결로 인한 손상을 방지하는 반면, 56Ω 저항기(R 3 )는 트라이액이 OFF일 때 모든 di/dt 전류를 분류하여 잘못된 트리거링을 제거합니다. 또한 게이트 터미널을 MT1에 연결하여 트라이악이 완전히 꺼지도록 합니다.
펄스 폭 변조된 PWM 입력 신호와 함께 사용하는 경우 ON/OFF 스위칭 주파수는 AC 부하에 대해 최대 10Hz 미만으로 설정되어야 합니다. 그렇지 않으면 이 무접점 릴레이 회로의 출력 스위칭이 이를 따라잡지 못할 수 있습니다.