Przekaźniki półprzewodnikowe vs elektromagnetyczne - kompletny przewodnik

Relpol S.A., jeden z czołowych europejskich producentów przekaźników, oferuje szeroką gamę rozwiązań opartych zarówno na technologii elektromagnetycznej, jak i półprzewodnikowej. W ofercie znajdują się m.in. miniaturowe przekaźniki elektromagnetyczne do montażu PCB (serii RM40, RM84, RM85), przekaźniki interfejsowe i przemysłowe, a także przekaźniki półprzewodnikowe SSR przeznaczone do sterowania obciążeniami o prądach do 100 A i napięciach do 660 V AC (serie RSR54, RSR75). Należy zaznaczyć, że przedstawione powyżej typy przekaźników stanowią jedynie wybrane przykłady, a oferta firmy Relpol obejmuje znacznie szerszy asortyment urządzeń dostosowanych do różnorodnych zastosowań.

W artykule przedstawiamy najważniejsze różnice konstrukcyjne i funkcjonalne między przekaźnikami EMR i SSR, porównujemy ich parametry pracy oraz wskazujemy typowe obszary zastosowań, aby ułatwić dobór rozwiązania najlepiej dopasowanego do wymagań aplikacji.

Spis treści

• Czym jest przekaźnik i jak działa?
• Przekaźnik elektromagnetyczny — budowa i zasada działania
• Przekaźnik półprzewodnikowy (SSR) — budowa i zasada działania
• Seria SSR Relpol - przegląd produktów
• Kluczowe różnice między SSR a EMR
• Podsumowanie

Czym jest przekaźnik i jak działa?

Przekaźnik to element włączania i wyłączania obwodów elektrycznych. Element służący do sterowania jednym obwodem elektrycznym za pomocą innego obwodu. Pozwala małym sygnałem sterować większym napięciem, większym prądem lub po prostu oddzielić galwanicznie dwa układy. Niezależnie od rodzaju, idea działania jest taka sama: Sygnał sterujący powoduje zmianę stanu przekaźnika to jest załączenie lub rozłączenie obwodu wykonawczego.

Kluczową cechą każdego przekaźnika jest separacja galwaniczna. Obwód sterujący o małej mocy jest elektrycznie odizolowany od obwodu wykonawczego z reguły o dużej mocy. Dzięki temu sygnał np. 5 V z mikrokontrolera lub 24 V DC ze sterownika PLC może bezpiecznie przy pomocy przekaźnika sterować obciążeniem 230 V AC lub 400 V AC - bez ryzyka uszkodzenia układu sterowania. Przekaźniki Relpol, zarówno elektromagnetyczne jak i SSR, zapewniają tę separację przez izolację galwaniczną cewki od styków (EMR) lub przez optoizolator między wejściem a wyjściem (SSR).

Przekaźnik elektromagnetyczny — budowa i zasada działania

Budowa i mechanizm

Przekaźnik elektromagnetyczny to element służący do włączania i wyłączania obwodów elektrycznych. Składa się między innymi z cewki, kotwicy oraz styków. Po podaniu napięcia na cewkę powstaje pole magnetyczne, które przyciąga kotwicę i powoduje zmianę położenia styków. W rezultacie obwód zostaje zamknięty lub otwarty. Po odłączeniu napięcia pole magnetyczne zanika, a sprężyna przywraca styki do ich początkowego położenia. Dzięki temu niewielki sygnał sterujący może kontrolować pracę urządzeń pobierających większy prąd lub pracujących pod wyższym napięciem.

Parametry i ograniczenia

Czas przełączania EMR wynosi typowo 5–20 ms - wynika to z fizycznego ruchu zwory. Przekaźniki elektromagnetyczne Relpol (RM84, RM85, R2N–R4N) obsługują napięcia do 250 V AC i prądy od 6 do 16 A. Styki ulegają zużyciu po około kilkudziesięciu - kilkuset cykli - iskrzenie przy obciążeniach indukcyjnych (silniki, transformatory) przyspiesza ten proces. Podczas przełączania EMR generuje dźwięk do około 40 dB i impulsy magnetyczne mogące zakłócać czujniki oraz systemy komunikacyjne. Dioda tłumiąca montowana równolegle do cewki redukuje przepięcia wsteczne, lecz nie eliminuje wszystkich zakłóceń.

Przekaźnik półprzewodnikowy (SSR) — budowa i zasada działania

Budowa i mechanizm

Przekaźnik SSR nie posiada żadnych ruchomych części - przełączanie realizują elementy półprzewodnikowe: triac lub tyrystor (obciążenia AC) albo tranzystory MOSFET lub IGBT (obciążenia DC). Separację między wejściem sterującym a wyjściem zapewnia optoizolator. Gdy pojawi się sygnał sterujący, element półprzewodnikowy zaczyna przewodzić; gdy sygnał zanika - blokuje się.

Relpol oferuje dwa tryby przełączania SSR:

• załączanie w zerze napięcia (zero-crossing) - element załącza się, gdy napięcie sieci przechodzi przez zero, co minimalizuje zakłócenia elektromagnetyczne i chroni obciążenie przed skokami prądu. Stosowany w RSR54, RSR72, RSR75, RSR62.
• załączanie bezzwłoczne (random-on) - element przełącza się natychmiast po pojawieniu się sygnału, czas poniżej 1 okresu. Stosowany w RSR52, RSR72, RSR62.

Seria SSR Relpol - przegląd produktów

Miniaturowe SSR do PCB:

• RSR30 - do 2 A AC lub 4 A DC, z wbudowanymi układami RC, niska rezystancja w stanie załączenia, montaż na płytce drukowanej, lub w gnieździe.
• RSR86 - wyjście MOSFET, prąd do 12 A / 35 V DC, sterowanie 10–32 V DC, do montażu na PCB, przeznaczony do szybkich aplikacji DC.

Przemysłowe SSR jednofazowe:

• RSR54 - 10–80 A, 240–660 V AC, załączanie w zerze lub bezzwłoczne, wejście sterujące AC (90–280 V) lub DC (4–32 V). Do montażu na radiatorze RH lub płycie.
• RSR72 - 10–75 A, 24–660 V AC, załączanie w zerze lub bezzwłoczne, wejście AC lub DC, wbudowane RC/MOV.
• RSR75 - 15–25 A, 24-660 V AC, załączanie w zerze, wejście DC (3–32 V), izolacja 4000 Vrms.
• RSR95 - obciążenia DC, 7–100 A, 24–700 V DC, wejście DC. Wyjście MOSFET lub IGBT.

Przemysłowe SSR trójfazowe:

• RSR62 - 25–80 A, 480–660 V AC. Zabezpieczenie RC/MOV (wbudowany rezystor, kondensator, warystor).

Do przemysłowych SSR Relpol dedykowane są radiatory aluminiowe serii RH i podkładki termiczne RTP-10.

Kluczowe różnice między SSR a EMR

Czas przełączania to pierwsza różnica. SSR reaguje w czasie poniżej 10 ms (tryb bezzwłoczny) lub w ciągu pół okresu sieci (tryb zero-crossing) czyli do max 10ms . EMR potrzebuje 5–20 ms ze względu na ruch mechaniczny zwory. Mniejsze przekaźniki elektromagnetyczne są szybsze 5-7ms a przemysłowe wolniejsze po prostu są większe.

Żywotność SSR przekracza jest dużo większa, brak ruchomych części eliminuje zużycie mechaniczne. EMR wytrzymuje około z reguły kilkadziesiąt tysięcy przełączeń, a obciążenia indukcyjne dodatkowo skracają te ilość.

Zakłócenia elektromagnetyczne są eliminowane przez SSR - brak cewki i łuku na stykach oznacza brak impulsów magnetycznych. EMR generuje zakłócenia podczas każdego przełączenia, które mogą wpływać na czujniki i układy pomiarowe. SSR patrząc pod tym kątem generuje dużo mniejsze zakłócenia.

Odporność na środowisko - SSR dzięki braku ruchomych części wytrzymuje wibracje i wstrząsy, działa w środowiskach zapylonych i wilgotnych (np. RSR54 odporny na kurz i chemikalia). EMR może zawodzić przy silnych wibracjach, na pracę przemysłowego przekaźnika elektromagnetycznego może mieć też np. wilgotne środowisko. Miniaturowe przekaźniki elektromagnetyczne są produkowane w dwóch wersjach jako szczelne z np. IP67 oraz nieszczelne.

Ograniczeniem dla SSR jest znaczne wydzielanie ciepła na złączu półprzewodnikowym -już przy prądach powyżej kilku, kilkunastu amperów w zależności od przekaźnika konieczny jest radiator. Drugim ograniczeniem jest prąd upływu w stanie wyłączenia, może to powodować straty energii, błędy w logice itp.

Kiedy wybrać SSR, a kiedy EMR Relpol?

SSR Relpol sprawdzi się gdy:

• wymagane jest częste przełączanie lub wysoka żywotność,
• aplikacja wymaga ciszy (brak klikania przy przełączaniu),
• praca odbywa się w środowisku narażonym na wibracje lub wstrząsy,
• konieczna jest praca obok czułej elektroniki (ograniczone zakłocenia EMI),
• potrzebna jest precyzyjna regulacja mocy (regulatory temperatury, systemy grzewcze, oświetlenie LED).

EMR Relpol sprawdzi się gdy:

• wymagane jest przełączanie rzadkie, a koszt urządzenia ma znaczenie,
• konieczne jest zerowe przewodzenie prądu w stanie wyłączenia (brak prądu upływu), a fizyczna separacja styków zapewnia wyższy poziom bezpieczeństwa i izolacji niż elementy półprzewodnikowe
• sieć zasilająca jest niestabilna i narażona na przepięcia
• potrzebna jest obsługa obwodów DC i AC tym samym modelem, zgodnie z danymi katalogowymi przekaźnika

Tabela porównawcza SSR vs EMR Relpol

Podsumowanie

Wybór między EMR a SSR zależy od wymagań aplikacji. Przekaźniki elektromagnetyczne Relpol sprawdzą się tam, gdzie liczy się niski koszt i odporność na przepięcia. Przekaźniki półprzewodnikowe serii RSR to wybór dla aplikacji wymagających szybkości, ciszy i długiej żywotności bez konserwacji.