응용 제품 요구 사항에 맞는 올바른 무접점 계전기를 선택하는 방법

무접점 계전기(SSR)는 플라스틱, 포장, 식음료, HVAC, 반도체, 재생 및 기존 에너지, 석유 및 가스, 운송, 인쇄, 실험실, 가마 및 오븐, 조명, 의료, 동작 제어 등 점점 더 광범위하고 다양한 산업 분야에서 사용되고 있습니다. SSR은 움직이는 부품이 없고 수명이 길기 때문에 전자기 계전기(EMR) 대신 자주 사용됩니다. 또한 접촉면의 전기 아크에 의한 접점 부식 및 전기적 간섭의 영향을 받지 않습니다.

SSR은 다양한 부하 유형을 지원하는 여러 구성으로 제공되므로, 설계자는 본인의 용도에 알맞은 SSR을 선택하는 방법을 알아야만 합니다. 특히 유도성 부하가 있는 제어 모터, 펌프, 팬과 같은 산업용 응용 제품에는 저항성 부하가 있는 난방 및 조명 응용 제품과는 다른 유형의 계전기가 필요합니다.

이 기사에서는 SSR이 산업 및 공장 자동화에 적합한 옵션인 이유에 대해 간략하게 살펴본 다음, Carlo Gavazzi가 제공하는 장치의 예를 사용하여 SSR의 사용 방법, 특성 및 응용 제품에 알맞은 옵션을 선택하는 방법을 설명합니다.

SSR을 사용하는 이유

산업 및 공장 자동화 시스템에는 저렴한 비용, 신뢰성, 접점 바운스나 아크가 없는 빠른 작동 시간, 전자파 방해(EMI) 최소화, 열악한 환경에 대한 낮은 민감성, 높은 기계적 충격 및 진동 내성을 특징으로 하는 스위칭 장치가 필요합니다. SSR은 스위칭 작업에서 기계식 계전기의 전기자 및 접점을 대체하기 위해 반도체 장치를 사용하여 이러한 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 완전히 밀폐된 SSR은 충격, 진동, 습도, 강한 화학물질, 먼지에도 강합니다. 그 결과 수명이 길고 신뢰성이 높은 장치를 제작할 수 있습니다.

응용 제품에 알맞은 SSR을 선택하려면 제어 대상 부하와 SSR의 필수 특성을 이해하여 응용 제품의 요구 사항을 계전기의 사양에 맞춰야 합니다.

SSR 제어 및 부하 사양

SSR은 AC 또는 DC 제어 전압을 사용하여 제어할 수 있습니다. DC 제어는 일반적으로 4V ~ 32V의 저전압을 사용합니다. 또한 4mA ~ 20mA 전류 루프 또는 1V_DC ~ 10V_DC 아날로그 입력을 사용할 수도 있습니다. AC 제어는 24V_AC ~ 275V_AC 범위의 전압을 사용합니다.

SSR 부하는 AC 또는 DC일 수 있습니다. 최대 AC 부하 전압이 690V_AC에 달하고 AC 정격 전류가 125A인 SSR이 제공됩니다. DC 정격은 500V_DC 및 100A입니다.

전기적 부하의 유형

전기적 부하는 주된 전기적 특성에 따라 분류됩니다. 모터, 팬, 펌프는 유도성 부하로 분류됩니다. 부하 전류와 전압이 역위상이며 전류가 전압보다 떨어집니다. 유도성 부하는 역기전력(EMF)이라는 역전압 전위를 생성하여 부하 전류의 변화에 저항합니다. 유도성 부하와 함께 사용되는 SSR은 이러한 전압을 처리할 수 있어야 합니다.

히터, 오븐, 전기 스토브, 건조기, 램프와 같은 장치는 저항성 부하의 예입니다. 저항성 부하의 전압과 전류는 위상이 동일합니다.

정전 용량 부하는 부하 전압의 변화에 저항합니다. 정전 용량 부하의 전류와 전압은 역위상이며 전류가 전압보다 높습니다. 대부분의 스위칭 전원 공급 장치와 제세동기와 같은 일부 의료 장치에는 정전 용량 부하가 있습니다. 정전 용량 부하에 전압이 처음 인가되면 임피던스가 매우 낮아져 고유입 전류가 높아집니다.

각 부하 유형의 특성에 따라 이를 제어하는 데 필요한 SSR의 유형이 결정됩니다.

SSR의 유형

일반적으로 사용되는 SSR에는 다음과 같은 5가지 유형이 있습니다(그림 1). 제로 스위칭 또는 제로 크로싱, 즉각 구동 또는 임의 스위칭, DC 스위칭, 피크 스위칭, 위상각 또는 아날로그 스위칭 유형입니다.

그림 1: SSR 유형은 SSR이 선간 전압을 기준으로 전환되는 시점에 따라 결정됩니다. (이미지 출처: Carlo Gavazzi Inc.)

SSR 유형은 장치가 선간 전압 위상을 기준으로 전환되는 시점이 기반이 됩니다. 제로 스위칭 SSR은 제어 신호가 적용된 후 선간 전압의 첫 번째 제로 크로싱에서 부하를 전환하는 AC 계전기입니다. SSR의 스위칭 시간은 최대 라인 주파수의 절반 주기이므로 60Hz 라인 주파수의 경우 8.3ms입니다. 제로 스위칭 SSR은 주로 저항성 부하와 함께 사용되어 스위치 시 높은 서지 전류를 제한합니다. 부하 연결 시의 선간 전압이 0이므로 저항성 부하의 전류도 0이 됩니다. 이 유형의 계전기는 대부분의 유도성 및 정전 용량 부하에도 적합합니다.

AC 계전기이기도 한 임의 스위칭 또는 즉각 구동 SSR은 제어 전압을 인가하는 즉시 부하에 전력을 공급합니다. 이는 선간 전압의 모든 위상에서 켜집니다. 일반적인 응답 지연은 1ms 미만입니다. 임의 스위칭 계전기는 유도성 부하와 함께 사용됩니다.

DC 스위칭 SSR은 DC 저항성 및 유도성 응용 제품을 위한 제품입니다. 임의 스위칭 계전기와 마찬가지로, 이 SSR은 제어 신호가 적용되면 즉시 부하를 연결합니다. 응답 시간은 100ms 미만입니다.

피크 스위칭 SSR은 제어 전압을 인가한 후 다음 선간 전압 피크에서 스위칭합니다. 이 계전기는 변압기와 같은 무거운 유도성 부하에 사용됩니다.

위상각 또는 아날로그 스위칭 SSR은 아날로그 제어 신호의 전압을 읽습니다. 제어 전압의 진폭에 비례하여 계전기 출력의 전도 주기를 변경합니다. 이 유형의 SSR은 소프트 스타트를 사용하여 유입 전류를 제한하는 폐쇄 루프 시스템 및 응용 제품에 사용됩니다.

설명한 유형의 변형인 다른 SSR 유형은 덜 일반적으로 사용되며, 특수한 응용 제품 요구 사항과 관련됩니다.

극 개수

SSR은 극을 켜거나 끌 수 있는 단투 장치입니다. 극의 개수는 SSR이 제어 가능한 선간 전압의 개수를 나타냅니다. 단상 AC 라인 또는 DC 라인에는 단극 SSR이 필요합니다. 220V 단상 라인에는 110V 부품 소스마다 하나씩 두 개의 극이 필요합니다. 3상 응용 제품에는 3극 계전기가 필요합니다.

계전기는 단극 단투(SPST), 쌍극 단투(DPST) 또는 3극 단투(3PST)로 분류됩니다.

SSR 설계

SSR의 기능별 제품 구성도는 SSR의 용도(AC 또는 DC 응용 제품용)에 따라 달라집니다. Carlo Gavazzi의 RK2A60D50P DPST 제로 스위칭 계전기(그림 2)와 같은 양극 AC 응용 제품용 SSR은 사이리스터를 제어 장치로 사용합니다.

그림 2: AC 응용 제품용 RK2A60D50P DPST SSR의 기능별 제품 구성도입니다. (이미지 출처: Carlo Gavazzi Inc.)

RK2A60D50P는 660V의 출력 전압과 50A의 높은 출력 전류를 처리할 수 있습니다. 이 제품군의 다른 SSR은 최대 75A의 출력 전류를 처리할 수 있으며, 4V_DC ~ 32V_DC의 제어 전압이 요구됩니다. 모든 SSR과 동일하게, 이 SSR은 옵토커플러를 사용하여 제어 전압 소스와 4,000V_RMS 라인 사이의 전기적 분리를 보장합니다. 이 계전기에는 두 출력에 대한 공통 제어 입력이 있으며, 이 제품군의 다른 버전에는 각 출력에 대한 별도의 제어 입력이 있습니다. 제어 전압의 어설션은 제로 크로싱 감지기를 시작하여, 양 극에 대한 라인의 제로 크로싱에서 역병렬 사이리스터를 발동합니다.

DC 응용 제품은 단극이므로 기본 스위칭 장치로 트랜지스터를 사용합니다. 이는 Carlo Gavazzi RM1D060D50 SPST DC SSR의 기능별 제품 구성도에 나와 있습니다(그림 3).

그림 3: RM1D060D50 DC SPST SSR의 기능별 제품 구성도. DC SSR은 기본 스위칭 장치로 트랜지스터를 사용합니다. (이미지 출처: Carlo Gavazzi Inc.)

이 장치는 1V_DC ~ 60V_DC의 출력 전압과 50A의 출력 전류를 처리합니다. 이 SSR 계열에는 500V_DC 및 100A의 전류를 처리할 수 있는 계전기가 있으며, 라인이 단극 DC이므로 기본 스위치로 MOSFET이 사용됩니다. 따라서 켜기 및 끄기 응답 시간이 각각 100ms 미만인 계전기가 생성됩니다. 이 계전기는 1,000Hz의 스위칭 속도로 작동할 수 있으며 4V_DC ~ 32V_DC의 DC 제어 전압 범위를 사용합니다. 이 제품군의 다른 장치는 280V의 높은 AC 제어 전압을 제공합니다. 제어 전압도 3750V_RMS 분리를 통해 라인에서 광학적으로 분리됩니다.

변압기 결합을 사용하여 제어 라인과 부하 사이에 갈바닉 분리를 수행할 수도 있습니다. Carlo Gavazzi RP1D060D8의 제품 구성도(그림 4)에 표시된 이 유형의 분리는 RF 변압기를 통해 결합된 변조된 RF 소스를 사용하여 입력과 출력 사이에 갈바닉 분리를 제공합니다.

그림 4: RP1D060D8의 변압기 결합은 갈바닉 분리를 달성합니다. (이미지 출처: Carlo Gavazzi Inc.)

이 DC 스위칭 SSR은 350V_DC 및 8A를 처리할 수 있도록 정격됩니다. 4.25V_DC ~ 32V_DC 범위의 DC 제어 전압을 사용합니다. 0.1" 배수의 간격으로 4개의 스루홀 핀이 있는 4-SIP 패키지에 하우징됩니다. 이 제품은 더 작으며 변압기 결합을 사용하여 입력과 출력을 분리한다는 점에서 앞서 언급한 다른 SSR들과 다릅니다. 분리 사양은 4,000V_RMS이며 스위칭 응답 시간은 폐쇄 시 100ms 미만, 개방 시 250ms 미만입니다.

작동 온도 범위

SSR은 전압을 660V로, 전류를 100A로 스위칭하며 상당한 열을 발생시킬 수 있습니다. 스위칭 시 계전기를 통과하는 전류와 전압이 0이 아닌 경우 전력이 손실됩니다. 이 열은 방열판을 사용하여 계전기로부터 제거되어야 합니다. 주위 온도는 SSR의 최대 정격 전류에 영향을 미치므로, 온도가 높은 경우에는 반드시 낮춰야 합니다. 일반적으로 SSR은 출력 전류가 5A 이하인 경우 방열판 없이도 작동할 수 있습니다. 계전기가 금속 표면에 실장된 경우 이 제한은 8A로 증가합니다. Carlo Gavazzi는 특정 SSR 모델에 맞는 방열판을 제공하여 어떤 열 환경에서도 최적의 성능을 보장합니다.

실장 유형

SSR은 응용 제품의 사용 목적에 맞게 다양한 패키지 유형(그림 5)으로 제공됩니다. 대부분의 실장 유형은 장치의 온도를 제어하기 위해 계전기를 열 전도성 표면이나 방열판에 고정해야 합니다.

그림 5: 다음은 SSR의 일반적인 실장 구성의 예입니다. (이미지 출처: Carlo Gavazzi Inc.)

Carlo Gavazzi RZ3A60D55(왼쪽)는 AC, 제로 스위칭, 3PST SSR로 정격 출력은 660V 및 55A이며 4V_DC ~ 32V_DC 입력 신호로 제어됩니다. 모듈식 섀시 실장 시스템을 사용하며, 3개의 스위칭 장치 모두 공통 베이스 플레이트에 실장됩니다. 열 패드 또는 방열판 컴파운드를 사용하여 베이스 플레이트가 열 전도성 표면에 실장됩니다.

하키 퍽 SSR은 두꺼운 모양과 촘촘한 구조로 인해 그렇게 이름이 지어졌습니다. 이 패키지는 견고한 구조로 충격과 진동에 더욱 강하므로, 열악한 산업 환경에서 신뢰성을 개선합니다. 앞서 설명한 그림 5의 RM1D060D50(왼쪽에서 두 번째)은 하키 퍽 패키지를 사용하는 SSR의 예시입니다.

시스템 인 패키지(SIP) 모듈은 완전한 전자 서브 시스템을 위한 인쇄 회로 기판(PC 기판) 실장 인클로저입니다. 앞서 설명한 그림 5에 표시된 RP1D060D8 DC SSR(왼쪽에서 세 번째)은 4-SIP(4핀) 패키지에 실장되어 있습니다. 이 SSR은 8A 이하의 출력 전류를 제어하며 방열판 없이도 PC 기판에 실장할 수 있습니다.

DIN 레일은 인클로저 내부에 회로 차단기, 전원 공급 장치 및 SSR과 같은 전기 장치를 실장하는 데 사용되는 금속 레일입니다. Carlo Gavazzi RGS1A60D50KKE는 DIN 레일 실장을 사용하는 SPST, AC, 제로 스위칭 SSR이며 그림 5의 맨 오른쪽에 표시되어 있습니다. 출력에서 660V 및 50A를 스위칭할 수 있습니다. 4V_DC ~ 32V_DC 범위의 DC 제어 라인을 사용합니다. DIN 모듈은 폭이 17.5mm에 불과하므로 콤팩트한 설치가 가능합니다. 실장 레일이 약간의 냉각 기능을 제공하지만, DIN 레일과 호환되는 방열판을 사용할 수 있습니다.

결론

움직이는 부품이 없고 접촉면의 전기 아크에 의한 접점 부식이나 전기적 간섭이 없는 SSR은 산업 및 공장 자동화에 필요한 신뢰성을 제공합니다. 설계자는 Carlo Gavazzi와 같이 광범위한 SSR 제품을 제공하는 제조업체를 통해 올바른 장치를 간편하게 선택할 수 있습니다. 또한 SSR의 작동, 특성 및 응용 분야에 대해 어느 정도 이해한다면, 설계 요구 사항에 맞는 올바른 계전기를 더욱 확실하게 선택할 수 있습니다.