고신뢰성, 빠른 스위칭, 낮은 EMI를 위해 공장 자동화에 무접점 계전기 사용

비용이 많이 드는 정지 시간을 방지하기 위해 식음료 생산, 자동 조립 및 기타 연속 공정 시스템뿐만 아니라 HVAC, 정수 및 발전 기계와 같은 산업 전반의 공장 자동화에서 고급 진단 및 예측 유지 관리가 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 안정적인 스위칭을 위한 계전기는 이러한 자동화 산업 프로세스에 매우 중요합니다. 빠르게 스위칭되고, 접촉 마모를 최소화하면서 까다로운 조건에서도 지속적으로 작동할 수 있어야 하며, 무선 센서와 제어 장치에 영향을 줄 수 있는 전자기 간섭(EMI)을 일으키지 않아야 합니다.

무접점 계전기(SSR)는 신뢰성과 내구성을 향상시켜 열악한 환경에서도 일관된 성능을 보장하는 혁신적인 기술을 사용하여 공장 자동화의 스위칭 요구 사항을 충족합니다.

이 기사에서는 공장 자동화의 스위칭 요구 사항을 간략하게 논의합니다. 그런 다음 Littelfuse의 SSR 제품의 예와 이러한 제품을 통해 그러한 요구 사항을 처리하는 방법을 보여줍니다.

공장 자동화 스위칭 요구 사항 정의 및 충족

공장 자동화를 위한 스위칭 요구 사항에는 낮은 비용으로 신뢰성 제공, 접촉 바운스나 아크가 없는 빠른 작동 시간, 주변 회로 또는 공장에서 점점 더 많이 사용되는 무선 센서 및 네트워크에 영향을 미칠 수 있는 최소한의 EMI, 기계적 충격 및 진동에 대한 높은 내성 등이 있습니다.

SSR은 이러한 요구 사항을 충족하기 위해 반도체 장치를 사용하여 스위칭 작동을 수행합니다. SSR은 각각의 여기 유형에 대해 고유 모델을 통해 AC 또는 DC 전압에 의해 작동될 수 있습니다(그림 1).

그림 1: 이 SSR 기능 구성도는 DC(위) 및 AC(아래) 작동 모델의 주요 부품을 보여줍니다. (이미지 출처: Littelfuse Inc.)

DC-작동식 SSR(위)은 인가 전압을 조절합니다. AC-작동식 SSR(아래)은 전파 브리지 정류기를 활용하여 여기 신호를 DC로 변환합니다. 두 유형의 SSR 모두 출력에서 작동 신호를 광학적으로 분리합니다. 이러한 SSR의 능동 소자는 한 쌍의 실리콘 제어 정류기(SCR)입니다. 이 SSR에는 SCR의 게이트 사이에 연결된 과도 전압 억제(TVS) 다이오드 형태의 과전압 보호 기능이 포함되어 있어 네트워크에 전기적 과도 상태가 발생할 경우 SSR을 보호하고 예기치 않은 상태 변화를 방지합니다.

스위칭 응답은 반도체 장치의 빠른 스위칭 시간을 활용하며 트리거 회로에 의해 제어됩니다 스위칭은 작동 신호를 적용한 후 출력 전압의 영점 교차에서 수행되거나 작동 신호와 함께 무작위(순간)로 수행될 수 있습니다(그림 2).

그림 2: 스위칭 특성은 SSR에 의도된 응용 분야에 맞게 선택됩니다. (이미지 출처: Littelfuse Inc.)

영점 교차 턴온은 산업용 히터와 같은 고전류 응용 제품에 사용되며 돌입 전류를 최소화합니다. 순간 턴온은 고주파에서 스위칭이 수행되어야 하는 경우에 사용됩니다. 순간 스위칭은 가능한 가장 높은 스위칭 주파수를 생성합니다.

SSR의 예

산업 및 상업용 기계 응용 분야에서 더욱 신뢰할 수 있고 오래 지속되는 전력 스위칭 계전기에 대한 필요성을 해결하기 위해 Littelfuse Inc.는 SRP1 고내구성 SSR 제품군을 설계했습니다. 이 제품군은 SRP1-CB 고내구성 단순 SSR과, 터치 세이프 및 과전압 보호 기능을 갖춘 SRP1-CR 고내구성 일체형 SSR(그림 3, 왼쪽 및 중간)의 2가지 모델 라인으로 제공됩니다.

그림 3: SRP1-CB 단순SSR(왼쪽), SRP1-CR 터치 세이프 SSR(중간), SRP1-CB…F의 대체 빠른 연결 단자(오른쪽). (이미지 출처: Littelfuse Inc.)

Littelfuse는 열로 인한 부품의 성능 저하를 최소화하고 열악한 조건에서 최적의 성능을 제공하기 위해 독점적인 반도체를 설계했습니다. 두 모델 라인 모두 24V_AC ~ 240V_AC 또는 48V_AC ~ 600V_AC의 두 가지 출력 전압 범위에서 AC 또는 DC 작동 및 출력 전류 정격이 10A, 25A, 50A인 장치를 제공합니다. 이 두 모델의 차이점은 SRP1-CR에는 IP20 손가락 보호 커버, TVS 다이오드 과전압 보호, 사전 부착형 열 패드 등 보호 및 설치 기능이 통합되어 있다는 것입니다. SRP1-CB…F 버전(그림 3, 오른쪽)은 빠른 연결 단자도 갖추고 있습니다

이 계전기는 출력 부하와 직렬로 연결된 단극단투(SPST) 장치입니다(그림 4).

그림 4: SRP1 SSR은 출력 부하와 직렬로 연결되어 있습니다. 입력은 모델에 따라 AC 또는 DC 작동 신호에 의해 구동됩니다. (이미지 출처: Littelfuse Inc.)

SSR이 지정된 정격에서 작동하려면 방열판이 필요합니다 두 Littelfuse 모델은 최신 직접 접착 기술을 사용하여 최대한의 신뢰성과 제품 수명을 보장합니다. SRP1-CR 계전기에는 열 화합물이 필요 없는 효율적인 열 방출을 위한 열 패드가 내장되어 있어 깔끔하고 간편하게 설치할 수 있습니다. 열 부하 경감 플롯(그림 5)은 다양한 주변 온도와 다양한 열 저항의 방열판에 대해 지원할 수 있는 최대 출력 전류를 보여줍니다.

그림 5: 다양한 주변 온도 및 방열판에 대한 SRP1-CR 계열 SSR의 부하 경감 곡선. (이미지 출처: Littelfuse Inc.)

열 저항은 와트당 섭씨 온도(°C/W)로 지정됩니다. 10°C/W 정격의 방열판은 발산되는 열 1W마다 주변 공기보다 10°C 더 뜨거워집니다. 열 저항이 낮은 방열판은 열 저항이 높은 방열판보다 효율적이므로 더 잘 냉각됩니다.

SRP1 SSR은 UL, CAN/CSA, IEC, CISPR, RoHS, REACH 등 다양한 건강, 안전, 환경, 전자기 호환성 및 정전기 내성 표준을 준수하는 것으로 인증받았습니다. 이 SSR은 산업 자동화 분야의 난방 및 동작 제어 응용 분야에 적합합니다. 또한 식음료 산업에서도 적합하며 산업용 오븐, 포장 장비, 컨베이어 시스템을 제어합니다. 난방, 환기 및 에어컨 시스템에서는 대규모 조명 시스템과 마찬가지로 공기 조절 장치 및 컴프레셔에 이러한 계전기를 사용합니다. 이러한 모든 응용 분야에는 뛰어난 성능과 매우 높은 신뢰성이 필요하며, SRP1 계열은 다양한 전류, 전압, 응답 시간 및 스위칭 요구 사항을 충족하는 옵션을 제공합니다.

예를 들어, SRP1-CBAZL-050NW-N은 50A 정격의 SSR이며 24V_AC ~ 240V_AC 출력을 제공합니다. 이 SSR은 90V_AC ~ 280V_AC의 입력 전압을 수용하며 출력 전압의 영점 교차 지점에서 스위칭됩니다. 또한 6.3밀리옴(mΩ)의 온스테이트 저항을 제공하므로 최대 전류에서 계전기의 전압 강하가 0.3V에 불과합니다. 정격 최대 전압 강하는 1.3V입니다. 계전기는 영점 교차 대기 시간을 포함하여 20밀리초(ms) 이내에 켜지고 30밀리초 이내에 꺼집니다.

SRP1-CBDZL-010NF-N은 DC-작동식 SSR의 한 예입니다. 출력 전류 정격은 10A이며 출력 전압 범위는 24V_AC ~ 240V_AC입니다. 입력 전압 범위는 4V_DC ~ 32V_DC입니다. 또한 출력 전압의 영점 교차 지점에서 스위칭되며 6.3mΩ의 동일한 최대 온스테이트 저항을 가집니다. 이는 빠른 연결 단자를 제공한다는 점에서 표준 SRP1-CB 계전기와 다릅니다. 턴온 시간은 출력 파형 주기의 1/2과 같습니다.

SRP1-CRARH-025TC-N은 SRP1 계열의 터치 세이프 버전으로 정격 출력 전류는 25A입니다. 이 모델은 90V_AC ~ 280V_AC의 입력 전압을 사용하는 AC 작동식입니다. 이는 순간 스위칭 응답을 제공하고 48V_AC ~ 600V_AC의 높은 출력 전압 범위를 사용한다는 점에서 다른 모델과 다릅니다. 계전기의 턴온 시간은 20밀리초(ms) 이내이고 턴오프 시간은 30ms 이내입니다.

DC 입력과 순간 스위칭 응답이 지원되는 계전기를 사용하여 가장 빠른 응답 시간을 달성할 수 있습니다. 한 예로 SRP1-CRDRL-010TC-N을 들 수 있습니다. 이 SSR은 10A의 출력 전류 정격을 가지며 24V_AC ~ 240V_AC의 출력 전압 범위를 지원합니다. 입력 전압 범위는 4V_DC ~ 32V_DC입니다. 턴온 시간은 20마이크로초(µs)이고 턴오프 시간은 출력 파형의 1/2 이내이므로 가장 빠른 계전기 주기 시간을 실현합니다.

결론

공장 자동화의 스위칭 성능, 신뢰성, 국제 표준 요구 사항을 충족하기 위해 설계자는 SRP1 계열의 SSR을 사용할 수 있습니다. 이 계열은 발전된 반도체 기술을 활용하여 넓은 출력 전류 및 입력 제어 옵션에 걸쳐 긴 수명, 높은 스위칭 속도, 최소한의 EMI를 달성할 수 있습니다.