在工廠自動化中使用固態繼電器，達到高可靠性、快速切換和低 EMI

為避免代價高昂的停機時間，各產業的工廠自動化作業中越來越常使用進階診斷和預測性維護，例如食品飲料生產、自動化裝配和其他連續加工系統以及 HVAC、淨水和發電機械等產業。可靠的切換繼電器對於這些自動化工業製程來說至關重要。必須能快速切換，在嚴峻條件下持續運行、接觸磨損最小，而且不會導致電磁干擾 (EMI)，以免影響無線感測器和控制功能。

固態繼電器 (SSR) 使用創新技術符合工廠自動化的切換要求，可增強可靠性和耐用性，即使在惡劣環境中也能確保效能始終如一。

本文將概述工廠自動化的切換要求。接著會介紹 Littelfuse 的 SSR，並且展示如何運用此元件來滿足要求。

工廠自動化切換要求的定義與達成

工廠自動化的切換要求包括以低成本達到可靠性、快速致動時間且無接觸彈跳或電弧、最小 EMI 以免影響周遭電路或是工廠越來越常用的無線感測器與網路，以及對機械衝擊和振動的高耐受度。

SSR 採用半導體裝置來執行切換作業，藉此符合上述要求。可以透過 AC 或 DC 電壓致動，且各種激磁類型都有不同的款式 (圖 1)。

圖 1：這些 SSR 的功能方塊圖可顯示出 DC (頂端) 和 AC (底部) 致動款式的關鍵元件。(圖片來源： Littelfuse Inc.)

DC 致動型 SSR (頂端) 可調節施加的電壓。AC 致動型 SSR (底部) 則利用全波橋式整流器將激磁訊號轉換成 DC 訊號。兩種類型的 SSR 都會以光學方式將致動訊號與輸出隔離。這些 SSR 的主動式元件是一對矽控整流器 (SCR)。這些 SSR 含有過壓保護，是以暫態電壓抑制 (TVS) 二極體的型式提供，並連接在 SCR 閘極之間，藉此保護 SSR，並在網路出現電氣暫態時避免發生意外的狀態變化。

切換反應的優勢來自於半導體裝置具有快速的切換時間，並可由觸發器電路進行控制。在施加致動訊號後，切換可在輸出電壓的零交點進行，也隨著致動訊號隨機 (瞬間) 發生 (圖 2)。

圖 2：切換特性的挑選需配合 SSR 的預定應用。(圖片來源：Littelfuse Inc.)

對於具有大電流的應用來說，會選擇零交點啟動，例如工業加熱器，就可將湧入電流降至最低。若必須在高頻處才可切換，則會採用瞬間啟動。瞬間切換可達到盡可能最高的切換頻率。

SSR 範例

為了在工業和商業機器應用中滿足對更可靠、更持久的功率切換繼電器需求，Littelfuse Inc. 設計出 SRP1 系列高耐用度 SSR。提供兩款系列：SRP1-CB 高耐久度純 SSR，以及具有觸摸安全和過壓保護的 SRP1-CR 高耐久度多功能合一 SSR (圖 3，左和中)。

圖 3：此為 SRP1-CB 純 SSR (左)、SRP1-CR 觸摸安全 SSR (中) 以及採用替代快接端子的 SRP1-CB...F (右)。(圖片來源：Littelfuse Inc.)

Littelfuse 設計了專有的半導體，可將高溫引發的元件退化情況降至最低，並可在惡劣條件下發揮最佳效能。兩款系列均提供 AC 或 DC 致動的型號，輸出電流額定值為 10 A、25 A 和 50 A，輸出電壓範圍介於 24 V_AC 至 240 V_AC 或 48 V_AC 至 600 V_AC 兩者之一。這些型號的不同之處在於 SRP1-CR 含有整合式保護和安裝功能，包括 IP20 手指安全蓋、TVS 二極體過壓保護和預安裝的導熱墊。SRP1-CB…F 款式 (圖 3，右) 更具有快接端子。

這些繼電器屬於單極單切 (SPST) 裝置並與輸出負載進行串聯 (圖 4)。

圖 4：SRP1 SSR 與輸出負載進行串聯；輸入由 AC 或 DC 致動訊號驅動，視型號而定。(圖片來源：Littelfuse Inc.)

SSR 需要散熱片才能在其指定的額定值下運作。兩款 Littelfuse 系列均採用最新的直接接合技術，可確保最大的可靠度和產品使用壽命。SRP1-CR 繼電器含有一個內建的導熱墊，無需導熱膏即可高效散熱，可達到乾淨且簡便的安裝。熱降額圖 (圖 5) 顯示出在各種環境溫度，以及搭配各種熱阻的散熱片下，可以支援的最大輸出電流。

圖 5：此為 SRP1-CR 系列 SSR 在各種環境溫度和散熱片下的降額曲線。(圖片來源：Littelfuse Inc.)

熱阻以每瓦攝氏溫度 (°C/W) 為單位。額定溫度為 10°C/W 的散熱片每耗散 1 W 熱量，就會比周圍空氣熱 10°C。熱阻較低的散熱片比熱阻較高的散熱器效率更高，因此冷卻效果更優異。

SRP1 SSR 經過認證符合多種健康、安全、環境、電磁相容性和靜電抗擾度標準，包括 UL、CAN/CSA、IEC、CISPR、RoHS 和 REACH。非常適合工業自動化領域中的加熱和運動控制應用。在食品和飲料產業中也運行良好，可用來控制工業烤箱、包裝設備和輸送帶系統。暖通空調系統也會在空氣處理器和壓縮機中使用這些繼電器，大型照明系統也是如此。這些應用全都需要優異的效能和超高可靠性，而 SRP1 系列有滿足多種電流、電壓、反應時間和切換要求的選項。

例如，SRP1-CBAZL-050NW-N 是一款額定電流為 50 A 的 SSR，具有 24 V_AC 至 240 V_AC 輸出。可接受 90 V_AC 至 280 V_AC 的輸入電壓，並可在輸出電壓的零交點處進行切換。提供的最大導通電阻為 6.3 mΩ，在最大電流下，繼電器上的壓降僅有 0.3 V。額定最大壓降為 1.3 V。繼電器可在不到 20 ms 的時間內啟動，包括零點交叉的等待時間，並可在不到 30 ms 內關閉。

SRP1-CBDZL-010NF-N 是 DC 致動型 SSR 的例子之一。其額定輸出電流為 10 A，輸出電壓範圍為 24 V_AC 至 240 V_AC。輸入電壓範圍介於 4 V_DC 至32 V_DC。亦可在輸出電壓的零交點處進行切換，並具有相同的 6.3 mΩ 最大導通電阻。與標準 SRP1-CB 繼電器的不同之處在於具有快接端子。其啟動時間等於輸出波形週期的一半。

SRP1-CRARH-025TC-N 是 SRP1 系列的觸摸安全版本，額定輸出電流為 25 A。此型號使用 AC 致動，輸入電壓介於 90 V_AC 至 280 V_AC。與其他型號的不同之處在於具有瞬間切換反應，並具有 48 V_AC 至 600 V_AC 的高輸出電壓範圍。此繼電器的啟動時間小於 20 ms，關閉時間小於 30 ms。

使用具有 DC 輸入和瞬間切換回應的繼電器就可達到最快的反應時間。SRP1-CRDRL-010TC-N 就是範例之一。此 SSR 的額定輸出電流為 10 A，輸出電壓範圍為 24 V_AC 至 240 V_AC。輸入電壓範圍介於 4 V_DC 至32 V_DC。啟動時間為 20 μs，關閉時間則不到輸出波形週期的一半，因此是最快速週期時間的繼電器之一。

結論

為了滿足工廠自動化的切換效能、可靠性和國際標準要求，設計人員可以仰賴 SRP1 系列 SSR。此系列採用先進的半導體技術，可在較寬的輸出電流下和多種輸入控制選項中，達到長久壽命、高速切換和最小的 EMI。