Utilice relés de estado sólido en la automatización de fábricas para obtener alta fiabilidad, conmutación rápida y baja EMI (interferencia electromagnética).

Para evitar costosos tiempos de inactividad, el diagnóstico avanzado y el mantenimiento predictivo se utilizan cada vez más en la automatización de fábricas de sectores como la producción de alimentos y bebidas, el ensamblaje automatizado y otros sistemas de procesamiento continuo, así como en maquinaria de climatización, purificación de agua y generación de energía. La fiabilidad de los relés de conmutación es crucial para estos procesos industriales automatizados. Deben ser capaces de conmutar rápidamente, funcionar continuamente en condiciones difíciles con un desgaste mínimo de los contactos y no causar interferencias electromagnéticas (EMI) que puedan afectar a los sensores y controles inalámbricos.

Los relés de estado sólido (SSR) satisfacen las demandas de conmutación de la automatización de fábricas utilizando una tecnología innovadora que mejora la fiabilidad y la durabilidad para garantizar un rendimiento constante incluso en entornos difíciles.

Este artículo analiza brevemente los requisitos de conmutación de la automatización de fábricas. A continuación, se presentan ejemplos de SSR de Littelfuse y se muestra cómo pueden utilizarse para satisfacer estos requisitos.

Definición y cumplimiento de los requisitos de conmutación para la automatización de fábricas

Las necesidades de conmutación para la automatización de fábricas incluyen fiabilidad a bajo coste, tiempos de actuación rápidos sin rebote de contactos ni formación de arcos, EMI (interferencia electromagnética) mínima que pueda afectar a los circuitos cercanos o a los sensores y redes inalámbricos que se utilizan cada vez más en las fábricas, y alta tolerancia a los choques mecánicos y las vibraciones.

Los SSR emplean dispositivos semiconductores para realizar la operación de interruptor y cumplir estos requisitos. Pueden ser actuados por voltajes de CA o CC con modelos distintos para cada tipo de excitación (Figura 1).

Figura 1: Estos diagramas de bloques funcionales de los SSR muestran los componentes críticos de los modelos con actuador de CC (arriba) y de CA (abajo). (Fuente de la imagen: Littelfuse Inc.)

Los SSR accionados por CC (arriba) regulan el voltaje aplicado. Los SSR accionados por CA (abajo) utilizan un rectificador de puente de onda completa para convertir la señal de excitación en CC. Ambos tipos de SSR aíslan ópticamente la señal de actuador de la salida. El elemento activo de estos SSR es un par de rectificadores controlados por silicio (SCR). Estos SSR incluyen una protección contra sobretensiones en forma de diodo de supresión de voltaje transitorio (TVS) conectado entre las puertas de los SCR para salvaguardar el SSR y evitar cambios de estado inesperados en presencia de transitorios eléctricos en la red.

La respuesta de conmutación aprovecha los rápidos tiempos de conmutación de los dispositivos semiconductores y está controlada por el circuito de disparo. La conmutación puede ser a cruce por cero de la tensión de salida tras aplicar la señal de actuación o aleatoria (instantánea) con la señal de actuación (Figura 2).

Figura 2: La característica de conmutación se selecciona en función de la aplicación prevista del SSR. (Fuente de la imagen: Littelfuse Inc.)

El encendido por paso por cero se utiliza para aplicaciones con corrientes elevadas, como calentadores industriales, donde minimiza las corrientes de irrupción. El encendido instantáneo se utiliza cuando la conmutación debe producirse a alta frecuencia. La conmutación instantánea proporciona la mayor frecuencia de conmutación posible.

Ejemplos de SSR

Ante la necesidad de relés de conmutación de potencia más fiables y duraderos en aplicaciones de maquinaria industrial y comercial, Littelfuse Inc. ha diseñado la familia SRP1 de SSR de alta resistencia. Se ofrece en dos líneas de modelos: el SSR sin revestimiento de alta resistencia SRP1-CB y el SSR todo en uno de alta resistencia SRP1-CR con Touch-Safe y protección contra sobretensiones (Figura 3, izquierda y centro).

Figura 3: Se muestran el SSR SRP1-CB sin revestimiento (izquierda), el SSR SRP1-CR Touch-Safe (centro) y los terminales alternativos de conexión rápida del SRP1-CB...F (derecha). (Fuente de la imagen: Littelfuse Inc.)

Littelfuse ha diseñado semiconductores patentados para minimizar la degradación de los componentes debida al calor y ofrecer un rendimiento óptimo en condiciones adversas. Ambas líneas de modelos ofrecen unidades con actuación de CA o CC y valores nominales de corriente de salida de 10 A, 25 A y 50 A en cualquiera de los dos rangos de voltaje de salida, 24 V_CA a 240 V_CA o 48 V_CA a 600 V_CA. Los modelos se diferencian en que el SRP1-CR incluye funciones integradas de protección e instalación, como una cubierta IP20 a prueba de dedos, protección contra sobretensión de diodos TVS y una almohadilla térmica preinstalada. La versión SRP1-CB...F (Figura 3, derecha) también dispone de terminales de conexión rápida.

Los relés son dispositivos unipolares de tiro único (SPST) cableados en serie con la carga de salida (Figura 4).

Figura 4: Los SSR SRP1 están cableados en serie con la carga de salida; la entrada es accionada por una señal de accionamiento de CA o CC, según el modelo. (Fuente de la imagen: Littelfuse Inc.)

Los SSR necesitan un disipador térmico para funcionar a sus valores nominales especificados. Ambos modelos de Littelfuse utilizan la última tecnología de conexión directa para garantizar la máxima fiabilidad y longevidad del producto. Los relés SRP1-CR incluyen una almohadilla térmica integrada para una disipación eficaz del calor que no necesita compuesto térmico, lo que permite una instalación limpia y sencilla. Los diagramas de reducción térmica (Figura 5) muestran la corriente de salida máxima que puede admitirse para distintas temperaturas ambiente y disipadores de distintas resistencias térmicas.

Figura 5: Se muestran las curvas de reducción de potencia de los SSR de la serie SRP1-CR para distintas temperaturas ambiente y disipadores térmicos. (Fuente de la imagen: Littelfuse Inc.)

La resistencia térmica se especifica en ˚C por vatio (°C/W). Un disipador de 10 °C/W se calentará 10 °C más que el aire circundante por cada 1 W de calor que disipe. Los disipadores con menor resistencia térmica son más eficientes que los disipadores con mayor resistencia térmica y, por tanto, enfrían mejor.

Los SSR SRP1 están certificados para cumplir diversas normas de salud, seguridad, medio ambiente, compatibilidad electromagnética e inmunidad electrostática, como UL, CAN/CSA, IEC, CISPR, RoHS y REACH (Regulación sobre registro, evaluación, autorización y restricción de químicos). Son idóneos para aplicaciones de calefacción y control de movimiento en automatización industrial. También funcionan bien en la industria alimentaria y de bebidas, controlando hornos industriales, equipos de envasado y sistemas de transporte. Los sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado utilizan estos relés para los manipuladores y compresores de aire, al igual que los sistemas de iluminación a gran escala. Todas estas aplicaciones requieren un rendimiento superior y una fiabilidad altísima, y la serie SRP1 tiene opciones para satisfacer diversos requisitos de corriente, voltaje, tiempo de respuesta y conmutación.

Por ejemplo, el SRP1-CBAZL-050NW-N es un SSR de 50 A con una salida de 24 V_CA a 240 V_CA. Acepta una tensión de entrada de 90 V_CA a 280 V_CA y conmuta en el cruce por cero de la tensión de salida. Ofrece una resistencia máxima en estado encendido de 6.3 miliohmios (mΩ), lo que se traduciría en una caída de solo 0.3 V en el relé a la corriente máxima. La caída de voltaje máxima nominal es de 1.3 V. El relé se enciende en menos de 20 milisegundos (ms), incluido el tiempo de espera del paso por cero, y se apaga en menos de 30 ms.

El SRP1-CBDZL-010NF-N es un ejemplo de SSR accionado por CC. Tiene una corriente de salida nominal de 10 A con un rango de voltaje de salida de 24 V_CA a 240 V_CA. El rango de voltaje de entrada es de 4 V_CC a 32 V_CC. También conmuta en el cruce por cero de la tensión de salida y tiene la misma resistencia máxima en estado encendido de 6.3 mΩ. Se diferencia de los relés SRP1-CB estándar en que incorpora terminales de conexión rápida. Su tiempo de encendido es igual a la mitad del ciclo de la forma de onda de salida.

El SRP1-CRARH-025TC-N es una versión segura al tacto de la serie SRP1 y tiene una corriente nominal de salida de 25 A. Este modelo es actuador de CA utilizando un voltaje de entrada de 90 V_CA a 280 V_CA. Se diferencia de los otros modelos porque tiene una respuesta de conmutación instantánea y utiliza un alto rango de voltaje de salida de 48 V_CA a 600 V_CA. El tiempo de conexión del relé es inferior a 20 milisegundos (ms) y su tiempo de desconexión es inferior a 30 ms.

El tiempo de respuesta más rápido se consigue utilizando un relé con una entrada de CC y una respuesta de conmutación instantánea. Un ejemplo es el SRP1-CRDRL-010TC-N. Este SSR tiene una corriente de salida nominal de 10 A con un rango de voltaje de salida de 24 V_CA a 240 V_CA. El rango de voltaje de entrada es de 4 V_CC a 32 V_CC. Su tiempo de encendido es de 20 microsegundos (µs), y su tiempo de apagado es inferior a la mitad del ciclo de la forma de onda de salida, por lo que se encuentra entre los tiempos de ciclo de relé más rápidos.

Conclusión:

Para cumplir los requisitos de rendimiento de conmutación, fiabilidad y normas internacionales de la automatización de fábricas, los diseñadores pueden confiar en la serie SRP1 de SSR. Esta serie utiliza los avances de la tecnología de semiconductores para lograr una larga duración, una alta velocidad de conmutación y una EMI (interferencia electromagnética) mínima en un amplio rango de corrientes de salida y opciones de control de entrada.