Szilárdtest relék (SSR) és a snubber-körök fontossága, tervezése

A szilárdtest relék (Solid State Relay, SSR) félvezető alapú kapcsolóeszközök, amelyek mechanikus érintkezők helyett tirisztorokat (TRIAC, SCR) vagy MOSFET-eket használnak a terhelés be- és kikapcsolására.
Szerző: HESTORE Hungary Kft. / Hódi Gábor

Fő előnyeik: hosszú élettartam, nagy kapcsolási sebesség, rezgés- és zajmentes működés.

Hátrányuk: érzékenyek a túlfeszültségre, áramlökésekre és a nagy dv/dt értékekre – ezért a tervezésnél snubber-köröket és egyéb védelmi megoldásokat kell alkalmazni.

SSR felépítése és működése

Egy tipikus SSR négy fő egységből áll:

Bemeneti rész (vezérlőáramkör): LED vagy optocsatoló, galvanikus leválasztással.
Optikai csatoló: Optotriac vagy opto-SCR, fény útján vezérli a teljesítményoldali félvezetőt.
Teljesítménykapcsoló: AC terhelésnél triac vagy antiparallel SCR-pár, DC terhelésnél MOSFET- vagy IGBT-pár.
Védelmi áramkörök: Snubber, varisztor, TVS dióda.

SSR bemeneti tartományok és típusok

Az SSR vezérlő bemenete eltérő kivitelű lehet, a vezérlőjel forrásától és a felhasználás módjától függően.

a) AC vagy DC bemenet

AC bemenet: tipikusan 90–280V AC vagy 20–250V AC tartományban működik, belső egyenirányítással.

Előnye, hogy váltó feszültségről közvetlenül vezérelhető.

DC bemenet: pl. 3–32V DC, 4–20mA vagy 5–60V DC tartomány.

Alacsony feszültségű vezérlő elektronikákhoz ideális (PLC, mikrokontroller).

b) Potméterrel vezérelhető SSR

Általában fázisszabályzós SSR, amely a potméter állásától függően módosítja a bekapcsolási fázisszöget (pl. fűtés vagy fényerő-szabályozás).

Ilyenkor a bemenet analóg, és egy belső triac-vezérlő áramkör dolgozza fel.

Nullátmenetes (zero-cross) vs. azonnali bekapcsolású (random turn-on) SSR

Nullátmenetes (zero-cross) SSR

A kapcsolás a hálózati feszültség null-átmeneténél indul.

Előny: kisebb kapcsolási tranziens, kevesebb EMI, ideális ohmos és mérsékelten induktív terheléshez.

Hátrány: nem alkalmas fázisszög-szabályzásra, és lassú reagálásra képes (max. félperiódus késés).

Azonnali (random turn-on) SSR

A vezérlőjel beérkezésekor azonnal kapcsol, függetlenül a feszültség fázisától.

Előny: alkalmas fázisszög vezérlésre (dimmer, szabályozott fűtés).

Hátrány: nagyobb kapcsolási tranziens és EMI léphet fel.

SSR áramának kiválasztása a terheléshez képest

A gyártók az SSR névleges áramát 25 °C, megfelelő hűtés és szinuszos terhelés mellett adják meg. A valóságban biztonsági tényezőt kell alkalmazni:

Terhelés típusa

Ohmos: 20–30% tartalék (pl. 5 A → min. 6,5–7 A SSR).
Induktív: 2–3× túlméretezés szükséges.
Kapacitív: szintén 2–3× túlméretezés.

Környezeti hőmérséklet

Magasabb hőmérsékleten csökken az áramterhelhetőség.

Hűtés

Nagy áramnál kötelező hűtőborda, esetleg ventilátoros kényszerhűtés.

Kapcsolási gyakoriság

Gyakori kapcsolás → több hő → nagyobb tartalék kell.

Általános képlet:

\( I_{SSR} \geq I_{load} \cdot K \)

ahol K:

Ohmos: 1,2–1,3
Induktív: 2–3
Kapacitív: 2–3

Indítási tranziens jelenségek és SSR-károsodás

A legtöbb fogyasztó bekapcsoláskor jóval nagyobb áramot vesz fel, mint üzemi állapotban.

Ez az indítási áramlökés:

hirtelen hőstresszt okoz a félvezető chip-ben,
meghaladhatja a max. di/dt értéket,
akaratlan kapcsolást vagy átütést idézhet elő a magas dv/dt miatt.

Gyakori példák:

Izzólámpa / halogén lámpa

Hidegellenállás 10–15× kisebb.
100 W izzó: 0,43 A üzemi áram, indításkor 4–6 A.

Induktív motor

Indításkor 6–8× névleges áram.
Nagy di/dt → félvezető átmenetkárosodás.

Transzformátor

Mag telítődés → 10–15× áramcsúcs.
Zárlat Szerű terhelés az első fél periódusban.

Kapacitív terhelés

Nagy puffer kondenzátor → rövidzárként indul.
Akár azonnali SSR-kiesés, ha nincs áramkorlátozás.

Miért veszélyes?

Az SSR adatlap szerinti áramterhelhetősége folyamatos üzemre vonatkozik.

Az ismétlődő nagy áramlökések mikrorepedéseket okoznak a félvezetőben, ami később teljes zárlathoz vagy szakadásos hibához vezethet.

Terhelés típusa	Jellemző indítási áram-szorzó (Inrush)	Példa terhelés	Ajánlott SSR túlméretezési tényező (K)	Megjegyzés
Ohmos	1,0 – 1,5×	Fűtőszál, ellenállás	1,2 – 1,3×	Minimális tranziens, főleg hőterhelés számít
Izzólámpa	8 – 15×	Wolframszálas, halogén	2 – 3×	Hidegellenállás töredéke az üzemi értéknek
Induktív motor	5 – 8×	Ventilátor, szivattyú	2 – 3×	Indításkor álló forgórész → nagy áramlökés
Transzformátor	10 – 15×	Tápegység, mérőtranszformátor	3×	Magtelítődős → zárlatszerű indulás
Kapacitív	20× vagy több	Nagy pufferkondenzátor	3×	Üres kondenzátor rövidzárként indul
Kevert (RC, RL)	1,5 – 5×	Elektromos szerszámok	1,5 – 2,5×	Inrush jellemző az induktív rész miatt

Megoldások az indítási tranziens csökkentésére

Túlméretezett SSR: nagyobb névleges áram, mint a számított üzemi érték.
Áramkorlátozó elem: NTC termisztor, soros ellenállás, lágyindító.
Megfelelő snubber és MOV varisztor: tranziens védelem.
Nullátmeneti kapcsolás: csökkenti az induktív és kapacitív tranziens amplitúdót.

Snubber-körök szerepe

A snubber-kör egy passzív hálózat (általában RC, ritkábban RCD vagy transzorbbal kombinált), amely:

korlátozza a dv/dt-t
csillapítja a rezonanciát
védi a félvezetőt a túlfeszültségtől
csökkenti az EMI-t

RC-snubber felépítése

Az RC-snubber egy soros ellenállás (R) és kondenzátor (C), párhuzamosan kapcsolva a teljesítménykapcsolóval.

A kondenzátor tompítja a feszültségváltozásokat.
Az ellenállás szabályozza a kondenzátor töltését/ürítését, és csillapítja az oszcillációt.

Tervezési szempontok

Kondenzátor kiválasztása

\(C \approx \frac{I\_{load}}{\frac{dv}{dt\_{max}} \cdot V\_{AC}}\)

\( C \approx \frac{5}{500 \cdot 325} \approx 30\ \text{nF} \quad\Rightarrow\quad 47\ \text{nF X2} \)

Típus: X2-besorolású, 275–305 VAC névleges feszültség
Induló érték: 47–100 nF

Ellenállás kiválasztása

\(R \approx \sqrt{\frac{L_{load}}{C}}\)

A teljesítmény terhelés számítása:

\(P_{R} \approx \frac{V_{AC}^2}{R} \cdot \frac{C}{T}\)

Tipikus érték: 47-220R 1-2W

Kiegészítő védelem

Varisztor (MOV): gyors túlfeszültség levezetés
TVS dióda: különösen DC terhelésnél hatásos
NTC termisztor: bekapcsolási áramlökés csökkentése

Tervezési példa

Feladat: 230 VAC, 5 A induktív terhelés, dv/dt max = 500 V/µs.

Kondenzátor (C) választása:

\(C \approx \frac{5}{500 \cdot 325} \approx 30\ \text{nF} \quad\Rightarrow\quad 47\ \text{nF X2}\)

Ellenállás (R) választása:

Kísérleti hangolás 100 Ω / 2 W ellenállással, csillapítás és melegedés mérése.

Kapcsolódó, közkedvelt termékek

Termék ajánlás	Kosár
SSR-40DA, DC (4-32 VDC) vezérlésű, nullátmenetnél kapcsoló szilárdtest relé	SSR-40DA 100.368.00 1+: € 8.146
SSR-40AA, AC (80-250 VAC) vezérlésű, nullátmenetnél kapcsoló kapcsoló szilárdtest relé	SSR-40AA 100.399.70 1+: € 10.752
SSR-40VA, AC (500K) vezérlésű, fázishasításos szabályzó kapcsoló szilárdtest relé	SSR-40VA 100.422.92 1+: € 9.213
HS-SSR-40DA, DIN sínre szerelhető hűtőborda SSR-xx sorozathoz	HS-SSR-40DA 100.392.79 1+: € 6.075
RAD-SSRT-80, DIN sínre szerelhető hűtőborda SSR-xx sorozathoz	RAD-SSRT-80 100.481.65 1+: € 13.634
HY-410, Fővezető paszta, fecskendős	HY-410 100.366.86 1+: € 0.872
TSR-40DA-H, DC (4-32 VDC) vezérlésű, 3-fázisú 40A szilárdtest relé	TSR-40DA-H 100.382.47 1+: € 79.461
RSR52-60D40, DC (4-32 VDC) vezérlésű, magas feszültségű szilárdtest relé (pl. 400VAC fogyasztókhoz)	RSR52-60D40 100.481.74 1+: € 32.572
MRA-23D5, DC (3-32 VDC) vezérlésű, nagyon keskeny, kisteljesítményű szilárdtest relé	MRA-23D5 100.479.24 1+: € 13.189
TRA23D25K, DC (3-32 VDC) vezérlésű, 1 modul széles, 25A-es szilárdtest relé	TRA23D25K 100.479.27 1+: € 12.395

Ajánlott X2 kondenzátorok (RC-snubberhez)

Termék ajánlás	Kosár
47 nF / 275 VAC X2, PP fólia, RM15 – univerzális kiindulás ohmos/enyhén induktív terhelésekhez. (KEMET / R46 sorozat)	47 nF / 275V X2 100.007.54 1+: € 0.294
100 nF / 275 VAC X2, PP fólia, RM15 (KEMET R46) – erősebb dv/dt csillapításra, ha az SSR adatlap és mérés indokolja	100 nF / 275 V X2 100.295.56 1+: € 0.305

Ajánlott soros ellenállások (RC-snubberhez)

Termék ajánlás	Kosár
100 Ω / 2 W, fémréteg (ROYAL OHM, THT) – jó általános kezdőérték 47–82 nF C-vel	100 R 5% 100.203.78 1+: € 0.166
150 Ω / 2 W, fémréteg (ROYAL OHM, THT) – ha a ringing csillapítás jobb ezzel, vagy a C nagyobb	150 R 5% 100.203.80 1+: € 0.169
220 Ω / 2 W, fémréteg (ROYAL OHM, THT) – nagyobb C-hez vagy jobban csillapított hálózathoz; kisebb snubber-veszteség	220 R 5% 100.203.82 1+: € 0.083

Az X2 jelölés a kondenzátoroknál biztonsági osztályt jelent

Olyan hálózati zavarszűrő kondenzátorokra vonatkozik, amelyeket közvetlenül a hálózati feszültség (230 V AC) két pólusa közé kötnek (pl. fázis és nulla közé). Itt a kondenzátor bármilyen meghibásodása közvetlenül a hálózati áramkörre hathat, ezért külön előírások vonatkoznak rájuk.

Megjegyzések a beépítéshez

A kondenzátort közvetlenül a kapcsolóelem (triac/SCR/MOSFET) kivezetéseihez közel érdemes kötni, a hurkok rövidítése csökkenti az EMI-t
A soros ellenállás teljesítményével nem érdemes spórolni: 230 VAC / 50 Hz mellett egy 100 nF-os snubber kb. 7–8 mA reaktív áramot kap, a csúcsok miatt a 2 W sokkal tartósabb megoldás, mint a 0,6–1 W

Összefoglalás

Az SSR-ek megbízható, gyors és csendes kapcsolást tesznek lehetővé, de:

a terhelés indítási tranziens áramok akár többszörösére terhelhetik a kapcsolóelemet,
az áramterhelhetőséget a terhelés típusa, hőmérséklet, hűtés és kapcsolási gyakoriság alapján kell megválasztani,
a snubber-kör tervezése kulcsfontosságú a dv/dt és túlfeszültségek csökkentésére,
kiegészítő védelem (MOV, TVS, NTC) növeli a megbízhatóságot.