SSR - Solid State Relay

솔리드 스테이트 릴레이는 전기 기계 릴레이의 반도체 등가물이며 움직이는 부품을 사용하지 않고 전기 부하를 제어하는 데 사용할 수 있습니다

 

코일, 자기장, 스프링 및 기계적 접점을 사용하여 전원을 작동 및 전환하는 전기 기계 계전기(EMR)와 달리 솔리드 스테이트 계전기(SSR)는 움직이는 부품이 없고 대신 솔리드 스테이트 반도체의 전기적 및 광학적 특성을 사용하여 입력-출력 절연 및 스위칭 기능을 수행합니다.

 

일반적인 전기 기계 계전기와 마찬가지로 SSR은 입력 접점과 출력 접점 사이에 완전한 전기 절연을 제공하며, 출력은 비전도(개방)일 때 매우 높고 거의 무한한 저항을 가지며 전도(폐쇄)일 때 매우 낮은 저항을 갖는다는 점에서 기존 전기 스위치처럼 작동합니다. 솔리드 스테이트 릴레이는 일반적인 기계적 상시 개방(NO) 접점 대신 SCR, TRIAC 또는 스위칭 트랜지스터 출력을 사용하여 AC 또는 DC 전류를 모두 스위칭하도록 설계할 수 있습니다.

 

솔리드 스테이트 릴레이와 전기 기계 릴레이는 저전압 입력이 부하를 전환하고 제어하는 출력과 전기적으로 절연되어 있다는 점에서 근본적으로 유사하지만, 전기 기계 릴레이는 접점 수명주기가 제한되고 많은 공간을 차지할 수 있으며 스위치 속도, 특히 대형 전력 릴레이 및 접촉기. 솔리드 스테이트 릴레이에는 이러한 제한이 없습니다.

따라서 솔리드 스테이트 릴레이가 기존의 전기 기계식 릴레이에 비해 갖는 주요 이점은 마모 될 움직이는 부품이 없으므로 접촉 바운스 문제가 없으며 기계식 릴레이 전기자가 움직일 수있는 것보다 훨씬 빠르게 "ON"및 "OFF"를 전환 할 수있을뿐만 아니라 제로 전압 켜기 및 제로 전류 끄기로 전기 노이즈 및 과도 현상을 제거합니다.

 

접점 계전기는 단 몇 볼트 또는 암페어에서 수백 볼트 및 암페어의 출력 스위칭 기능에 이르는 표준 기성품 패키지로 구입할 수 있습니다. 그러나 매우 높은 정격 전류(150A 이상)를 가진 무접점 계전기는 전력 반도체 및 방열판 요구 사항으로 인해 여전히 구입하기에는 너무 비싸므로 더 저렴한 전기 기계 접촉기가 여전히 사용됩니다.

 

전기 기계 계전기와 유사하게, 일반적으로 3 - 32 볼트 DC의 작은 입력 전압을 사용하여 훨씬 큰 출력 전압 또는 전류를 제어 할 수 있습니다. 예를 들어 240V, 10Amps. 따라서 마이크로 컨트롤러 또는 논리 게이트의 저전류, 5V 신호를 사용하여 특정 회로 부하를 제어할 수 있으므로 마이크로 컨트롤러, PIC 및 Arduino 인터페이스에 이상적이며 이는 광 절연기를 사용하여 달성됩니다.

 

솔리드 스테이트 릴레이 입력

SSR(Solid State Relay)의 주요 구성 요소 중 하나는 단일 케이스 내에 하나 이상의 적외선 발광 다이오드 또는 LED 광원과 광 감지 장치를 포함하는 광 절연체(광 커플러라고도 함)입니다. 광 절연체는 입력과 출력을 분리합니다.

LED 광원은 SSR의 입력 드라이브 섹션에 연결되어 인접한 감광성 트랜지스터, 달링턴 쌍 또는 트라이악과의 갭을 통해 광학 커플링을 제공합니다. 전류가 LED를 통과하면 LED가 켜지고 LED의 빛이 갭을 가로질러 포토 트랜지스터/포토 트라이악으로 집중됩니다.

따라서 광결합 SSR의 출력은 일반적으로 저전압 신호를 사용하여 이 LED에 전원을 공급하여 "ON"으로 전환됩니다. 입력과 출력 사이의 유일한 연결은 빛의 빔이기 때문에 고전압 절연(일반적으로 수천 볼트)은 이 내부 광 절연을 통해 달성됩니다.

광 절연체는 더 높은 수준의 입력/출력 격리를 제공할 뿐만 아니라 DC 및 저주파 신호도 전송할 수 있습니다. 또한, LED와 광 감지 장치는 서로 완전히 분리되어 광섬유를 통해 광학적으로 결합될 수 있습니다.

SSR의 입력 회로는 광 절연체의 LED와 직렬로 연결된 단일 전류 제한 저항 또는 정류, 전류 조절, 역극성 보호, 필터링 등이 포함된 더 복잡한 회로로 구성될 수 있습니다.

판매된 상태 릴레이를 활성화하거나 "ON" 상태로 전환하려면 최소 값(일반적으로 3V DC)보다 큰 전압을 입력 단자에 인가해야 합니다(전기 기계식 릴레이 코일과 동일). 이 DC 신호는 그림과 같이 기계식 스위치, 논리 게이트 또는 마이크로 컨트롤러에서 유도될 수 있습니다.

 

솔리드 스테이트 릴레이 DC 입력 회로

기계 접점, 스위치, 푸시 버튼, 기타 릴레이 접점 등을 활성화 신호로 사용할 때 사용되는 공급 전압은 SSR의 최소 입력 전압 값과 같을 수 있는 반면, 트랜지스터, 게이트 및 마이크로 컨트롤러와 같은 솔리드 스테이트 장치를 사용하는 경우 스위칭 장치 내부 전압 강하를 설명하기 위해 최소 공급 전압은 SSR의 턴온 전압보다 1볼트 또는 2볼트 높아야 합니다.

 

그러나 솔리드 스테이트 릴레이를 전도로 전환하기 위해 싱킹 또는 소싱과 같은 DC 전압을 사용하는 것뿐만 아니라 그림과 같이 전파 정류를위한 브리지 정류기와 DC 입력에 필터 회로를 추가하여 정현파 파형을 사용할 수도 있습니다.

 

솔리드 스테이트 릴레이 AC 입력 회로

 

 

브리지 정류기는 정현파 전압을 입력 주파수의 두 배에서 전파 정류 펄스로 변환합니다. 여기서 문제는 이러한 전압 펄스가 0V에서 시작하고 끝난다는 것인데, 이는 SSR 입력 임계값의 최소 턴온 전압 요구 사항 아래로 떨어지므로 출력이 반주기마다 "켜짐" 및 "꺼짐"이 발생한다는 것입니다.

 

이러한 불규칙한 출력 발사를 극복하기 위해 브리지 정류기의 출력에 평활 커패시터(C1)를 사용하여 정류된 리플을 평활화할 수 있습니다. 커패시터의 충전 및 방전 효과는 정류 신호의 DC 성분을 솔리드 스테이트 릴레이 입력의 최대 턴온 전압 값 이상으로 올립니다. 그런 다음 지속적으로 변화하는 정현파 전압 파형이 사용되더라도 SSR의 입력은 일정한 DC 전압을 나타냅니다.

 

전압 강하 저항의 값, R1 및 평활 커패시터 C1 공급 전압, 120 볼트 AC 또는 240 볼트 AC 및 솔리드 스테이트 릴레이의 입력 임피던스에 맞게 선택됩니다. 그러나 약 40kΩ과 10uF 정도면 충분합니다.

그런 다음 이 브리지 정류기와 평활 커패시터 회로를 추가하면 AC 또는 비극성 DC 공급 장치를 사용하여 표준 DC 솔리드 스테이트 릴레이를 제어할 수 있습니다. 물론 제조업체는 이미 AC 입력 솔리드 스테이트 릴레이 (일반적으로 90-280V AC)를 생산 및 판매하고 있습니다.

 

솔리드 스테이트 릴레이 출력

솔리드 스테이트 릴레이의 출력 스위칭 기능은 입력 전압 요구 사항과 유사한 AC 또는 DC가 될 수 있습니다. 대부분의 표준 솔리드 스테이트 릴레이의 출력 회로는 전기 기계 릴레이의 상시 개방, 단극, 단투 (SPST-NO) 작동과 동일한 한 가지 유형의 스위칭 동작 만 수행하도록 구성됩니다.

 

대부분의 DC SSR에서 일반적으로 사용되는 무접점 스위칭 장치는 전력 트랜지스터, Darlington 및 MOSFET인 반면, AC SSR의 경우 스위칭 장치는 트라이액 또는 백투백 사이리스터입니다. 사이리스터는 높은 전압 및 전류 기능으로 인해 선호됩니다. 단일 사이리스터는 그림과 같이 브리지 정류기 회로 내에서도 사용할 수 있습니다.

 

솔리드 스테이트 릴레이 출력 회로

솔리드 스테이트 릴레이의 가장 일반적인 응용 분야는 AC 부하의 스위칭에 있으며, 이는 ON / OFF 스위칭, 조명 디밍, 모터 속도 제어 또는 전력 제어가 필요한 기타 응용 분야를 위해 AC 전원을 제어하는 것이든, 이러한 AC 부하는 긴 수명과 높은 스위칭 속도를 제공하는 솔리드 스테이트 릴레이를 사용하여 저전류 DC 전압으로 쉽게 제어 할 수 있습니다.

전기 기계 계전기에 비해 솔리드 스테이트 계전기의 가장 큰 장점 중 하나는 무부하 전류 지점에서 AC 부하를 "OFF"할 수 있으므로 기존 기계 계전기 및 유도 부하와 관련된 아크, 전기 노이즈 및 접촉 바운스를 완전히 제거 할 수 있다는 것입니다.

 

이는 AC 스위칭 솔리드 스테이트 릴레이가 SCR 및 TRIAC을 출력 스위칭 장치로 사용하여 입력 신호가 제거되면 장치를 통해 흐르는 AC 전류가 임계 값 아래로 떨어지거나 전류 값을 유지할 때까지 계속 전도하기 때문입니다. 그러면 SSR의 출력은 사인파 피크의 중간에서 꺼질 수 없습니다.

제로 전류 턴오프는 전기 기계 계전기의 접점에 의한 아크로 보이는 유도 부하의 스위칭과 관련된 전기 노이즈 및 역기전력을 줄이기 때문에 솔리드 스테이트 계전기를 사용할 때 가장 큰 이점입니다. 

 

솔리드 스테이트 릴레이 출력 파형

 

입력 신호가 적용되지 않으면 SSR이 효과적으로 OFF(개방 회로)되고 출력 단자에 전체 AC 공급 전압이 표시되므로 부하 전류가 SSR을 통해 흐르지 않습니다. DC 입력 신호를 적용하면 SSR의 제로 전압 스위칭 특성으로 인해 정현파 파형의 어느 부분(양수 또는 음수)이 통과하든 파형이 영점을 넘을 때만 출력이 켜집니다.

 

공급 전압이 양극 또는 음극 방향으로 증가함에 따라 출력 사이리스터 또는 트라이액을 완전히 켜는 데 필요한 최소값(일반적으로 약 15V 미만)에 도달합니다. SSR의 출력 단자를 통과하는 전압 강하는 스위칭 장치의 온 상태 전압 강하(VT (보통 2볼트 미만). 따라서 무효 또는 램프 부하와 관련된 높은 돌입 전류가 크게 감소합니다.

 

DC 입력 전압 신호가 제거되면 일단 전도로 트리거되면 출력이 갑자기 꺼지지 않으며, 스위칭 장치로 사용되는 사이리스터 또는 트라이액은 부하 전류가 전류를 유지하는 장치 아래로 떨어질 때까지 반주기의 나머지 기간 동안 켜진 상태를 유지하며, 이 지점에서 꺼집니다. 따라서 사인파 중간에서 유도 부하를 전환하는 것과 관련된 높은 dv/dt 백 EMF가 크게 감소합니다.

 

그러면 전기 기계식 릴레이에 비해 AC 솔리드 스테이트 릴레이의 주요 이점은 AC 부하 전압이 0V에 가까울 때 SSR을 켜는 제로 크로싱 기능으로 부하 전류가 항상 0V에 가까운 지점에서 시작되므로 높은 돌입 전류를 억제합니다, 사이리스터 또는 트라이악의 고유한 제로 전류 꺼짐 특성. 따라서 (입력 신호 제거와 로드 전류 제거 사이에) 1/2 사이클의 최대 꺼짐 지연이 발생할 수 있습니다.

 

위상 디밍 솔리드 스테이트 릴레이

솔리드 스테이트 릴레이는 부하의 직접적인 제로 크로싱 스위칭을 수행 할 수 있지만 디지털 논리 회로, 마이크로 프로세서 및 메모리를 통해 훨씬 더 복잡한 기능을 수행 할 수도 있습니다. 솔리드 스테이트 릴레이의 또 다른 우수한 응용 분야는 가정이나 쇼 또는 콘서트를 위한 램프 디밍 응용 분야입니다.

 

제로가 아닌(인스턴트 온) 스위칭 솔리드 스테이트 릴레이는 AC 사인파의 다음 제로 크로싱 지점까지 대기하는 위의 제로 크로싱 SSR과 달리 입력 제어 신호를 적용한 직후 켜집니다. 이 랜덤 파이어 스위칭은 램프 디밍과 같은 저항성 애플리케이션 및 AC 사이클의 작은 부분에만 부하에 전원을 공급해야 하는 애플리케이션에 사용됩니다.

 

랜덤 스위칭 출력 파형

 

이를 통해 부하 파형의 위상 제어가 가능하지만 SSR의 주요 문제는 릴레이가 켜지는 순간의 초기 부하 서지 전류가 공급 전압이 피크 값(90o). 입력 신호가 제거되면 그림과 같이 부하 전류가 전류를 유지하는 사이리스터 또는 트라이액 아래로 떨어지면 전도가 중지됩니다. 분명히 DC SSR의 경우 ON-OFF 스위칭 동작이 즉각적입니다.

 

솔리드 스테이트 릴레이는 전기 기계 릴레이 (EMR)와 달리 움직이는 부품이나 접점이 없기 때문에 광범위한 ON/OFF 스위칭 애플리케이션에 이상적입니다. 사이리스터, 트라이액 및 트랜지스터와 같은 반도체 스위칭 소자를 사용하는 AC 및 DC 출력 스위칭뿐만 아니라 AC 및 DC 입력 제어 신호 모두에 대해 선택할 수 있는 다양한 상용 유형이 있습니다.

 

그러나 우수한 광 절연기와 트라이 액의 조합을 사용하여 히터, 램프 또는 솔레노이드와 같은 AC 부하를 제어하기 위해 저렴하고 간단한 솔리드 스테이트 릴레이를 만들 수 있습니다. 광 아이솔레이터는 작동하는 데 소량의 입력/제어 전력만 필요하므로 제어 신호는 PIC, Arduino, Raspberry PI 또는 기타 마이크로 컨트롤러에서 나올 수 있습니다.

 

AC SSR 회로

 

 

이러한 유형의 광 커플러 구성은 램프 및 모터와 같은 AC 주전원 부하를 제어하는 데 사용할 수 있는 매우 간단한 솔리드 스테이트 릴레이 애플리케이션의 기초를 형성합니다. 여기서는 랜덤 스위칭 아이솔레이터인 MOC 3020을 사용했습니다. MOC 3041 광트라이액 아이솔레이터는 동일한 특성을 가지고 있지만 제로 크로싱 감지 기능이 내장되어 있어 유도성 부하를 스위칭할 때 높은 돌입 전류 없이 부하가 최대 전력을 수신할 수 있습니다.

 

다이오드 D1 입력 전압의 역연결로 인한 손상을 방지하고 56옴 저항(R3)는 트라이액이 꺼져 있을 때 모든 di/dt 전류를 션트하여 잘못된 트리거링을 제거합니다. 또한 게이트 터미널을 MT1에 연결하여 트라이액이 완전히 꺼지도록 합니다.

펄스 폭 변조 된 PWM 입력 신호와 함께 사용하는 경우 AC 부하에 대해 ON/OFF 스위칭 주파수를 최대 10Hz 미만으로 설정해야 하며, 그렇지 않으면 이 솔리드 스테이트 릴레이 회로의 출력 스위칭이 따라가지 못할 수 있습니다.