Relee PhotoMOS

Releele cu semiconductori (SSR) sunt dispozitive electrice de comutare, care servesc aceluiași scop ca releele electro-mecanice, dar fără părțile mobile, de unde și denumirea de „solid state relay”. Neavând piese în mișcare, SSR tinde să aibă o durată de viață mai lungă, deoarece nu sunt supuse uzurii.

În acest articol sunt prezentate releele PhotoMOS de la Panasonic, ce pot fi găsite, în special, în echipamente industriale. Este descris modul de funcționare, posibilitățile de utilizare și se prezintă răspunsuri la întrebări generale cu privire la acest tip de releu.

Releele cu semiconductori, având în vedere lipsa părților mecanice în mișcare, pot comuta mai rapid decât omoloagele lor electromecanice, deoarece folosesc proprietățile electrice și optice ale semiconductorilor pentru a îndeplini funcțiile de comutare.

Unde se folosesc releele SSR? – Aceste relee sunt utilizate într-o gamă largă de aplicații industriale, cum ar fi control industrial, robotică, achiziție de date, echipamente medicale și sunt utilizate pentru a controla furnizarea de energie pentru iluminat, încălzire, echipamente bazate pe mișcare, precum și numeroase alte aplicații datorită naturii foarte diverse a releelor.

Care sunt avantajele unui SSR? – Principalele avantaje ale releelor SSR față de releele electro-mecanice convenționale sunt, așa cum se menționa și mai sus: lipsa părților mobile care să se uzeze și, prin urmare, realizarea unui contact bun; pot porni și opri mult mai repede un circuit, decât se poate mișca o armătură a releelor mecanice; și, de asemenea, eliminarea zgomotului electric și a fenomenelor tranzitorii.

Ce este PhotoMOS?

Poate că numele „PhotoMOS” vă amintește de o componentă semiconductoare electronică, iar PhotoMOS este într-adevăr o astfel de componentă. Pe scurt, PhotoMOS este un releu semiconductor care conține un LED, servind ca element de intrare și un MOSFET ca element de ieșire.

Din punct de vedere istoric, releele mecanice au fost larg răspândite pe piață. Totuși releele bazate pe semiconductori oferă multe avantaje față de releele mecanice. Astfel, un releu semiconductor are o durată lungă de viață și oferă o fiabilitate ridicată a contactului.

Acum, să analizăm structura internă a releelor semiconductoare PhotoMOS. Imaginea alăturată prezintă structura de bază a unui dispozitiv PhotoMOS, care constă din trei componente de bază: un LED, un element fotoelectric și un MOSFET. Această imagine poate fi utilizată pentru a explica, vizual, modul în care funcționează PhotoMOS: un semnal electric de intrare pe partea primară este (1) convertit în lumină de către LED. Lumina LED-ului este apoi (2) primită de elementul fotoelectric pentru a genera o forță electromotoare. În cele din urmă, forța electromotoare generată (3) comută MOSFET-ul în starea activă (ON).

Structura internă a unui dispozitiv PhotoMOS

Prin acest proces, semnalul electric de intrare pornește MOSFET-ul pe partea de intrare și îl oprește pe partea de ieșire. Mai simplu spus, PhotoMOS funcționează ca un element de comutare (adică un releu) în care partea de intrare este izolată electric de partea de ieșire printr-o cale de transmisie a luminii.

Principiul de funcționare al PhotoMOS-ului este relativ ușor de înțeles. În aplicațiile practice, procesul și implementarea acestei tehnologii necesită o bună cunoaștere pentru fabricare. Panasonic cercetează și dezvoltă produse PhotoMOS de peste 30 de ani. Bazându-se pe mulți ani de experiență și cunoștințe acumulate, compania păstrează cel mai înalt standard de tehnologie de proiectare din industrie.

Diferențe față de un optocuplor

Atunci când este explicată funcționarea de bază a PhotoMOS-ului, apare o întrebare frecventă: „Care este diferența dintre un PhotoMOS și un optocuplor?”

PhotoMOS este similar în funcționare cu optocuplorul, dar a fost dezvoltat pe baza unui concept de produs diferit. Astfel. diferența dintre aceste două componente constă în faptul că PhotoMOS-ul este capabil de control bidirecțional al curentului, în timp ce optocuplorul este utilizat pentru transmisii relativ simple de impulsuri de semnal sau control DC. PhotoMOS-ul poate fi folosit atât pentru controlul AC, cât și pentru controlul DC. În plus, dispozitivul PhotoMOS oferă avantajul unei tensiuni offset mai mici, care este utilă pentru controlul semnalelor mici, ce pot fi pierdute sau distorsionate în cazul utilizării unui optocuplor.

În ce circuit sunt folosite dispozitivele PhotoMOS?

Exemplul de mai jos prezintă un tip de circuite care utilizează, tipic, un PhotoMOS.

În ultimii ani, pe măsură ce piața echipamentelor de mobilitate continuă să se extindă, modelele care utilizează PhotoMOS-uri în sistemele de management al bateriei (BMS) au crescut constant. Mai exact, în aceste cazuri, PhotoMOS-urile sunt folosite în circuite care monitorizează capacitatea rămasă a bateriei. După cum se observă în figura următoare, sunt utilizate patru PhotoMOS-uri pentru celule de baterie singulare sau multiple într-o configurație de bază a circuitului.

Baterii   |  Sistem de măsurare

În primul rând, PhotoMOS-urile conectate la celula bateriei sunt comutate ON (închise) pentru a încărca capacitoarele. În acest moment, alte PhotoMOS-uri, care sunt conectate la sistemul de măsurare, sunt menținute deschise pentru a susține izolarea între celula bateriei și sistemul de măsurare. Când capacitoarele sunt complet încărcate, PhotoMOS-urile conectate la celula bateriei sunt deschise (comutate OFF), urmate de PhotoMOS-urile conectate la sistemul de măsurare care sunt apoi comutate ON, adică închise (pornite). Acest proces permite măsurarea în siguranță a tensiunii celulei bateriei. Monitorizarea capacității rămase a bateriei se efectuează frecvent atât timp cât dispozitivul este alimentat. Această comutare frecventă utilizată în timpul monitorizării sistemului de baterii ar reprezenta o problemă pentru releele mecanice din cauza duratei de viață limitate a acestora.

Adoptarea PhotoMOS-urilor (releelor semiconductoare) elimină problema generată de comutarea frecventă. PhotoMOS-urile sunt necesare în special pentru produsele cu un consum mare de energie, precum vehiculele electrice, care transportă multe celule de baterie, acestea trebuind să fie monitorizate și controlate individual. Un alt motiv pentru adoptarea largă a PhotoMOS-urilor pe această piață este dimensiunea lor mult mai mică în comparație cu cea a releelor mecanice.

Exemplu
Releu SSR Panasonic seria PhotoMOS, curent de sarcină 3A, montare pe suprafață

Nr. stoc RS:205-6862 – Producător: Panasonic – Cod de producător: AQV255GS

Caracteristici tehnice

După cum s-a menționat în rândurile de mai sus, avantajele oferite de releele SSR față de releele convenționale sunt legate de lipsa componentelor în mișcare și a problemelor de realizarea a contactului, iar frecvența de comutație este mai mare. Pentru oferta completă de relee de putere, cu semiconductoare de la Aurocon COMPEC (mărci cunoscute precum Panasonic, Celduc, Sensata/ Crydom, Omron, Phoenix Contact și multe altele) vă invităm să accesați https://ro.rsdelivers.com/

Eficiență energetică cu ajutorul releelor de putere polarizate

Consum redus? Fără consum!
Releele de putere sunt dispozitive electro-mecanice utilizate pentru a controla fluxul de energie electrică într-un circuit. Utilizarea lor tipică este în aplicații industriale și comerciale pentru a controla sarcini electrice mari, cum ar fi motoare, încălzitoare și sisteme de iluminat. Releele de putere constau dintr-o bobină, care generează un câmp magnetic atunci când un curent trece prin ea și un set de contacte care sunt comutate mecanic de câmpul magnetic. Când bobina este alimentată, contactele se închid, permițând curentului să circule prin releu și către sarcină. Când bobina este dezactivată, contactele se deschid, întrerupând circuitul și oprind fluxul de curent.

Încercările, la nivel global, de a proteja mediul au condus la noi abordări ale consumului de energie. Componentele electronice eficiente din punct de vedere energetic pot aduce o contribuție semnificativă la acest lucru – chiar dacă economiile de energie ale unei singure componente par inițial mici. Dar, atunci când sunt utilizate într-o linie de produse care este implementată pe piețele globale, aceste economii mici multiplicate de milioane până la miliarde de ori se acumulează, conducând la o valoare semnificativă, care impresionează dintr-o perspectivă globală.

Releele de putere sunt utilizate într-o gamă largă de aplicații în care trebuie controlată puterea electrică. Iată câteva exemple comune de aplicații în care sunt utilizate relee de putere: controlul motoarelor (releele de putere sunt utilizate pentru a controla funcționarea motoarelor electrice în diverse aplicații industriale și comerciale, cum ar fi pompe, transportoare și sisteme HVAC); controlul iluminării (releele de putere sunt utilizate pentru a controla sistemele de iluminat, cum ar fi luminile stradale, iluminatul exterior și iluminatul interior în clădiri comerciale și industriale); controlul sistemelor de încălzire și răcire (releele de putere sunt utilizate pentru a controla funcționarea încălzitoarelor și sistemelor de răcire, precum aparate de aer condiționat și unități frigorifice); controlul distribuției puterii (releele de putere sunt utilizate pentru a comuta puterea între diferitele părți ale unui sistem electric, de exemplu, între o sursă de alimentare principală și o sursă de alimentare de rezervă); corecția factorului de putere (releele de putere sunt utilizate pentru a corecta factorul de putere în sisteme electrice, care ajută la îmbunătățirea eficienței sistemului); controlul surselor de alimentare neîntreruptibilă (UPS); controlul unor sisteme de securitate (releele sunt utilizate pentru a controla funcționarea diferitelor dispozitive, cum ar fi încuietorile ușilor, alarmele și camerele). Acestea sunt doar câteva exemple din numeroasele aplicații în care sunt utilizate releele de putere.

O abordare interesantă din punct de vedere al consumului energetic o reprezintă tehnologia releelor de putere polarizate de la Panasonic Industry. În figura alăturată se poate observa și înțelege rapid structura unui releu de putere polarizat.

Avantajul esențial al releelor de putere polarizate în comparație cu omologii lor nepolarizați este puterea mai mică necesară pe bobină, rezultată din existența unui magnet permanent. Câmpul său magnetic se suprapune cu câmpul bobinei. Acest magnet permanent preia o parte din forța magnetică care trebuie generată pe partea de antrenare.

Acum, când ne uităm la designul unei plăci de circuite tipice dintr-o mașină de spălat, să spunem, convențională, potențialul de economisire a energiei și, prin urmare, a costurilor cu electricitatea devine evident: pe aceste tipuri de plăci de circuite pot fi găsite între cinci și maximum unsprezece relee. Acestea sunt în mare parte tipuri nepolarizate cu pierderi de putere inevitabile din cauza bobinelor lor.

Mai exact, fiecare dintre aceste relee consumă, de obicei, cel puțin 360mW, ceea ce înseamnă o pierdere de putere de până la 4W sau mai mult pentru 11 relee. Acest lucru poate să nu pară prea mult pentru o singură mașină de spălat – dar luând în considerare piețe întregi cu milioane și milioane de gospodării, în care operează acele dispozitive, zilnic, imaginea este una foarte diferită.

Mai mult, releele de putere polarizate disipă cu greu putere, mai ales dacă sunt bistabile. Aceasta înseamnă că răcirea suplimentară devine redundantă, ceea ce, la rândul său, economisește resurse valoroase și spațiu de instalare. Iată, așadar, un avantaj fundamental în lumina produselor și aplicațiilor din ce în ce mai mici și tot mai puternice.

Cu toate acestea, cum se compară releele de putere polarizate din punct de vedere al costului, atunci când se dorește un tablou complet, de la costurile unitare la potențialele economii?

Luând, ca bază de calcul, nivelul mediu de preț al energiei electrice de uz casnic privat din 2021 – și o perioadă de utilizare de douăsprezece ore pe zi: în comparație cu un releu nepolarizat, un releu polarizat bistabil obține un cashback, adică compensează o parte din costurile unitare în mai puțin de doi ani!

Având în vedere toate acestea, este perfect logic ca OEM-urile să folosească și să promoveze aceste componente eficiente din punct de vedere energetic, chiar dacă releele nepolarizate pot părea mai rentabile la prima vedere.

Chiar și atunci când presupunem prețuri la electricitate de nivel industrial, utilizarea releelor de putere polarizate de la Panasonic Industry este profitabilă: la un cost de energie industrială de 10 cenți per kWh, utilizarea releelor de putere polarizate de la Panasonic este acoperită după 7,2 ani – rămânând încă mulți ani, pentru că așteptările privind durata medie de viață utilă pentru utilajele și echipamentele actuale este de la 15 până la 25 de ani.

Potențialul de economisire cumulat datorat releelor de putere polarizate este enorm. Tehnologia este gata – rămânând de identificat zonele unde importanța utilizării lor este cea mai mare.

Portofoliul de relee de putere polarizate de la Panasonic – în prezent, Panasonic Industry Europe oferă relee polarizate pentru un set larg de aplicații în domeniul rezidențial, al clădirilor, automatizărilor industriale sau orașelor inteligente. Pe lângă faptul că sunt mai rezistente la șocuri și vibrații decât omoloagele lor nepolarizate, principalul avantaj al releelor polarizate este eficiența lor. În esență: magnetul permanent din corpul releului reduce energia necesară pentru acționarea arcului de contact, iar în releele de blocare bistabile nu consumă energie în starea comutată. Acest lucru are ca rezultat o operare foarte eficientă, fără auto-încălzire cauzată de pierderea de putere în bobină. Suplimentar, seria DE, reprezintă cel mai mic releu de putere polarizat de 16A de pe piață.

Exemplu
Releu de putere Panasonic cu montare pe PCB, 12Vdc, curent de comutație 5A, SPDT

Aceste relee de putere miniaturale cu montare pe PCB au o capabilități de contact și de comutare ridicate și o sensibilitate superioară. Construcția etanșă permite spălarea automată. Aplicațiile tipice includ dispozitive electronice de birou și industriale, instrumente de măsură, controlere de temperatură și PLC-uri.

Nr. stoc RS: 815-5142 – Producător: Panasonic – Cod de producător: DSP1-L2-DC12V-F

Caracteristici tehnice:

Releele de putere sunt disponibile într-o varietate de configurații, inclusiv versiuni unipolare, bipolare și tripolare. Ele pot include, de asemenea, contacte auxiliare, care pot fi folosite pentru a monitoriza starea releului sau pentru a controla alte dispozitive din circuit. În plus, releele de putere pot avea caracteristici precum întârzieri sau suprimare a supratensiunii pentru a oferi protecție și control suplimentar. Pentru oferta completă de relee de putere de la Aurocon COMPEC vă rugăm să accesați https://ro.rsdelivers.com/

Sursă: https://www.rs-online.com/designspark/low-consumption-no-consumption-energy-efficiency-through-polarized-power-relays

Autor: Bogdan Grămescu
Aurocon Compec – https://www.compec.ro