S rostoucí četností spínání se tradiční elektromechanické spínací přístroje, jako jsou relé nebo stykače, dostávají na hranice životnosti. Vysoká četnost spínání zkracuje intervaly mezi jejich výměnou, což stojí čas a zvyšuje provozní náklady. V takových aplikacích mohou být vhodnějším řešením polovodičová relé nebo polovodičové stykače, které dosahují mnohem delší životnosti v náročných provozních podmínkách průmyslových odvětví nebo v provozech s požadavkem minimální hlukové zátěže. Řada spínačů Sirius 3RF2 společnosti Siemens má právě takové vlastnosti. Polovodičové spínače Sirius 3RF2 se osvědčily v řadě průmyslových aplikací, v nichž spínají především odporové zátěže, regulují proud při elektrickém ohřívání nebo spínají elektrické ventily a motory na dopravnících. Spínání je bezhlučné, proto je možné jejich využití v kancelářských budovách a nemocnicích. Konstrukční provedení Rozlišujeme buď polovodičové stykače, tj. sestavu polovodičových spínačů připevněnou na chladič, jenž je opatřen izolační patkou a dovoluje upevnění na montážní lištu v rozvaděči nebo šrouby na panel, nebo polovodičová relé. Ta nemají vlastní chladič, a jsou proto vhodná k umístění na stávající chladič pomocí dvou šroubů. V závislosti na parametrech chladiče můžeme pro odporové zátěže dosáhnout zatížitelnosti až 88 A. Izolační patka splňuje požadavky na použití v obvodech PELV a SELV. Polovodičová relé a stykače Sirius mohou být provedeny jako jednofázové přístroje široké 22,5 mm (3RF21, 3RF23) a 45 mm (pouze jako relé 3RF20) nebo třífázové přístroje široké 45 mm (3RF22, 3RF24). Přívod napájení zátěže je shora, vývod k zátěži zdola a připojení řídicího obvodu na čelní straně konektorem. Výjimkou je jednofázové relé 45 mm, které má vývod k zátěži na horní straně, a tím usnadňuje výměnu stávajících relé podobné konstrukce. Trojfázová relé se spínáním ve třech fázích se uplatní v aplikacích, v nichž musí být spínány všechny tři fáze, nebo v zapojení do hvězdy s vyvedeným vodičem N (střední vodič). Provedení trojfázových relé se spínáním ve dvou fázích (třetí je průchozí) může být výhodné v zapojení bez vodiče N. Elektromagnetická komptabilita Polovodičové spínače Sirius 3RF2 mnohou být bez dalších opatření provozovány v průmyslových sítích, protože splňují požadavky třídy A. Použití ve veřejných sítích předpokládá omezení rušivých napětí vázaných na vedení vhodnými filtry. Výjimku tvoří polovodičové stykače v provedení Low Noise (3RF23), jejichž mezní hodnota rušivých napětí na vedení splňuje požadavky třídy B do hodnoty jmenovitého proudu 16 A ve smyslu ČSN EN 60947-4-3. Připojení U polovodičových spínačů Sirius 3RF2 má uživatel na výběr ze tří způsobů připojení. Standardní šroubové připojení s otevřenými svorkami opatřenými šroubem s kombinovanou drážkou pro plochý nebo křížový šroubovák. Do jedné svorky lze připojit dva vodiče do průřezu 6 mm2, tedy zátěž do 50 A. Pružinové svorky, které neobsahují šroubový spoj, velmi dobře odolávají vibracím. Každá připojovací svorka obsahuje dvě samostatné pružinové svorky, k nimž se dají připojit dva vodiče do průřezu 2,5 mm2, tedy zátěž do 20 A. Svorka pro připojení vodiče do průřezu 25 mm2 zakončeného kabelovým okem je osazena šroubem M5. Zajistí spolehlivé připojení a částečně také odvod tepla z přístroje při zatížení do cca 90 A. Ochranu proti dotyku je v tomto případě nutné zajistit krytkou přívodu. Spínání Aby proces spínání probíhal za optimálních podmínek, používá se pro ohmické zátěže spínání v nule, tj. polovodičový spínač sepne při průchodu napětí nulou. U indukčních zátěží se naopak osvědčilo spínání okamžité, kdy polovodičový spínač sepne v libovolném bodě sinusového průběhu napětí. Tím se sníží úroveň rušení na minimální hodnotu. Polovodičové spínače Sirius 3RF2 jsou osazeny dvěma tyristory, které jsou zapojeny antiparalelně v každé řízené fázi, čímž je zajištěno sepnutí zátěže během kladné i záporné půlvlny. Protože uvedení tyristoru do nevodivého stavu, a tím vypnutí zátěže, nastane automaticky, když se mění polarita střídavého napětí po odpojení řídicího signálu, jsou vhodné pro spínání střídavých zátěží v sítích do 600 V. Výkonnost polovodičového spínače je dána především parametry zvolených polovodičů a jejich vnitřním uspořádáním v přístroji. Sirius 3RF2 využívá zásadně tyristory, k jejichž nejdůležitějším parametrům patří hodnota závěrného napětí a mezní zatěžovací integrál I2t. Závěrné napětí Tyristory s vyšším závěrným (blokovacím) napětím mohou být použity v sítích s vyšší úrovní rušivých napětí. Polovodičové spínače určené k provozu v síti 230 V jsou proto osazeny tyristory se závěrným napětím 800 V. V sítích s vyšším napětím se využívají tyristory se závěrným napětím 1 200 V a 1 600 V. Integrál I2t Hodnota integrálu I2t se kromě jiného používá k dimenzování jištění před zkratem. Pouze robustní výkonový polovodič s co možná nejvyšší hodnotou I2t se nechá v dané aplikaci vhodně odjistit proti zničení účinky zkratového proudu. Důležitá je rovněž optimální volba hodnoty I2t vzhledem k hodnotě jmenovitého proudu tyristoru. Parametry polovodičových spínačů 3RF2 byly ověřovány a potvrzeny rozsáhlými testy. Přestože zvolené výkonové tyristory jsou robustní, jsou jako všechny polovodičové součástky citlivé na zkratové proudy. Je proto bezpodmínečně nutné učinit vhodná opatření, aby nenastalo jejich zničení. Doporučuje se použití rychlých pojistek SITOR, které dovolují využít maximální zatížitelnost tyristoru a poskytují zároveň optimální ochranu před zkratem. Výběr vhodné pojistky se provádí s ohledem na hodnotu I2t tyristorů, které jsou použity v polovodičových spínačích. Jednofázová provedení polovodičových stykačů a relé lze přizpůsobit požadavkům aplikace pomocí modulů doplňkových funkcí. Modul se nasune na čelní panel, tím je mechanicky upevněn a elektricky propojen s polovodičovým spínačem. O jednotlivých modulech doplňkových funkcí se zmíníme v následujících odstavcích. Konvertor Převádí vstupní spojitý řídicí signál 0 až 10 V, například z regulátoru teploty, na periodický digitální signál s pulzní šířkovou modulací (PWM). Mění se tedy doba zapnutí a doba vypnutí polovodičového spínače, přičemž doba periody je 1 s. Snížení výkonu zátěže například na 30 % dosáhneme, bude-li doba zapnutí 0,3 s a doba vypnutí 0,7 s, čemuž odpovídá hodnota řídicího signálu 3 V. Přeměna spojitého signálu 0 až 10 V na PWM signál je lineární v rozsahu 0,1 V až 9,9 V. Je- -li hodnota spojitého signálu menší než 0,1 V, je polovodičový spínač vypnut, je-li větší než 9,9 V, je trvale zapnut a výkon zátěže je maximální (100 %). Monitorování zátěže Modul monitoruje proud zátěží a tím rozpozná poruchu zátěže, která se projeví poklesem proudu. Signalizuje výpadek jedné sekce topné zátěže z celkového počtu šesti, popřípadě dvanácti sekcí, proražený tyristor polovodičového spínače nebo přerušený obvod zátěže. Porucha je signalizována lokálně svítivými diodami a dálkově reléovým výstupem, například do PLC. Okamžitá hodnota proudu je měřena a průběžně porovnávána s referenční hodnotou, která se nastaví metodou samoučení při uvádění zařízení do provozu. Nastavení referenční hodnoty se provede zpravidla ručně tlačítkem na modulu. Je-li nutné opakované nastavování referenční hodnoty v závislosti na měnící se zátěži, zvolí uživatel provedení se vstupem pro dálkové spuštění samoučení výstupem z PLC. Výpadek zátěže je spolehlivě vyhodnocen, poklesne- li proud zátěží alespoň o jednu šestinu, popřípadě o jednu dvanáctinu naučené referenční hodnoty. V dolní části modulu je vestavěn měřicí transformátor proudu, kterým se provlékne vývod k zátěži. Kromě proudu je měřeno také napětí na zátěži. Tímto způsobem se kompenzují změny velikosti proudu způsobené kolísáním napětí v napájecí síti. Regulátor výkonu Slouží k autonomní regulaci výkonu topných zátěží, které jsou tvořeny teplotně závislými odporovými články. Kompenzuje také vlivy stárnutí odporových článků, jež se projevují změnou jejich odporu, nebo nepřímo reguluje teplotu. Modul se používá jako příslušenství jednofázových polovodičových spínačů s okamžitým spínáním. Bude-li provozován pouze v režimu řízení výkonu celými půlvlnami, lze jej využít také pro jednofázové polovodičové spínače se spínáním v nule. Modul proporcionálně reguluje výkon zátěže v závislosti na žádané hodnotě, která se zadává ručně vestavěným potenciometrem na poměrové stupnici (v %) nebo dálkově externím spojitým signálem 0 až 10 V. Nežádoucí změny výkonu zátěže způsobené kolísáním síťového napětí nebo změnou odporu zátěže (stárnutím, změnou teploty) jsou přitom rovněž zregulovány. Je-li zvolena regulace na principu řízení celých půlvln, je řízen počet celých půlvln, které polovodičový spínač propustí do zátěže během jedné periody, tj. během časového intervalu 1 s. Je-li žádaná hodnota výkonu například 70 %, musí být doba zapnutí polovodičového spínače 0,7 s a doba vypnutí 0,3 s, čemuž odpovídá hodnota spojitého řídicího signálu 7 V. Při ručním zadávání žádané hodnoty nastavíme potenciometr na hodnotu 70 %, při dálkovém řízení žádané hodnoty musí mít řídicí signál hodnotu 7 V. Výhodou tohoto způsobu řízení je nízké emitované rušení. Uživatel může provozovat polovodičový spínač také na principu fázového řízení. V tomto případě se mění úhel otevření tyristorů podle žádané hodnoty výkonu zátěže, do níž je propouštěna vždy jen taková část jedné půlvlny, aby výkon odevzdaný zátěží odpovídal žádané hodnotě. Aby byly dodrženy mezní hodnoty rušivých napětí šířících se po vedení, je nutné vložit do obvodu zátěže tlumivku minimálně 200 μH. Proudovou špičku při zapnutí zátěže, například žárovky, je možné omezit fázovým řízením pomocí nastavitelné doby trvání napěťové rampy. Během této doby pracuje polovodičový spínač v režimu fázového řízení. Uplyne-li nastavená doba, je žádaná efektivní hodnota proudu regulována řízením celých půlvln. Regulátor je vybaven měřením proudu a napětí, monitoruje tedy zároveň výpadek zátěže nebo přerušení obvodu zátěže, proražení tyristoru anebo přerušení napájení v obvodu zátěže. Uvedení do provozu se provádí stisknutím tlačítka „samoučení“. Polovodičový spínač tím sepne a modul regulátoru změří hodnoty proudu i napětí a uloží je do paměti. K těmto hodnotám (100 %) se potom vztahují nastavované žádané hodnoty. Proces samoučení a jeho ukončení signalizují svítivé diody na modulu regulátoru. Tlačítko samoučení lze rovněž využít ke krátkodobému zapnutí zátěže pro zkušební účely. Minimální zatížitelnost Při dimenzování polovodičových spínačů Sirius 3RF2 je nutné vzít v úvahu minimální hodnotu spínaného proudu, která je zpravidla 0,5 A. Tato hodnota je fyzikálně podmíněna vlastnostmi polovodičových přechodů tyristoru. Pokud polovodičová vrstva není dostatečně „zaplavena“ nosiči elektrického náboje, krátce po zapnutí přestane proud tyristorem opět protékat. Polovodičové spínací přístroje nezajistí galvanické oddělení, protože ve stavu vypnuto protéká tyristory malý zbytkový proud v každé řízené fázi. Jedná se opět o fyzikální vlastnost polovodičových přechodů tyristoru. Aplikace Polovodičové spínače Sirius 3RF2 s moduly doplňkových funkcí se osvědčily v mnohých aplikacích. Nejčastěji se uplatňují v průmyslu zpracování plastů například na vstřikovacích lisech, v potravinářském průmyslu na balicích strojích, při pájení desek plošných spojů na pájecích vlnách, v elektrických kotlích pro vytápění budov, v průmyslových sušičkách a pecích nebo při řízení teploty galvanizačních lázní. Ing. Zdeněk Bekr, www.siemens.cz/sirius