Solid-state röleler mekanik parçalara sahip değildir. Bu nedenle birkaç milyon açma-kapama yapabilmektedir. Söz konusu cihazlarda, oluşabilecek gürültü elimine edilebilmektedir. Bu ise panolarda birçok rölenin beraber kullanılabilmesi imkanı sunmaktadır. Hem AC hem de DC gerilim ile kontrol edilebilen ve mekanik rölelere oranla daha az enerji ile çalışabilen solid-state röleler, PLC ile kolayca kontrol edilebilmektedir. Solid-state rölelerin başka bir avantajı da cevap sürelerinin çok hızlı olmasıdır, uzun ömürlüdürler ve boyutları mekanik rölelere nazaran daha küçüktür.
1. Solid-State Röleler
Solid-state röle (kısaca SSR), tamamen elektronik parçalardan oluşmuş bir anahtarlama düzenidir. Klasik röle ve kontaktörlerle aynı işi yapar. Kontaktör ve röle gibi kumanda ve güç devrelerine sahiptir.
Solid-state rölede kumanda devresi transistör benzeri elemanın enerjilendirilmesi ile güç devresi transistör benzeri elemanı açık konumdan kapalı konuma gelerek sisteme enerji verir. Bu bir elektrik rölesi veya kontaktörün bobinine enerji verilerek, kontaklarının açık konumdan kapalı konuma gelmesi gibi bir uygulamadır. Kontaktör ve röleden farkı, bobin ve kontaklar yerine elektronik devre elemanlarının olmasıdır.
Kullanımda, röle ve kontaktörden en temel karakteristik farklarından biri güç devresinin solid-state rölenin tipine göre yalnızca belirli alt ve üst limit gerilim aralıklarında çalışabilmesidir. Bir kontaktörün açılıp kapanması, basitçe iki iletken metalin birbirine teması veya temas etmemesidir ve bu mekanik bir olaydır. Bu mekanik hareket, kontaklar üzerindeki gerilimden bağımsızdır. Örneğin bir kontaktör güç devresi 0,1 voltla 600 volt arasında DC veya AC herhangi bir sistemi anahtarlıyor olabilir. Solid-state rölelerde böylesine geniş bir güç devresi voltaj çalışma aralığından, AC veya DC herhangi bir gerilimi anahtarlamadan bahsetmek mümkün değildir. Solid-state röleler, güç devrelerinde kullanılan transistör benzeri elemanların karakterine göre değişen güç devresi çalışma aralığına sahiptir.
Transistör benzeri elektronik elemanlar, çalışma için asgari bir gerilim değerine ihtiyaç duydukları için mekanik kontaklarda olduğu gibi 0.1, 1, 2 volt gibi bir gerilimi solid-state rölelerle anahtarlamak mümkün değildir. Bir solid-state röleyle minimum voltaj değerinin altında bir güç devresi anahtarlanmak istenirse solid-state röle zarar görmez. Yalnızca anahtarlama yapmaz. Ancak solid-state rölenin üst gerilim değerinden daha yüksek voltaj değerinde anahtarlama yapılmak istenirse transistör benzeri elektronik anahtarlama elemanının dayanabileceği üst gerilim değeri aşılmış olur, cihaz hasar görür ve kullanılmaz hale gelir. Böyle bir hasarın oluşması için 1 saniyenin altında, çok kısa süreler uygulanacak bir gerilim aşımı yeterlidir.
2. Elektromekanik Röleler
Elektromekanik rölelerde kontrol devresi enerjilendiğinde bobin bir magnetik alan oluşturarak hareketli kontağın sabit kontağa temas etmesini sağlar. Böylece kumanda edilen devre kapalı duruma gelir. Elektromekanik röleler, kumanda devresi ve güç (yük) devresi olmak üzere iki devreye sahiptir. Kontakların açılıp kapanmasını sağlayan elektromagnetik bobine rölenin kumanda devresi denir. Bobin sayesinde açılıp kapanabilen kontaklara ise güç devresi denmektedir. Elektromekanik röleler bir veya birden fazla, normalde açık veya normalde kapalı kontaklara sahip olabilir.
Elektromekanik rölelerin kumanda devresi çok küçük bir akım ile çalışır, güç devreleri ise büyük akımlarda anahtarlama yapabilir.
3. Röle Modülleri ile Solid-State Rölelerin Karşılaştırılması
3.1. Elektromekanik Rölelerin Avantajları
- AC-DC işletim için uygundur.
- Yük devresinde sızıntı akımı yoktur (Yarı iletken elemanlarla %100 izolasyon sağlamak mümkün değildir).
- Yük devresinde düşük kalıntı gerilimi vardır.
- Yük devresinde güç kaybı yoktur.
- Tek bir kontrol sinyaliyle birden çok kontak konum değiştirebilir.
- Kontrol devresi transientlere duyarlı değildir.
3.2. Solid-State Rölelerin Avantajları
- Uzun işletme ömrü ve güvenilirlik sunar.
- Küçük boyutları nedeniyle yer tasarrufu, PCB ve raya montaj imkanı sağlar.
- Düşük kontrol gücüyle çalışır.
- Hızlı anahtarlama özelliği ile yüksek frakanslarda kullanılabilir.
- Sarsılmalara ve vibrasyona karşı duyarlı değildir.
4. Röle Modülü Elde Etme
Röle modüllerini endüstriyel uygulamalarda kullanabilmek için iki alternatif yöntem mevcuttur. Bunlar: PCB üzerine montaj veya özel tasarlanmış takılabilir röle altlıkları ile olabilir. Bu, rölelerin kullanılacakları uygulamalara göre çeşitlilik göstermektedir. Örneğin; yüksek vibrasyonlu ortamlarda lehimli röleler tercih edilmektedir.
5. Röle Kontakları için Koruyucu Devreler
İndüktif veya kapasitif yükler anahtarlanırken oluşan ark, rölelerin işletim ömrünü kısaltmaktadır. Kullanılan koruyucu devreler ile kontak aşınmaları önlenebilmektedir.
6. Opto Modüller
Elektronik komponentler olan opto modüller, iki devre arasındaki fiziksel bağlantıyı önlemek (izole etmek) amacıyla kullanılan elektronik devre elemanlarıdır. Opto modüllerin kullanılmasındaki amaç, devrenin korunmasıdır.
Opto modüller, LED (transmitter) ve foto transistörlerden oluşur. Elektrik iletimi LED’ten gönderilen kızılötesi ışınların foto transistörü iletime geçirmesiyle sağlanır.
Opto modüller 2 farklı dizaynla birbirlerinden ayrılmışlardır.
Karşı karşıya dizayn: LED ve transistör karşılıklı olarak monte edilmiştir.
Eş düzlemli dizayn: LED ve transistör eş düzlemdedir. Bu nedenle LED’ten gönderilen ışınlar yansıma yoluyla transistöre transfer edilir.
Opto modüller, düşük akım ve gerilimleri anahtarlamak için kullanılır. Yüksek akımları anahtarlayabilmek için farklı performansta foto transistöre ihtiyaç vardır. Bu amaçla opto modüller, anahtarlama amplifikatörü ile donatılarak solid-state röleler (SSR) oluşturulmuştur.
Opto modüller ve solid-state röleler genel olarak aşağıdaki uygulamalarda kullanılmaktadır.
İzolasyon: Birçok uygulamada kontrol devresinin elektriksel olarak yük devresinden izole edilmesi gerekmektedir. Bu, öncelikli olarak kontrol seviyesini saha etkilerinden korumayı amaçlamaktadır. Bunun için tüm opto modüllerde ve solid-state rölelerde 2.5 kV test gerilimi altında ve minimum 3 mm açıklıkta izolasyon testi yapılmaktadır.
Sinyal düzenleme: Opto modüller bazen sinyal düzenleme amacıyla da kullanılabilmektedir. Böylece kontrol ve yük devrelerindeki farklı potansiyellerdeki sinyaller eşitlenebilmektedir.
Anahtarlama amplifikasyonu: Anahtarlama sırasında ilk olarak LED, foto transistörü aktif hale getirir. Foto transistörün aktif olmasından sonra ikinci yarı iletken eleman (transistör, tristör) aktif hale gelir.
6.1. Kontrol Devresi
Çoğu endüstriyel uygulamada kontrol devresi, direkt olarak opto-modüle bağlanmaz, genel olarak voltaj gerülasyonuna yani seri bağlı direnç ve kondansatöre ihtiyaç duyulur. Konfigürasyonda, koruma devresi (varistör, diyot) ile oluşabilecek transiyentlere karşı kontrol devresi korunmaktadır.
6.1.1. DC İnput
Girişte kullanılan diyot, ters polariteye karşı yani olası bir yanlış kablolama durumunda opto-modülün zarar görmemesi için kullanılmıştır.
6.1.2. AC/DC İnput
Doğrultucu ve kapasitör AC kontrol gerilimine bağlıdır. DC akım için ters polarite koruması gerekli değildir. Kullanılan kapasitör nedeniyle anahtarlama frekansı, şebeke frekansının yarısından daha azdır. Bu ise şebeke frekansındaki değişimlerden kontrol devresinin etkilenmemesini sağlar. Bu tip rölelere isteğe AC veya DC giriş avantaj sağlarken kullanılan kapasitör, DC kontrol sinyalinin anahtarlama frekansını kısıtlamaktadır.
6.1.3. AC İnput
Gerilimi regüle etmek için resistör serileri yerine kapasitörler kullanmak mümkündür. Resistörlerin aksine, kapasitörlerde güç kaybı olmayacak ve ısı açığa çıkmayacaktır.
6.2.Yük Devresi
Çalışma geriliminin nominal değeri, opto-modülün veya solid-state rölenin anahtarlama gerilimine göre belirlenmiştir. Böylece çalışma gerilimi nominal değerlerde kalmaktadır. Aynı uygulama sürekli akım için de geçerlidir. Akım değeri sınır değerini aştığında röle üzerinde yıpranmalara ve opto-modülün yarı iletken elemanlarında tahribata neden olmaktadır. Akım ile ortam sıcaklığı arasında tüm solid-state röle ve opto-modüllerde geçerli olmak üzere ters bir ilişki vardır. Diyot veya varistör gibi koruyucu cihazlarla yüksek gerilimden koruma sağlanmaktadır. Ani akım yükselmelerinin zararlarını önlemek için bazı modüller güç yükselticiler ile donatılmıştır. Bu ise kısa periyotlarda akımı belirlenen maksimum değerinden daha yüksek değerlere taşımaktadır.
6.2.1.DC Output
İki kablolu DC output bağlantısı yapılırken önceden belirlenmiş polariteye dikkat edilmelidir. Üç kablolu DC output bağlantısı yapılırken interface ve koruyucu devreyi kısa devreye karşı korumak için ek çıkış bağlantısı yapılmıştır.
6.2.2. AC Output
Yük tarafına bağlanan yarı iletken eleman (tristör, triyak) ile AC voltajı anahtarlanabilmektedir.
7. Solid-State Rölelerin Uygulama Alanları
- Plastik enjeksiyon makineleri,
- Ekstruder ve bodinozlar,
- PVC şişirme makineleri,
- PVC kişe kaynak makineleri,
- Naylon torba ve poşet makineleri,
- Shirink ambalaj makineleri,
- Paketleme makineleri,
- Baskı makineleri,
- Endüstriyel ısıtma-kurutma fırınları uygulamaları,
- Sıcak yolluk kontrol cihazları,
- Motor kontrol uygulamaları,
- Hızlı kompanzasyon, kondansatör yük uygulamaları.
8. Solid-State Rölelerin Sınıflandırılması
Solid-state röleler, kontrol gerilimi, yük gerilimi, yükün yapısı ve büyüklüğüne göre sınıflandırılır. SSR uygulaması yapılırken bu parametreler değerlendirilerek uygun SSR seçilir.
Kontrol gerilimi: Doğru akım gerilimli devrelerde çoğunlukla 4-32V DC kullanılır. Alternatif akım (AC) gerilimli devrelerde çoğunlukla 90-280V AC veya 180-280V AC kullanılır.
Yük gerilimi: Endüstride çoğunlukla alternatif akım uygulamaları kullanılır. Bazı özel doğru akım uygulamaları da vardır.
Yükün yapısı: Yükün yapısı ve büyüklüğü de SSR seçiminde önemli faktörlerden biridir. Omik-rezistif yüklerde (ısıtıcılar,lambalar…) sıfır gerilim anahtarlamalı (zero cross) SSR’ler kullanılır. Sıfır gerilim anahtarlamalı SSR’de yük anahtarlaması şebeke gerilimi sinüsoidal gerilim sıfır geçişlerinde yapılır. Gerilim yüke kademeli olarak verilir. Bu şekilde pik akımlar önlenmiş olacağından yük ömrü arttırılmış olur. Kapasitif yüklerde de sıfır gerilim anahtarlamlı SSR’ler kullanılır. Endüktif yüklerde (motorlar) ani gerilim anahtarlamalı SSR (non-zero cross) kullanılır. Bu yapıda yük anahtarlaması şebeke şebeke gerilim değerlerine bakılmaksızın anlık yapılır.
9. Solid-State Röle Seçimi
Solid-state rölelerin akım oranları 1 A-150 A arasında değişmektedir. Nominal AC gerilim değerleri ise 120 Vrms, 240 Vrms, 380 Vrms, 480 Vrms ve 600 Vrms’dır. Böylece solid-state röleler geniş bir işletme gerilim aralığında kullanılabilmektedir. Ayrıca Solid –state röleler hem AC hem de DC gerilim ile kontrol edilebilmektedir. DC kontrol gerilimi aralığı 3-32 V aralığında değişmektedir. AC kontrol gerilim aralığı ise 18-36 Vrms, 90-140 Vrms ve 90-280 Vrms aralığında değişmektedir.
Solid-state röle seçimi yapılırken:
- Rölenin kullanılacağı ortam,
- Kontrol gerilimi,
- İşletme gerilimi,
- Kontak şekilleri,
- Nomainal akım değerleri
dikkat edilmelidir.
Solid-State Rölelerin Bağlantısı
Solid-state rölelerin bağlantısı, farklı şekillerde yapılabilmektedir.
Aşağıda DC kontrollü rölenin işletme tarafının farklı bağlantı şekilleri için örnekleri verilmiştir.
10. Niçin Solid-State Kullanılmalı
Solid-state röleler mekanik parçalara sahip değildir. Bu sayede birkaç milyon açma-kapama yapabilmekte ve oluşabilecek gürültü elimine edilebilmektedir. Bu ise panolarda birçok rölenin beraber kullanılabilmesi imkanı sunmaktadır.
Solid-state röleler hem AC hem de DC gerilim ile kontrol edilebilmektedir ve mekanik rölelere oranla daha az enerji ile çalışabilmektedir ve PLC ile kolayca kontrol edilebilmektedir.
Solid-state rölelerin başka bir avantajı da cevap sürelerinin çok hızlı olmasıdır, uzun ömürlüdürler ve boyutları mekanik rölelere nazaran daha küçüktür.
Solid State Röle Uygulama Alanları Nelerdir?
- Baskı Makineleri
- Paketleme Makineleri
- Ekstruder ve Bodinozlar
- PVC Şişirme Makineleri
- PVC Kişe Kaynak Makineleri
- Naylon Torba ve Poşet Makineleri
- Shirink Ambalaj Makineleri
- Plastik Enjeksiyon Makineleri
- Endüstriyel Isıtma-Kurutma Fırınları-Uygulamaları
- Sıcak Yolluk Kontrol Cihazları
- Motor Kontrol Uygulamaları….
Bağlantı Şekilleri
