¿Cuáles son los parámetros de diseño comunes que los ingenieros deben tener en cuenta al seleccionar relés de estado sólido?

Los problemas que plantean los relés de estado sólido (SSR) en la mayoría de las fábricas suelen deberse a una elección inadecuada de los parámetros de diseño. Los cuatro parámetros de diseño importantes que hay que tener en cuenta al elegir un SSR son la gestión térmica, la selección del tipo de conmutación, la interpretación de la intensidad nominal y la protección contra sobretensiones. Este artículo tratará en profundidad estos cuatro parámetros de diseño y explicará cómo los productos SSR de Littelfuse y sus variantes ayudan a conseguirlos de forma óptima. En última instancia, el artículo demuestra que el SSR de Littelfuse exhibe una resistencia superior a través de las pruebas.

Tipos de conmutación SSR para diferentes aplicaciones de carga

En ocasiones, los sistemas de calefacción pueden crear interferencias electromagnéticas inesperadas, lo que provoca que no se superen las pruebas de conformidad. Las aplicaciones de control de motores a veces tienen tiempos de respuesta lentos. Ambos problemas suelen tener la misma causa. Los ingenieros eligieron el tipo de conmutación SSR equivocado para su aplicación.

Diferentes tipos de cargas eléctricas necesitan diferentes enfoques de conmutación. Las cargas resistivas, como los elementos calefactores, funcionan mejor cuando la corriente eléctrica empieza a fluir suavemente desde cero. Este enfoque evita los transitorios de tensión y el ruido electromagnético.

Las cargas inductivas, como los motores, son diferentes. Los motores requieren una respuesta de conmutación rápida, independientemente de la posición de la forma de onda de CA. Esto se debe a la relación de fase inherente entre la corriente y la tensión en los motores, una característica de los circuitos inductivos.

Las características eléctricas de estas cargas diferentes crean requisitos de conmutación completamente distintos. Utilizar un tipo de conmutación incorrecto puede causar los problemas que los ingenieros encuentran en sus sistemas. La figura 1 ilustra el fenómeno de encendido de cruce por cero y encendido aleatorio, que son adecuados para las cargas resistivas e inductivas, respectivamente.

Figura 1: Formas de onda de tensión que muestran el tiempo de conducción (áreas verdes) para distintos modos de conmutación. La conmutación por paso por cero minimiza los transitorios, mientras que la conmutación instantánea proporciona una respuesta inmediata para aplicaciones en las que el tiempo es un factor crítico. (Fuente de la imagen: Littelfuse)

Este desajuste crea múltiples problemas. Los transitorios de tensión dañan los componentes electrónicos sensibles, y las interferencias electromagnéticas exigen costosos rediseños por problemas de conformidad. La vida útil de los equipos se acorta considerablemente, lo que hace que el rendimiento del sistema sea impredecible.

La mayoría de los fabricantes de SSR no ayudan a resolver este problema. Ofrecen opciones genéricas de conmutación con muy poca orientación para su aplicación. Esto significa que los ingenieros tienen que resolver por su cuenta la compatibilidad de cargas complejas. Acaban utilizando métodos de ensayo y error para encontrar lo que funciona. Esto retrasa los proyectos y aumenta los costos.

Littelfuse ofrece tecnología de conmutación adaptada a la aplicación y diseñada específicamente para las características de carga utilizando semiconductores IXYS y tecnología Direct Bonding. Los modelos de conmutación por paso por cero como SRP1-CBAZH-050NW-N y SRP1-CRAZH-050TC-N eliminan los transitorios eléctricos conmutando con precisión en los pasos por cero de la tensión de CA. Estos modelos son idóneos para controlar sistemas de calefacción de hasta 24 kW a 600 VCA con interferencias electromagnéticas mínimas.

Figura 2: De izquierda a derecha, los SSR SRP1-CR, SRP1-CB y SRP1-CB...F de Littelfuse. (Fuente de la imagen: Littelfuse)

Para aplicaciones de motor e inductivas que requieren una respuesta inmediata, los modelos de conmutación instantánea, incluidos SRP1-CBARH-050NW-N y SRP1-CRARH-050TC-N, se activan inmediatamente tras la recepción de la señal de control. Manejan características de arranque de motor difíciles para la automatización industrial de alta potencia. Este enfoque de ingeniería específico para cada aplicación garantiza un rendimiento fiable desde la instalación inicial. La figura 2 muestra las diferentes variantes de los SSR de Littelfuse.

Directrices actuales de clasificación y márgenes de seguridad

¿Por qué los ingenieros suelen infradimensionar los SSR a pesar de seguir las hojas de datos del fabricante? Existe una desconexión entre las especificaciones de laboratorio y las condiciones de funcionamiento en el mundo real.

Las clasificaciones actuales parecen sencillas a primera vista. Pero entonces, los ingenieros descubren problemas. Los elementos calefactores consumen 1.4 veces su corriente nominal durante los arranques en frío, y la temperatura ambiente puede superar la base nominal de +40 °C. Este escenario requiere una reducción de potencia sustancial. Además, un dimensionamiento inadecuado de los cables reduce aún más la capacidad de corriente. Estos factores crean un entorno de especificaciones complejo. Los componentes subdimensionados fallan prematuramente. Las unidades sobredimensionadas malgastan dinero y espacio en los paneles.

La mayoría de los proveedores de SSR agravan este problema proporcionando valores nominales de corriente básicos con un contexto de aplicación mínimo. Los ingenieros reciben las cifras de las hojas de datos sin comprender los supuestos de funcionamiento, los márgenes de seguridad o los factores de reducción de potencia en el mundo real. Este desafío obliga a recurrir a costosos métodos de ensayo y error, que retrasan los proyectos y a menudo provocan fallos en los componentes que podrían haberse evitado con una orientación adecuada desde el principio.

Figura 3: Directrices de diseño de los SSR de Littelfuse que muestran un factor de reducción de potencia de 20% para aplicaciones de calefacción. Los valores de potencia representan el vataje máximo seguro del calentador para cada clasificación de SSR a tensiones de CA estándar. (Fuente de la imagen: Littelfuse)

Littelfuse proporciona una guía detallada de los valores nominales de corriente (Figura 3) mediante especificaciones claras, lo que elimina las conjeturas.

• Los modelos de 10 A, como el SRP1-CRAZL-010TC-N, manejan con seguridad corrientes de calentador de 8 A, lo que permite aplicaciones que van de 960 W a 4.8 kW, a la vez que proporcionan protección integrada de supresor de transitorios de tensión (TVS) para entornos eléctricos.
• Las versiones de 25 A, como la SRP1-CBAZL-025NW-N, gestionan cargas de 20 A y admiten sistemas de 2.4 kW a 12.0 kW con conmutación cruzada cero para aplicaciones de calefacción.
• Las unidades de 50 A controlan aplicaciones de 40 A, alimentando equipos de 4.8 kW a 24.0 kW.

Cada especificación incluye factores de utilización conservadores de 75-80% y datos detallados de reducción de temperatura, que demuestran que la gestión inteligente del estrés térmico y eléctrico conduce a una mayor vida útil.

Protección contra picos de tensión y transitorios eléctricos

Los transitorios eléctricos se producen con frecuencia en entornos industriales. Estos casos incluyen sobretensiones por rayos a través de las líneas eléctricas y la generación de contrafuerza electromagnética durante las operaciones de conmutación del motor. Las perturbaciones de la red eléctrica también crean picos de tensión que superan los 1,200 V. Aunque cada evento dura sólo unos microsegundos, puede dañar los SSR y otros equipos conectados a ellos. Con el tiempo, el daño acumulado de muchos transitorios más pequeños puede romper las piezas y, en última instancia, detener la producción.

El enfoque convencional requiere dispositivos externos de protección contra sobretensiones, lo que supone un espacio adicional en el panel, un cableado complejo y una cuidadosa coordinación entre varios niveles de protección. Muchos proveedores de SSR ofrecen unidades básicas sin protección integrada, lo que obliga a los ingenieros a diseñar sistemas de supresión de sobretensiones por separado. Pero los protectores externos introducen puntos de fallo a través de conexiones adicionales y pueden no responder con suficiente rapidez debido a la inductancia parásita y a los retardos de respuesta.

Figura 4: Bloques funcionales internos que muestran el aislamiento del optoacoplador, el control de temporización del disparo (paso por cero o instantáneo) y la configuración de salida del tiristor antiparalelo para la conmutación bidireccional de CA. (Fuente de la imagen: Littelfuse)

Littelfuse proporciona protección integrada a través de la serie SRP1-CR, que incorpora diodos TVS de la serie SMBJ directamente dentro de la carcasa del SSR. La Figura 4 ilustra los bloques funcionales internos que muestran el aislamiento optoacoplador y el control de temporización de disparo que permiten este enfoque de protección integrada. Esta protección a nivel de componente responde en nanosegundos, bloqueando picos de tensión de entre 900 y 1200 V_PK antes de que se produzcan daños.

Modelos como el SRP1-CRAZH-050TC-N para sistemas de calefacción y el SRP1-CRARH-050TC-N para control de motores incorporan protección contra sobretensiones optimizada para sus aplicaciones específicas. Son ideales para entornos eléctricamente duros con variadores de frecuencia en los que los transitorios de contrafase son amenazas habituales.

El diseño integrado elimina los componentes externos a la vez que proporciona protección colocada exactamente donde se necesita en el circuito. Este enfoque demuestra una mayor fiabilidad en comparación con las alternativas sin protección, proporcionando una protección completa contra los transitorios eléctricos.

Soluciones de disipación térmica y control de la temperatura

Aunque la mayoría de los ingenieros se centran en las especificaciones eléctricas, el diseño térmico determina la vida útil real de los SSR. La generación de calor durante el funcionamiento parece manejable hasta que las temperaturas de las uniones superan los límites de seguridad. La degradación de los semiconductores comienza de forma silenciosa, lo que provoca un rendimiento irregular.

El desafío empieza por lo pequeño, donde la mayoría de las aplicaciones funcionan por encima de la base nominal estándar de +40 °C, lo que requiere una reducción de corriente que las especificaciones mencionan pero no destacan. Agregue inconsistencias en la interfaz térmica debidas a una aplicación de pasta desordenada, un tamaño inadecuado del disipador térmico y un flujo de aire ambiental deficiente. Lo que parece una simple tarea de gestión térmica se convierte en un complejo desafío de ingeniería con importantes implicaciones económicas.

Littelfuse ofrece una gestión térmica integrada a través de la serie SRP1, que incorpora todos los aspectos del control térmico en una solución completa. Las almohadillas térmicas preinstaladas eliminan las variables de instalación y garantizan una transferencia de calor uniforme sin compuestos engorrosos. La tecnología de semiconductores de IXYS y la tecnología Direct Bonding proporcionan unas características de disipación del calor mejoradas en comparación con los componentes estándar. Las detalladas curvas de reducción térmica permiten seleccionar con precisión el disipador para cualquier condición de funcionamiento.

Figura 5: Limitaciones de la corriente de carga en función de la temperatura ambiente y la resistencia térmica del disipador (°C/W). Esencial para evitar fallos térmicos en aplicaciones industriales de alta temperatura. (Fuente de la imagen: Littelfuse)

La figura 5 ilustra la curva de corriente de carga frente a la temperatura ambiente para distintos escenarios térmicos. Los modelos de 50 A, como el SRP1-CBAZH-050NW-N y el SRP1-CRAZH-050TC-N, mantienen toda su capacidad de corriente hasta +50 °C con un disipador térmico adecuado de 0.7°C/W. Siguen ofreciendo una capacidad de 35 A con una disipación térmica de 1.5 °C/W a una temperatura ambiente de +40 °C. Esto los hace idóneos para aplicaciones como el control de calentadores en entornos industriales de alta temperatura.

Resultados de las pruebas y datos de validación del rendimiento

Las pruebas comparativas independientes validan las afirmaciones de Littelfuse sobre el rendimiento. Cuando se sometió a pruebas idénticas de 750,000 ciclos de resistencia al doble de la corriente nominal, la serie SRP1 de Littelfuse superó significativamente a tres competidores importantes (Figura 6). Mientras que las unidades de Littelfuse completaron el ciclo de prueba completo, los competidores fallaron en 200,000, 130,000 y 60,000 ciclos, respectivamente. El competidor 3 experimentó explosiones catastróficas de semiconductores que plantearon riesgos de seguridad.

Figura 6: Comparación visual de los daños internos del SSR tras las pruebas de resistencia, mostrando la cubierta superior retirada y los modos de fallo detallados. (Fuente de la imagen: Littelfuse)

El análisis posterior al fallo reveló daños por fatiga térmica en las unidades de la competencia, lo que demuestra la eficacia de la tecnología de semiconductores IXYS de Littelfuse, la tecnología Direct Bonding y la gestión térmica. Esta validación en el mundo real demuestra que el enfoque integrado de cuatro pilares de Littelfuse ofrece una mejora apreciable de la fiabilidad. El resultado convierte a la serie SRP1 en la elección clara para aplicaciones industriales críticas, al tiempo que cumple las normas cЯUus, CE y RoHS.

Conclusión

Los SSR de la serie SRP1 de Littelfuse abordan los cuatro desafíos de ingeniería que provocan fallos en los SSR industriales. Los tipos de conmutación adaptados a la aplicación eliminan las interferencias electromagnéticas y los márgenes de seguridad conservadores evitan los fallos por subdimensionamiento. La protección integrada contra sobretensiones gestiona los transitorios eléctricos, mientras que la gestión térmica avanzada prolonga la vida útil. Las pruebas en el mundo real validaron un rendimiento superior, alcanzando los 750,000 ciclos en comparación con los fallos de la competencia con 200,000 ciclos o menos. Este enfoque de ingeniería garantiza un funcionamiento fiable desde la instalación hasta años de exigente servicio industrial.