Come scegliere un relè a stato solido (SSR): tipo di carico, corrente nominale, dissipatore di calore e protezione

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La scheda tecnica di un SSR indica la tensione e la corrente massime in condizioni di test dichiarate. Il quadro elettrico aggiunge le condizioni che solitamente determinano l'affidabilità del dispositivo: corrente di avviamento del motore, impulsi di carica dei condensatori, calore intrappolato all'interno dell'involucro, dispositivi di potenza raggruppati strettamente e transitori che non compaiono mai nella classificazione del carico nominale.

Ecco perché la scelta di un relè a stato solido (SSR) non è un semplice esercizio di consultazione di un catalogo. Una selezione affidabile deve rispondere a quattro quesiti ingegneristici:

Decisione	Cosa deve essere stabilito
1. L'SSR è elettricamente compatibile?	Uscita AC o DC, intervallo di ingresso di controllo, polarità, tensione, frequenza, disposizione delle fasi e modalità di commutazione
Può sopportare il carico?	Corrente RMS continua, ampiezza e durata dello spunto, fattore di potenza, frequenza di commutazione e tensione transitoria
L'installazione è in grado di dissipare il calore?	Perdite per conduzione, temperatura ambiente del quadro, curva di declassamento, interfaccia termica, dissipatore di calore, raggruppamento e flusso d'aria
Cosa succede durante un guasto?	Corrente di dispersione, coordinamento semiconduttore-fusibile, soppressione delle sovratensioni, risposta alla sovratemperatura e arresto sicuro dopo un guasto da cortocircuito in uscita

Seguire queste quattro decisioni in ordine. Non compensare la mancanza di dati sul carico o termici applicando un moltiplicatore di corrente universale.

Questa guida presuppone un'applicazione in quadri di controllo industriali o OEM. Le specifiche del prodotto, il cablaggio, il coordinamento delle protezioni e la progettazione termica devono essere verificati in base alla scheda tecnica specifica dell'SSR e alla normativa di riferimento dell'apparecchiatura.

Punti di forza

• Un Un SSR con uscita in CA non può normalmente commutare la CC, poiché un'uscita a triac o tiristore si basa sull'attraversamento dello zero della corrente per spegnersi. Un SSR con uscita in CC utilizza solitamente MOSFET e deve essere selezionato in base alla polarità e alla tensione della CC.
• La corrente stampata sull'SSR è un massimo condizionato, non una corrente di pannello utilizzabile garantita. La corrente ammissibile può diminuire drasticamente all'aumentare della temperatura ambiente o al peggiorare delle prestazioni del dissipatore di calore.
• La sola corrente di carico resistivo non è sufficiente per carichi di motori, trasformatori, lampade, solenoidi o carichi capacitivi. La loro corrente di spunto e la durata del picco spesso determinano la selezione.
• La scelta del dissipatore di calore deve basarsi su dissipazione di potenza e temperatura di giunzione, non su una regola universale come “utilizzare il doppio della corrente di carico”.”
• Lo stato di off non significa isolamento a circuito aperto. Gli SSR presentano una corrente di dispersione e possono guastarsi in cortocircuito, pertanto non devono essere utilizzati come unico dispositivo di sezionamento per manutenzione o isolamento di sicurezza.
• Un interruttore magnetotermico di derivazione può proteggere il cavo senza proteggere il semiconduttore. Il coordinamento con fusibili ultrarapidi per semiconduttori deve essere verificato separatamente quando richiesto.

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Selezione rapida dei relè a stato solido (SSR)

Voce di selezione	Cosa determinare	Perché è importante
Tipo di uscita	Architettura AC, DC o AC/DC	Un dispositivo di uscita errato potrebbe non spegnersi o danneggiarsi immediatamente
Ingresso di controllo	Intervallo di tensione in ingresso, assorbimento di corrente, polarità	Un'uscita PLC nominale a 24 V deve pilotare in modo affidabile l'SSR in condizioni reali di caduta di tensione
Categoria di carico	Riscaldatore, motore, trasformatore, lampada, solenoide, driver LED, banco di condensatori	Ogni carico produce una diversa corrente di spunto, fattore di potenza e sollecitazione di commutazione
Tensione di esercizio	Nominale, massimo, transitorio e frequenza	L'SSR deve resistere sia alla tensione costante che ai disturbi ripetitivi
Corrente continua	Corrente RMS nel punto operativo peggiore	Stabilisce il punto di partenza per la selezione termica
Corrente di sovratensione	Ampiezza di picco, forma d'onda e durata	Determina se il chip di uscita sopravvive ai transitori di avviamento e di guasto
Modalità di commutazione	Zero-cross, accensione casuale o controllo proporzionale	Influenza le EMI, il comportamento allo spunto e il metodo di controllo
Progettazione termica	Perdita di potenza, temperatura ambiente, valori R-theta, flusso d'aria	Una temperatura di giunzione eccessiva è una causa primaria di guasto precoce dell'SSR
Comportamento nello stato di off	Corrente di dispersione, dv/dt, carico minimo	I carichi piccoli possono emettere bagliori, vibrare o sembrare rimanere alimentati
Protezione	Fusibile a semiconduttore, MOV, circuito snubber, TVS, sgancio per sovratemperatura	Componenti diversi affrontano meccanismi di guasto diversi

Se hai prima bisogno della struttura interna di base e del principio di funzionamento, leggi Comprendere i relè a stato solido. Questa pagina si concentra sul dimensionamento e sulle specifiche piuttosto che ripetere la definizione generale.

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Raccogliere i dati del carico prima di scegliere un SSR

Un SSR non può essere selezionato correttamente basandosi solo su “230 V, 10 A”. Definire un profilo di carico con almeno le seguenti informazioni:

• Alimentazione AC o DC, inclusi frequenza e polarità
• Circuito monofase o trifase
• Tensione di alimentazione massima normale, non solo la tensione nominale
• Potenza del carico o corrente RMS misurata a regime
• Fattore di potenza ed efficienza, ove applicabile
• Corrente di spunto all'avviamento, di carica, di magnetizzazione o a filamento freddo
• Durata del picco e frequenza di commutazione
• Ciclo di lavoro e avviamenti previsti all'ora
• Temperatura dell'aria locale all'interno dell'involucro
• Orientamento dell'installazione, ventilazione e distanza da fonti di calore adiacenti
• Metodo di controllo richiesto: semplice on/off, burst firing, controllo ad angolo di fase o ciclo rapido
• Conseguenze di un guasto in cortocircuito di un SSR

Per le apparecchiature esistenti, la corrente misurata e le forme d'onda di spunto sono solitamente più utili della sola etichetta di potenza. Per un nuovo progetto, ottenere i dati sulla corrente massima e sulla corrente di avviamento dal produttore del carico invece di affidarsi a moltiplicatori generici.

Stima della corrente di carico normale

Per un carico monofase:

Per un carico trifase bilanciato:

Per un riscaldatore resistivo, il fattore di potenza e l'efficienza sono spesso vicini a 1. Per un motore, utilizzare la corrente di targa ove disponibile. Se la potenza dichiarata è la potenza meccanica in uscita, è necessario includere l'efficienza.

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2. Scegliere la tecnologia di uscita corretta: SSR AC o SSR DC

L'alimentazione del carico determina lo stadio di uscita, non la tensione del controllore.

Ad esempio, un relè descritto come DC-to-AC accetta comunemente un segnale di controllo da 3-32 V DC ma commuta un carico AC. Il primo termine descrive l'ingresso; il secondo descrive l'uscita.

Uscita SSR	Semiconduttore tipico	Alimentazione del carico idonea	Limitazione importante
Uscita AC	Triac o SCR in antiparallelo	Carichi AC	Si spegne normalmente quando la corrente di carico attraversa lo zero; non adatto per la commutazione DC ordinaria
Uscita in corrente continua (DC)	MOSFET, talvolta IGBT in configurazioni specializzate	Carichi in corrente continua (DC)	Rispettare la polarità a meno che l'uscita non sia esplicitamente bidirezionale
Uscita DC bidirezionale	MOSFET back-to-back	DC dove è richiesto il blocco dell'inversione	Una maggiore perdita di conduzione può derivare dai dispositivi in serie
Uscita AC trifase	Tre poli di uscita AC controllati	Carichi AC trifase	Il comportamento termico e di mancanza fase deve essere valutato per tutti i poli

Non utilizzare la descrizione dell'ingresso per dedurre la compatibilità dell'uscita. Leggere la designazione completa, lo schema dei terminali e le specifiche di uscita.

Un SSR AC può commutare DC?

Solitamente no. Un triac o un raddrizzatore controllato al silicio (SCR) rimane in conduzione finché la corrente rimane al di sopra della sua corrente di mantenimento. La corrente continua non presenta un naturale passaggio per lo zero, pertanto il dispositivo potrebbe rimanere acceso dopo la rimozione del segnale di ingresso.

Un SSR DC può commutare AC?

Solo se la sua uscita è specificamente progettata per corrente bidirezionale. Un'uscita MOSFET polarizzata convenzionale non è un sostituto per un SSR AC.

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3. Abbinare l'ingresso di controllo al PLC, al controller o al sensore

Un ingresso SSR comune contrassegnato 3-32 V CC include un LED e una rete di limitazione della corrente. Tale etichetta generica non garantisce comunque la compatibilità con ogni tipo di controller.

Verificare:

• tensione di accensione garantita e tensione di spegnimento garantita
• corrente di ingresso sull'intero intervallo di tensione
• polarità di ingresso
• tipo di uscita del controller: sourcing, sinking, relè, triac o transistor
• corrente di uscita del PLC disponibile per canale e per gruppo comune
• corrente residua o di dispersione dal controller quando è in posizione “off”
• caduta di tensione nei cablaggi di controllo lunghi
• isolamento richiesto tra canali e circuiti

Per gli SSR con ingresso in CA, verificare la frequenza di ingresso, il range di pickup, la tensione di rilascio e la corrente di ingresso. Un PLC con uscita in CA o un sensore a due fili potrebbero disperdere una corrente sufficiente a mantenere attivo un ingresso SSR sensibile; potrebbe essere necessaria una rete di drenaggio (bleed network) o un relè di interfaccia progettati correttamente.

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Selezionare in base al tipo di carico, non solo alla corrente di esercizio

La stessa corrente di esercizio di 10 A può imporre sollecitazioni molto diverse a seconda del carico.

Tipo di carico	Sollecitazione elettrica principale	Focus sulla selezione	Approccio di commutazione tipico
Riscaldatore resistivo	Corrente continua e calore nel quadro elettrico	Corrente RMS, ciclo di lavoro, dissipatore di calore	Il passaggio per lo zero (zero-cross) è comunemente utilizzato per il controllo on/off o a burst
Motore o compressore	Corrente di avviamento e a rotore bloccato, cicli frequenti	Dati nominali del motore, durata dell'avviamento, protezione contro lo stallo, margine termico	Seguire le indicazioni del produttore dell'SSR per i carichi motore
Trasformatore	La corrente di inserzione magnetizzante dipende dall'angolo di commutazione e dalla rimanenza	Curva di sovratensione specifica del trasformatore e metodo di commutazione	Utilizzare una soluzione specifica per lo scopo; non dare per scontato che lo zero-crossing sia automaticamente la scelta migliore
Solenoide o valvola	Tensione di spegnimento induttiva	Soppressione delle sovratensioni e requisiti del tempo di rilascio	Uscita AC o DC abbinata alla bobina; aggiungere una soppressione appropriata
Lampada a incandescenza o a infrarossi	Corrente di spunto a filamento freddo	Resistenza a freddo e capacità di sovratensione ripetitiva	Il passaggio per lo zero spesso riduce i disturbi, in base ai dati dell'applicazione
Driver LED o ingresso capacitivo	Impulso di carica del condensatore, alto fattore di cresta, piccola corrente a regime	Corrente di picco, durata dell'impulso, carico minimo, dispersione	Utilizzare i dati del carico capacitivo; i watt di targa da soli non sono sufficienti

Carichi di riscaldamento resistivi

I carichi di riscaldamento sono solitamente l'applicazione SSR più semplice, ma possono funzionare con un ciclo di lavoro elevato per lunghi periodi. Ciò rende la perdita di conduzione e la temperatura dell'involucro più importanti della corrente di avviamento. Utilizzare la corrente massima a regime termico e la peggiore tensione di alimentazione credibile.

Motori e compressori

Non dimensionare un SSR per motori basandosi esclusivamente sulla corrente a pieno carico. Verificare la corrente di spunto, il tempo di accelerazione, il numero di avviamenti orari, la protezione a rotore bloccato, la perdita di fase e se siano richieste inversioni o frenature. La corrente nominale di un SSR per impieghi generali non è equivalente a una classificazione per utilizzo con motori.

Per applicazioni che richiedono avviamento graduale (soft start), limitazione di corrente o accelerazione controllata, un controllore a semiconduttore per motori o un soft starter possono risultare più appropriati di un semplice SSR di tipo on-off. La norma IEC 60947-4-2 disciplina i controllori a semiconduttore per motori, gli avviatori e i soft starter.

Trasformatori

La corrente di magnetizzazione all'inserzione di un trasformatore è fortemente influenzata dall'angolo di chiusura, dal flusso residuo, dall'impedenza della sorgente e dal design del trasformatore stesso. La chiusura esattamente al passaggio per lo zero della tensione può generare una grave asimmetria di flusso in alcune applicazioni con trasformatori. Selezionare un SSR o un controllore con indicazioni specifiche per carichi di tipo trasformatore e con un inviluppo di corrente di sovratensione validato.

Driver LED e carichi capacitivi

Un alimentatore per LED può assorbire solo una frazione di ampere dopo l'avviamento, ma produrre un breve impulso di carica molte volte superiore. Confrontare l'ampiezza e la durata dell'impulso di spunto del driver con i dati di sovratensione ripetitiva e non ripetitiva dell'SSR. Verificare inoltre la corrente di dispersione nello stato di off, poiché può caricare il condensatore di ingresso e causare sfarfallii.

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5. Verificare la tensione di uscita e il margine per i transitori

La tensione nominale di uscita dell'SSR deve superare la tensione di regime più elevata che può presentarsi ai capi dell'uscita aperta. Deve inoltre resistere a disturbi di linea, commutazioni induttive e transitori ripetitivi.

Revisione:

• tensione di alimentazione nominale e massima continua
• valore nominale RMS in CA rispetto alla tensione di blocco di picco
• Tensione operativa massima DC
• tensione di picco ripetitiva allo stato di interdizione
• dv/dt statico e di commutazione
• ambiente di sovratensione e protezione a monte
• grado di isolamento tra circuiti di controllo e di carico

Non applicare una percentuale di margine di tensione universale a ogni tecnologia SSR. Utilizzare la curva di applicazione del produttore e coordinare l'SSR con il varistore a ossido metallico (MOV), il dispositivo di soppressione dei transitori di tensione (TVS) o il dispositivo di protezione contro le sovratensioni selezionato.

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Dimensionare la corrente dell'SSR in base alla curva di declassamento

La corrente stampata su un SSR è normalmente stabilita in condizioni termiche specifiche. Tali condizioni possono includere una particolare temperatura del contenitore, dissipatore di calore, flusso d'aria, orientamento di montaggio o temperatura ambiente. Un SSR da “40 A” potrebbe quindi non essere in grado di trasportare 40 A in modo continuo all'interno di un quadro elettrico caldo e sigillato.

Utilizzare il fattore di corrente ammissibile dalla curva specifica della scheda tecnica:

dove:

• I_{load} è la corrente di carico RMS continua massima;
• F_{allowable} è la frazione utilizzabile della corrente di targa nelle condizioni ambientali e di montaggio effettive.

Se una scheda tecnica consente solo il 50% della corrente nominale nelle condizioni di progetto, un carico continuo di 18 A richiede un SSR con una portata nominale di almeno 36 A, prima delle verifiche sulle correnti di spunto e sulla categoria di carico. Questa non è una regola universale di declassamento al 50%; è un esempio di come applicare la curva del produttore.

La selezione della corrente non completa la scelta. Il componente candidato deve ancora superare le verifiche su corrente di spunto, caratteristiche termiche, frequenza di commutazione e coordinamento delle protezioni.

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Calcolatore per la selezione di relè a stato solido e dissipatori di calore

Utilizzare il calcolatore VIOX per la selezione di relè a stato solido e dissipatori di calore per stimare la corrente nominale dell'SSR richiesta, le perdite per conduzione, la resistenza termica del dissipatore, la temperatura di giunzione, il margine di sovratensione, la corrente di dispersione allo stato spento e il coordinamento preliminare I^2t dei fusibili semiconduttori.

Inserire la tecnologia di uscita effettiva, il tipo di carico, la tensione di sistema, la potenza o la corrente misurata, il fattore di potenza, il ciclo di lavoro, la temperatura ambiente e i parametri termici dalla scheda tecnica dell'SSR candidato.

[Inserire qui il calcolatore VIOX per la selezione di relè a stato solido e dissipatori di calore]

Solo selezione preliminare: Il risultato non sostituisce la curva di declassamento specifica del produttore, la classificazione della categoria di carico, la curva di corrente di sovratensione, le istruzioni di montaggio, i requisiti dell'interfaccia termica o la tabella di coordinamento approvata per fusibili a semiconduttore.

Apri il calcolatore completo per la selezione di relè a stato solido e dissipatori di calore

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7. SSR Zero-Cross vs Random Turn-On

Questa scelta si applica principalmente agli SSR con uscita in CA.

Commutazione zero-cross

Un SSR zero-cross attende che la tensione CA sia prossima allo zero prima di attivarsi. È ampiamente utilizzato per il riscaldamento resistivo e il controllo a impulsi (burst-fire) poiché può ridurre i disturbi condotti e irradiati rispetto alla commutazione ad angolo arbitrario.

Non è universalmente la soluzione migliore. Il comportamento di magnetizzazione dei trasformatori, l'avviamento dei motori e i metodi di controllo specializzati richiedono una valutazione specifica per l'applicazione.

Commutazione random turn-on

Un SSR a innesco casuale inizia a condurre non appena il comando di ingresso e le condizioni del semiconduttore lo consentono. È richiesto per il controllo di potenza ad angolo di fase e per le applicazioni in cui il controller deve scegliere l'angolo di innesco.

Applicazione	Punto di partenza abituale	Verifica prima dell'approvazione
Riscaldatore resistivo, semplice on/off	Zero-cross (passaggio per lo zero)	Periodo di ciclo, carico termico, requisiti EMI
Riscaldatore, controllo ad angolo di fase	Innesco casuale	Compatibilità del controller, armoniche, filtraggio EMC
Trasformatore	SSR/controller per scopi specifici	Corrente di spunto di magnetizzazione, rimanenza, strategia di innesco
Motore/compressore	SSR per motori	Corrente di avviamento/stallo, modalità di commutazione, avviamenti per ora
Carico CC	SSR con uscita CC	La terminologia zero-cross non è applicabile

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8. SSR monofase vs trifase

Un SSR monofase commuta un singolo percorso di corrente controllato. Un sistema trifase può utilizzare:

• un SSR trifase integrato;
• tre SSR monofase controllati congiuntamente; oppure
• due poli controllati in un circuito a tre fili, laddove il design applicabile lo consenta.

Un'unità integrata semplifica il montaggio e il controllo coordinato, ma il calore combinato può essere considerevole. SSR separati possono distribuire il calore e semplificare la sostituzione, ma il design deve gestire comandi simultanei, rilevamento della perdita di fase, raffreddamento disomogeneo e temperatura condivisa del dissipatore.

Per i motori, non considerare tre SSR generici indipendenti come un avviatore motore completo. La protezione da sovraccarico, la protezione da cortocircuito, il comportamento in caso di perdita di fase, la logica di riavvio e l'isolamento richiedono comunque un design coordinato.

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Calcolo della dissipazione di potenza dell'SSR e del requisito del dissipatore di calore

Perdita di conduzione dell'SSR in CA

Per una stima preliminare utilizzando una caduta di tensione allo stato acceso:

dove D è il duty cycle. Se il produttore fornisce una curva di dissipazione di potenza, utilizzare tale curva poiché la caduta di tensione non è perfettamente costante.

Perdita di conduzione SSR MOSFET DC

Per un'uscita MOSFET:

Utilizzare la R_{DS(on)} alla temperatura di giunzione prevista, non solo il valore nominale a bassa temperatura. La resistenza del MOSFET generalmente aumenta con la temperatura.

Resistenza termica del dissipatore di calore

Per un SSR su un dissipatore di calore:

dove:

• T_{J,target} è il limite di temperatura di giunzione di progetto, mantenuto al di sotto del massimo assoluto;
• T_A è la temperatura dell'aria locale attorno al dissipatore di calore;
• P è la dissipazione di potenza dell'SSR;
• R_{\theta JC} è la resistenza termica giunzione-contenitore;
• R_{\theta CS} è la resistenza termica contenitore-dissipatore;
• R_{\theta SA} è la resistenza termica richiesta dissipatore-ambiente in gradi Celsius per watt.

Un valore di R_{\theta SA} più basso indica un dissipatore di calore più efficace.

Esempio pratico

Si supponga che un SSR AC trasporti 18 A in modo continuo, abbia una caduta di tensione allo stato acceso di 1,6 V e sia installato in un luogo in cui la temperatura ambiente locale può raggiungere i 45 gradi C.

P = 1,6 \times 18 = 28,8\ W

Se il progetto prevede una temperatura di giunzione di 100 gradi C, R_{\theta JC}=0,5 gradi C/W e R_{\theta CS}=0,2 gradi C/W:

R_{\theta SA,max} = \frac{100-45}{28,8} – 0,5 – 0,2 \approx 1,21\ ^\circ C/W

Il dissipatore di calore selezionato deve fornire 1,21 gradi C/W o inferiore nelle condizioni reali di orientamento, flusso d'aria nell'involucro, altitudine e montaggio. Questo esempio è illustrativo; utilizzare i dati esatti di perdita dell'SSR e le resistenze termiche.

Diversi SSR su un unico dissipatore di calore

Quando più moduli condividono un dissipatore di calore, il calore totale aumenta la temperatura del dissipatore, mentre ogni modulo mantiene il proprio percorso giunzione-contenitore:

Non calcolare ogni SSR come se avesse a disposizione l'intero dissipatore di calore.

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10. Considerare la temperatura del quadro, il raggruppamento e il montaggio

La temperatura ambiente non è la temperatura di progetto. Misurare o stimare la temperatura dell'aria vicino all'SSR e all'ingresso del dissipatore dopo che il quadro ha raggiunto l'equilibrio termico.

Le cause comuni di sottostima della temperatura dell'SSR includono:

• quadri sigillati esposti alla luce solare;
• dissipatori di calore montati dove la convezione naturale è ostruita;
• diversi SSR, contattori o alimentatori raggruppati strettamente;
• alette orizzontali che non consentono lo sviluppo di un percorso di flusso d'aria verso l'alto;
• alta quota, filtri antipolvere o prestazioni ridotte della ventilazione forzata;
• pasta termica eccessiva o applicata in modo errato;
• pressione di montaggio non uniforme o superficie del dissipatore deformata.

Utilizzare le istruzioni del produttore dell'SSR relative a coppia di serraggio, planarità, pad termico e montaggio. Una quantità maggiore di pasta termica non è migliore; il materiale di interfaccia deve riempire i vuoti microscopici senza creare un spesso strato isolante.

Dissipatore di calore integrato o dissipatore di calore separato?

Un relè a stato solido (SSR) con dissipatore di calore integrato per guida DIN può ridurre il numero di componenti e i tempi di assemblaggio, mentre un dissipatore separato offre al progettista maggiore libertà nella gestione di perdite elevate, carichi termici condivisi, flusso d'aria e sostituzione. Nessuna delle due configurazioni è intrinsecamente migliore dell'altra.

Configurazione	Vantaggio principale	Limitazione principale	Metodo di valutazione ottimale
Dissipatore di calore integrato	Assemblaggio compatto e installazione semplificata	Capacità di raffreddamento fissa e possibile sovraffollamento all'interno della zona della guida DIN	Verificare la corrente ammissibile in base alla temperatura ambiente effettiva del quadro e alla spaziatura
Dissipatore di calore separato	Maggiore scelta in termini di resistenza termica, dimensioni e flusso d'aria	Maggiore lavoro di montaggio e maggiore dipendenza dalla qualità dell'interfaccia	Calcolare il percorso termico completo e convalidare la temperatura del contenitore
Dissipatore di calore condiviso	Può ridurre lo spazio nel quadro per diversi SSR	Il calore di ogni modulo aumenta la temperatura del dissipatore comune	Utilizzare la dissipazione di calore totale più il percorso di giunzione individuale di ciascun modulo

Non scegliere tra queste opzioni basandosi solo sulla corrente di carico. Confrontare il margine di temperatura di giunzione risultante nelle stesse condizioni di involucro.

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11. Comprendere la corrente di dispersione allo stato spento e il carico minimo

Un SSR non si comporta come un traferro meccanico. Il suo semiconduttore di uscita e qualsiasi snubber interno lasciano passare una piccola corrente quando sono spenti.

Questa corrente di dispersione può causare:

• bagliori o lampeggiamenti delle lampade a LED;
• visualizzazione di tensioni “fantasma” su multimetri ad alta impedenza;
• ronzii o mancato rilascio di piccoli solenoidi;
• cicli periodici di carica e riavvio di alimentatori elettronici;
• un carico che appare sotto tensione durante la ricerca guasti.

Confrontare la corrente di dispersione massima allo stato spento dell'SSR con la corrente di rilascio e la corrente operativa minima del carico. Una resistenza di spurgo approvata dal produttore può risolvere alcuni problemi di carichi piccoli, ma genera calore e deve essere dimensionata per una tensione continua e una scarica sicura. Anche uno snubber RC esterno può aumentare la dispersione.

Isolare sempre e verificare l'assenza di tensione prima della manutenzione. Il comando di spegnimento dell'SSR non costituisce un metodo di isolamento sicuro.

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12. Coordinamento della protezione attorno all'SSR

Nessun singolo componente protettivo è in grado di gestire ogni sollecitazione dell'SSR.

Misura di protezione	Scopo principale	Attenzione nella selezione
Interruttore di derivazione o fusibile generale	Protezione dei cavi e del circuito	Potrebbe essere troppo lento per proteggere la giunzione a semiconduttore
Fusibile rapido a semiconduttore	Limita l'energia di guasto attraverso l'SSR	Utilizzare la tabella di coordinamento del produttore dell'SSR o confrontare sulla base di un test comune valido
MOV	Limita le sovratensioni ripetitive o occasionali	Coordinare MCOV, livello di limitazione, energia, invecchiamento e corrente di seguito
Snubber RC	Limita dv/dt e le oscillazioni nei circuiti induttivi in CA	Aggiunge corrente di dispersione allo stato spento e calore
Diodo flyback	Sopprime il picco induttivo di una bobina in CC	Rallenta il rilascio della bobina e deve avere la polarità corretta
Diodo TVS	Limita i transitori CC a una tensione più elevata	Rilascio del carico più rapido ma sollecitazione maggiore rispetto a un diodo di ricircolo
Interruttore o sensore termico	Rileva la sovratemperatura del dissipatore di calore	Posizionarlo dove rappresenta il percorso termico critico
Contattore/sezionatore meccanico	Fornisce isolamento o spegnimento ridondante	Deve essere coordinato per la sequenza e la capacità di interruzione del guasto

Coordinamento con fusibili a semiconduttore

Un interruttore scatolato (MCCB) o un interruttore magnetotermico (MCB) può interrompere un guasto consentendo comunque il passaggio di energia sufficiente a distruggere un SSR. Laddove sia richiesta la protezione dei semiconduttori, utilizzare un fusibile ultrarapido raccomandato dal produttore dell'SSR.

Un confronto preliminare dell'energia dell'impulso può utilizzare:

Tuttavia, l'I^2t di interruzione totale del fusibile e l'I^2t di tenuta dell'SSR sono significativi solo quando la loro forma d'onda, durata, temperatura iniziale, tensione di sistema e condizioni di prova sono compatibili. Una tabella di coordinamento approvata costituisce una prova più solida rispetto a un confronto isolato tra codici di catalogo.

Selezione di MOV e snubber

La tensione operativa continua massima del MOV deve rimanere al di sopra della tensione di linea normale più elevata, mentre il suo livello di protezione deve rimanere al di sotto della tenuta ai transitori rilevante dell'SSR. Anche i transitori ripetitivi, l'impedenza della sorgente e il comportamento del MOV a fine vita sono fattori rilevanti.

Uno snubber RC è utile laddove un dv/dt eccessivo o oscillazioni induttive minacciano accensioni accidentali o sollecitazioni del dispositivo. Dovrebbe essere progettato come parte del circuito, non aggiunto automaticamente, poiché aumenta la corrente nello stato di off.

Utilizzare i trend di temperatura, non solo un punto di intervento fisso

Nelle apparecchiature a funzionamento continuo o ad alta criticità, un sensore di temperatura sul dissipatore può fornire molto più di un semplice arresto di emergenza. L'analisi del trend della temperatura insieme alla corrente di carico e alla temperatura ambiente del quadro può rivelare un percorso dell'aria ostruito, un ventilatore guasto, un dissipatore contaminato, un'interfaccia termica allentata o un ciclo di lavoro in aumento prima che l'SSR raggiunga la soglia di intervento.

Un aumento della temperatura del dissipatore non è prova che l'SSR stesso sia difettoso. Confrontare le letture in condizioni di carico e ambiente simili e indagare l'intero percorso termico. Un interruttore termico collegato solo all'ingresso di controllo non può interrompere un carico dopo che l'SSR è già andato in cortocircuito; è necessario un dispositivo di commutazione meccanica o di isolamento separato laddove la valutazione del rischio richieda un'interruzione positiva.

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13. Progettazione per le modalità di guasto comuni degli SSR

I semiconduttori di potenza si guastano spesso in cortocircuito, specialmente in seguito a sovratemperatura, sovracorrente, sovratensione o limitazione inadeguata dell'energia di guasto. Il carico può rimanere alimentato anche quando l'ingresso di controllo è disattivato.

Sintomo	Cause probabili	Risposta tecnica
Il carico rimane completamente attivo	Semiconduttore di uscita guasto in cortocircuito; bypass del cablaggio	Isolare l'alimentazione, verificare la resistenza di uscita secondo il metodo di prova del produttore, sostituire l'SSR, indagare sulle cause termiche e sui picchi di corrente
Il carico non si accende	Uscita aperta, pilotaggio in ingresso insufficiente, fusibile bruciato, guasto al carico	Misurare in sicurezza l'ingresso di controllo, la tensione di uscita, la continuità del fusibile e la corrente di carico
Funziona a freddo, si guasta a caldo	Dissipatore di calore inadeguato, interfaccia scadente, temperatura ambiente eccessiva, ingresso al limite	Registrare la temperatura del contenitore/dissipatore e la corrente dopo la stabilizzazione termica
Intervento intempestivo del fusibile	Corrente di spunto del carico sottostimata, fusibile errato, sovratensioni ripetitive	Acquisire la forma d'onda di spunto e verificare il coordinamento tra fusibile e SSR
Accensione accidentale	Eccessivo dv/dt, rumore di controllo, accoppiamento nel cablaggio	Migliorare il routing, la soppressione, la schermatura e il margine di rumore in ingresso
Il carico ridotto emette luce o vibra quando è spento	Corrente di dispersione o corrente di snubber	Verificare la dispersione massima rispetto alle caratteristiche di rilascio del carico; utilizzare una rete di spurgo approvata o un'architettura di uscita differente

Laddove un'alimentazione prolungata possa creare rischi di incendio, movimento, pressione o di processo, non fare affidamento su un singolo SSR per lo stato di sicurezza. Utilizzare un sezionatore meccanico appropriato o un'architettura certificata per la sicurezza, una protezione indipendente contro la sovratemperatura e il monitoraggio dei guasti come richiesto dalla valutazione dei rischi.

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14. Specifica di approvvigionamento SSR

Una descrizione d'acquisto come “SSR da 40 A, ingresso 24 V” è incompleta. Utilizzare una specifica che consenta al fornitore e al costruttore del quadro di valutare l'applicazione reale.

Campo di specifica	Informazioni da richiedere o fornire
Applicazione	Apparecchiatura di carico, scopo della commutazione, ciclo di lavoro, avviamenti/cicli all'ora
Ingresso	Nominale/intervallo, corrente di ingresso, livelli di pickup/dropout, polarità, tipo di uscita PLC
Tecnologia di uscita	AC triac/SCR, DC MOSFET, DC bidirezionale o trifase integrato
Alimentazione del carico	Tensione nominale e massima, frequenza, disposizione delle fasi
Dati del carico	Corrente RMS, fattore di potenza, efficienza, forma d'onda di spunto, durata del picco
Modalità di commutazione	Compatibilità con controller a zero-crossing, ad accensione casuale o proporzionali
Capacità di corrente	Corrente continua alle condizioni ambientali e di montaggio specificate
Dati termici	Curva di dissipazione di potenza, V_{ON} o R_{DS(on)}, R_{\theta JC}, requisiti di interfaccia, curva di declassamento
Dati allo stato di interdizione (off-state)	Corrente di dispersione, carico minimo, tensione di blocco, dv/dt statico e di commutazione
Dati sulle sovratensioni	Corrente di picco, forma d'onda, durata dell'impulso, limiti di ripetizione, base I^2t
Protezione	Fusibile semiconduttore approvato, guida per MOV/snubber, opzione sovratemperatura
Meccanico	Package, terminali, montaggio, dissipatore di calore, coppia di serraggio, protezione contro il contatto accidentale
Documentazione	Revisione della scheda tecnica, rapporti di prova, tracciabilità, prove di certificazione applicabili

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Checklist di audit del fornitore per progetti OEM e quadri elettrici

Prima di approvare una famiglia di relè a stato solido (SSR), richiedere al fornitore di fornire:

• curve di declassamento della corrente in funzione della temperatura ambiente per l'esatta disposizione di montaggio;
• dati sulla dissipazione di potenza nell'intervallo di corrente previsto;
• resistenza termica giunzione-custodia e istruzioni per l'interfaccia;
• curve di corrente di spunto con indicazione della forma d'onda e della durata;
• modelli di fusibili rapidi raccomandati o un metodo di coordinamento documentato;
• corrente di dispersione massima e carico minimo alla temperatura di esercizio;
• Dati su dv/dt e tensioni transitorie;
• Requisiti per la coppia di serraggio dei morsetti e per i conduttori;
• Tracciabilità del lotto e processo di controllo delle modifiche;
• Dati del lotto di produzione per caratteristiche critiche come corrente di dispersione allo stato spento, caduta di tensione allo stato acceso, tensione di blocco e soglia di attivazione in ingresso, laddove venga utilizzato il controllo statistico di processo;
• Documentazione comprovante qualsiasi certificazione dichiarata o conformità agli standard;
• Campioni per la validazione dell'aumento termico, della corrente di spunto, della dispersione e della risposta al guasto nell'assemblaggio effettivo.

Per le forniture OEM ad alto volume, i dati sulla capacità statistica possono aiutare a determinare se un parametro è controllato in modo coerente piuttosto che limitarsi a rientrare nei limiti delle specifiche. Se un fornitore riporta un indice di capacità di processo come il Cpk, verificare la caratteristica misurata, la dimensione del campione, i limiti di controllo, la temperatura di test e il periodo del lotto. Un valore Cpk privo di tale contesto non costituisce una prova significativa dell'affidabilità di un relè a stato solido (SSR).

La norma IEC 62314:2022 definisce i requisiti per i relè a stato solido di tipo "tutto o niente" rientranti nel suo campo di applicazione. I controllori e contattori a semiconduttore in CA per carichi non motorizzati ricadono sotto la norma IEC 60947-4-3, mentre i controllori e avviatori a semiconduttore per motori sono trattati dalla norma IEC 60947-4-2. I requisiti applicabili al prodotto e all'assemblaggio dipendono dalle modalità di fornitura e integrazione dell'SSR; un certificato di componente non certifica di per sé il quadro elettrico completato.

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16. Errori comuni nella selezione dei relè a stato solido (SSR)

Considerare la corrente di targa come corrente utilizzabile nel quadro

La correzione consiste nell'utilizzare l'esatta curva di declassamento e verificare la temperatura di giunzione nelle peggiori condizioni ambientali.

Ignorare la corrente di spunto del carico

Misurare o ottenere la forma d'onda della corrente di spunto. Un valore di picco senza la durata dell'impulso non è sufficiente.

Presumere che lo zero-crossing sia sempre la scelta migliore

Lo zero-crossing è un'impostazione predefinita valida per molte applicazioni di riscaldamento resistivo, ma non è una regola universale per trasformatori, motori o controllo ad angolo di fase.

Selezionare un dissipatore di calore in base alla corrente nominale dell'SSR

Calcolare la perdita effettiva del semiconduttore e il percorso termico completo. Due SSR con la stessa etichetta di corrente possono avere cadute di tensione e requisiti termici differenti.

Affidarsi a un interruttore automatico generico per proteggere l'SSR

La protezione dei conduttori e la protezione delle giunzioni dei semiconduttori sono attività di coordinamento distinte.

Considerare lo stato “off” come isolamento

Tenere conto della corrente di dispersione e del guasto da cortocircuito. Fornire un isolamento sicuro e un percorso di arresto adeguato al rischio.

Sostituire un relè elettromeccanico (EMR) senza verificare il comportamento del circuito

Un SSR modifica la dispersione, il calore, la modalità di guasto, la caduta di tensione e il comportamento ai transitori. Se la scelta tra le tecnologie è ancora in fase di valutazione, riesaminare Relè elettromeccanico vs Relè a stato solido prima di finalizzare il progetto.

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Domande Frequenti

Un valore nominale di corrente (ampere) più elevato per un SSR è sempre più sicuro?

Non necessariamente. Una classe di corrente superiore solitamente offre una maggiore area del chip o un margine termico più ampio, ma il vantaggio dipende dal design interno, dal dissipatore di calore, dalla temperatura ambiente, dai terminali, dalla resistenza alle sovratensioni e dalla protezione. Il sovradimensionamento non può compensare una tecnologia di uscita errata o un montaggio termico inadeguato.

È possibile collegare due SSR in parallelo per ripartire la corrente?

Non collegare in parallelo le uscite di SSR comuni a meno che il produttore non lo supporti esplicitamente. Piccole differenze nella tensione di stato, nella temperatura e nell'impedenza del cablaggio possono far sì che un dispositivo trasporti una corrente sproporzionata, creando un innesco termico (thermal runaway). Utilizzare un singolo SSR con valore nominale corretto o un gruppo in parallelo approvato dal produttore.

È possibile far condividere lo stesso dissipatore di calore a più SSR?

Sì, se le distanze di isolamento elettrico, le istruzioni di montaggio e il calcolo termico combinato lo consentono. Utilizzare la perdita totale del modulo per calcolare la temperatura del dissipatore, quindi aggiungere l'aumento di temperatura giunzione-contenitore e contenitore-dissipatore di ciascun SSR.

Perché viene misurata tensione sul carico quando l'SSR è spento?

La corrente di dispersione allo stato spento attraverso il semiconduttore o lo snubber interno può produrre una lettura sul multimetro, specialmente con strumenti digitali ad alta impedenza. Determinare se si tratti di una tensione fantasma innocua o di una corrente sufficiente ad azionare il carico. Non dare mai per scontato che il circuito sia sicuro al tatto basandosi solo sul comando di controllo.

Un SSR a zero-crossing è sempre la scelta migliore per un carico in CA?

No. È comunemente preferito per la commutazione di riscaldatori resistivi e il controllo a burst, ma il controllo ad angolo di fase richiede l'accensione casuale (random turn-on). Le applicazioni con trasformatori e motori richiedono linee guida specifiche per il carico, poiché l'angolo di commutazione può modificare la corrente di spunto e lo stress elettromagnetico.

Perché utilizzare un fusibile extrarapido per semiconduttori se il circuito dispone già di un interruttore magnetotermico?

L'interruttore protegge principalmente il cablaggio e interrompe i guasti del circuito. La giunzione di un semiconduttore può danneggiarsi prima che un interruttore standard intervenga. Un fusibile extrarapido coordinato limita l'energia passante a un livello che l'SSR è in grado di sopportare.

Qual è la temperatura massima ammissibile per un SSR?

Non esiste una regola affidabile basata sulla temperatura al tatto. Utilizzare la temperatura massima di contenitore o di giunzione indicata dal produttore, quindi progettare il sistema puntando a un valore inferiore che garantisca un margine operativo. Verificare la temperatura ambiente locale, la temperatura del contenitore, la temperatura del dissipatore e la corrente dopo che il quadro ha raggiunto lo stato stazionario.

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Regola di selezione finale

Un SSR affidabile viene selezionato partendo dal carico verso monte, non in base alla corrente nominale del catalogo. Innanzitutto, verificare la compatibilità della tecnologia di uscita (AC o DC) e dell'ingresso di controllo. Successivamente, qualificare il dispositivo in base alla corrente di spunto del carico, al declassamento (derating) indicato nella scheda tecnica, al metodo di commutazione, alle perdite per conduzione, alla temperatura di giunzione, al comportamento della corrente di dispersione, alla protezione dai transitori e alla risposta al guasto.

La migliore specifica di acquisto non è semplicemente “SSR, 40 A”, ma un punto di lavoro documentato che indichi il carico effettivo, la temperatura ambiente, il dissipatore di calore, il profilo di sovratensione, i dispositivi di protezione e la risposta di sicurezza in caso di guasto dell'uscita in cortocircuito.

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Riferimenti tecnici

• IEC 62314:2022 – Relè a stato solido
• IEC 60947-4-2:2020+AMD1:2024 – Controllori e avviatori a semiconduttore per motori e soft-starter
• IEC 60947-4-3:2020 – Controllori e contattori a semiconduttore in corrente alternata per carichi non destinati a motori