固態(tài)繼電器的原理與應用

1、固態(tài)繼電器的原理與應用 1.引言交流固態(tài)繼電器SSR(solid state releys)是一種無觸點通斷電子開關，它利用電子元件(如開關三極管、雙向可控硅等半導體器件)的開關特性，可達到無觸點無火花地接通和斷開電路的目的，為四端有源器件，其中兩個端子為輸入控制端，另外兩端為輸出受控端。為實現(xiàn)輸入與輸出之間的電氣隔離，器件中采用了高耐壓的專業(yè)光電耦合器。當施加輸入信號后，其主回路呈導通狀態(tài)，無信號時呈阻斷狀態(tài)。整個器件無可動部件及觸點，可實現(xiàn)相當于常用電磁繼電器一樣的功能。其封裝形式也與傳統(tǒng)電磁繼電器基本相同。它問世于70年代，由于它的無觸點工作特性，使其在許多領域的電控及計算機控

2、制方面得到日益廣范的應用。由于固態(tài)繼電器是由固體元件組成的無觸點開關元件，所以它較之電磁繼電器具有工作可靠、壽命長、對外界干擾小、能與邏輯電路兼容、抗干擾能力強、開關速度快和使用方便等一系列優(yōu)點。因而具有很寬的應用領域，有逐步取代傳統(tǒng)電磁繼電器之勢，并可進一步擴展到傳統(tǒng)電磁繼電器無法應用的領域。如計算機和可編程控制器的輸入輸出接口、計算機外圍和終端設備、機械控制、過程控制、遙控及保護系統(tǒng)等。在一些要求耐振、耐潮、耐腐蝕、防爆等特殊工作環(huán)境中以及要求高可靠的工作場合，SSR都較之傳統(tǒng)的電磁繼電器有無可比擬的優(yōu)越性。固態(tài)繼電器型號命名法,圖1為固態(tài)繼電器SSR的命名方法。2.固態(tài)繼電器的原理、結構

3、固態(tài)繼電器有三部分組成:輸入電路，隔離(耦合)和輸出電路。安輸入電壓的不同類別，輸入電路可分為直流輸入電路，交流輸入電路和交直流輸入電路三種。有些輸入控制電路還具有與TTL/CMOS兼容，正負邏輯控制和反相等功能。固態(tài)繼電器的輸入與輸出電路的隔離和耦合方式有光電耦合和變壓器耦合兩種。固態(tài)繼電器的輸出電路也可分為直流輸出電路，交流輸出電路和交直流輸出電路等形式。交流輸出時，通常使用兩個可控硅或一個雙向可控硅，直流輸出時可使用雙極性器件或功率場效應管。SSR按使用場合可以分成交流型和直流型兩大類，它們分別在交流或直流電源上做負載的開關，不能混用。下面以交流型的 SSR為例來說明它的工作原理，圖2是

4、它的工作原理框圖，圖1中的部件14構成交流SSR的主體，從整體上看，SSR只有兩個輸入端(A和B)及兩個輸出端(C和D)，是一種四端器件。工作時只要在A、B上加上一定的控制信號，就可以控制C、D兩端之間的“通”和“斷”，實現(xiàn)“開關”的功能，其中耦合電路的功能是為A、B端輸入的控制信號提供一個輸入/輸出端之間的通道，但又在電氣上斷開SSR中輸入端和輸出端之間的(電)聯(lián)系，以防止輸出端對輸入端的影響，耦合電路用的元件是“光耦合器”，它動作靈敏、響應速度高、輸入/輸出端間的絕緣(耐壓)等級高；由于輸入端的負載是發(fā)光二極管，這使SSR的輸入端很容易做到與輸入信號電平相匹配，在使用可直接與計算機輸出接口

5、相接，即受“1”與“0”的邏輯電平控制。觸發(fā)電路的功能是產(chǎn)生合乎要求的觸發(fā)信號，驅(qū)動開關電路工作，但由于開關電路在不加特殊控制電路時，將產(chǎn)生射頻干擾并以高次諧波或尖峰等污染電網(wǎng)，為此特設“過零控制電路”。所謂“過零”是指，當加入控制信號，交流電壓過零時，SSR即為通態(tài)；而當斷開控制信號后，SSR要等待交流電的正半周與負半周的交界點(零電位) 時，SSR才為斷態(tài)。這種設計能防止高次諧波的干擾和對電網(wǎng)的污染。吸收電路是為防止從電源中傳來的尖峰、浪涌(電壓)對開關器件雙向可控硅管的沖擊和干擾(甚至誤動作)而設計的，一般是用“R-C”串聯(lián)吸收電路或非線性電阻(壓敏電阻器)。直流型的SSR與交流型的SS

6、R相比，無過零控制電路，也不必設置吸收電路，開關器件一般用大功率開關三極管，其它工作原理相同。不過，直流型SSR在使用時應注意：1 負載為感性負載時，如直流電磁閥或電磁鐵，應在負載兩端并聯(lián)一只二極管，極性如圖3所示，二極管的電流應等于工作電流，電壓應大于工作電壓的4倍。 2 SSR工作時應盡量把它靠近負載，其輸出引線應滿足負荷電流的需要。3 使用電源屬經(jīng)交流降壓整流所得的，其濾波電解電容應足夠大。固態(tài)繼電器(SSR)與機電繼電器相比，是一種沒有機械運動，不含運動零件的繼電器，但它具有與機電繼電器本質(zhì)上相同的功能。SSR是一種全部由固態(tài)電子元件組成的無觸點開關元件，他利用電子元器件的點，磁和光特

7、性來完成輸入與輸出的可靠隔離，利用大功率三極管，功率場效應管，單項可控硅和雙向可控硅等器件的開關特性，來達到無觸點，無火花地接通和斷開被控電路。3.固態(tài)繼電器的特點SSR成功地實現(xiàn)了弱信號 (Vsr)對強電(輸出端負載電壓)的控制。由于光耦合器的應用，使控制信號所需的功率極低(約十余毫瓦就可正常工作)，而且Vsr所需的工作電平與 TTL、HTL、CMOS等常用集成電路兼容，可以實現(xiàn)直接聯(lián)接。這使SSR在數(shù)控和自控設備等方面得到廣泛應用。在相當程度上可取代傳統(tǒng)的“線圈簧片觸點式”繼電器(簡稱“MER”)。SSR由于是全固態(tài)電子元件組成，與MER相比，它沒有任何可動的機械部件，工作中也沒有任何機械

8、動作； SSR由電路的工作狀態(tài)變換實現(xiàn)“通”和“斷”的開關功能，沒有電接觸點，所以它有一系列MER不具備的優(yōu)點，即工作高可靠、長壽命(有資料表明SSR的開關次數(shù)可達108-109次，比一般MER的106高幾百倍)；無動作噪聲；耐振耐機械沖擊；安裝位置無限制；很容易用絕緣防水材料灌封做成全密封形式，而且具有良好的防潮防霉防腐性能；在防爆和防止臭氧污染方面的性能也極佳。這些特點使SSR可在軍事(如飛行器、火炮、艦船、車載武器系統(tǒng))、化工、井下采煤和各種工業(yè)民用電控設備的應用中大顯身手，具有超越MER的技術優(yōu)勢。交流型SSR由于采用過零觸發(fā)技術，因而可以使SSR安全地用在計算機輸出接口上，不必為在接

9、口上采用MER而產(chǎn)生的一系列對計算機的干擾而煩惱。此外，SSR還有能承受在數(shù)值上可達額定電流十倍左右的浪涌電流的特點。3.1固態(tài)繼電器的優(yōu)點3.1.1高壽命，高可靠:SSR沒有機械零部件，有固體器件完成觸點功能，由于沒有運動的零部件，因此能在高沖擊，振動的環(huán)境下工作，由于組成固態(tài)繼電器的元器件的固有特性，決定了固態(tài)繼電器的壽命長，可靠性高。3.1.2靈敏度高，控制功率小，電磁兼容性好:固態(tài)繼電器的輸入電壓范圍較寬，驅(qū)動功率低，可與大多數(shù)邏輯集成電路兼容不需加緩沖器或驅(qū)動器。3.1.3快速轉(zhuǎn)換:固態(tài)繼電器因為采用固體其間，所以切換速度可從幾毫秒至幾微妙。3.1.4電磁干擾笑:固態(tài)繼電器沒有輸入線

10、圈“，沒有觸點燃弧和回跳，因而減少了電磁干擾。大多數(shù)交流輸出固態(tài)繼電器是一個零電壓開關，在零電壓處導通，零電流處關斷，減少了電流波形的突然中斷，從而減少了開關瞬態(tài)效應。3.2固態(tài)繼電器的缺點3.2.1導通后的管壓降大，可控硅或雙相控硅的正向降壓可達12V，大功率晶體管的飽和壓漿液災12V之間，一般功率場效應管的導通電祖也較機械觸點的接觸電阻大。3.2.2半導體器件關斷后仍可有數(shù)微安至數(shù)毫安的漏電流，因此不能實現(xiàn)理想的電隔離。3.2.3由于管壓降大，導通后的功耗和發(fā)熱量也大，大功率固態(tài)繼電器的體積遠遠大于同容量的電磁繼電器，成本也較高。3.2.4電子元器件的溫度特性和電子線路的抗干擾能力較差，耐

11、輻射能力也較差，如不采取有效措施，則工作可靠性低。3.2.5固態(tài)繼電器對過載有較大的敏感性，必須用快速熔斷器或RC阻尼電路對其進行過在保護。固態(tài)繼電器的負載與環(huán)境溫度明顯有關，溫度升高，負載能力將迅速下降。4.固態(tài)繼電器的技術參數(shù)及選用 4.1固態(tài)繼電器的技術參數(shù)4.1.1輸入電壓范圍：在環(huán)境溫度25'c下，固態(tài)繼電器能夠工作的輸入電壓范圍。4.1.2輸入電流：在輸入電壓范圍內(nèi)某一特定電壓對應的輸入電流值。4.1.3接通電壓：在輸入端加該電壓或大于該電壓值時，輸出端確保導通。4.1.4關斷電壓：在輸入端加該電壓或小于該電壓值時，輸出端確保導通。4.1.5反極性電壓：能夠加在繼電器輸入端

12、上，而不應起永久性破壞的最大允許反向電壓。4.1.6額定輸出電流：環(huán)境25'C時的最大穩(wěn)態(tài)工作電流。4.1.7額定輸出電壓：能夠承受的最大負載工作電壓。4.1.8輸出電壓降：當繼電器處于導通時，在額定輸出電流下測得的輸出端電壓。4.1.9輸出漏電流：當繼電器處于關斷狀態(tài)施加額定輸出電壓時，流經(jīng)負載的電流值。4.1.10接通時間：當繼電器接通時，加輸入電壓到接通電壓開始至輸出達到其電壓最終變化的90%為止之間的時間間隔。4.1.11關斷時間：當繼電器關斷時，切除輸入電壓到關斷電壓開始至輸出達到其電壓最終變化的10%為止之間的時間間隔。4.1.12過零電壓：對交流過零型固態(tài)繼電器，輸入端加

13、入額定電壓，能使繼電器輸出端導通的最大起始電壓。4.1.13最大浪涌電壓：繼電器能承受的而不致造成永久性損壞的非重復浪涌(或過載)電流。4.1.14電器系統(tǒng)峰值：在繼電器工作狀態(tài)繼電器輸出端能夠承受的最大迭加的瞬時峰值擊穿電壓。4.1.15電壓指數(shù)上升率dv/dt：繼電器的輸出元件能夠承受的不使其導通的電壓上升率。4.1.16工作溫度：繼電器安規(guī)范安裝或不安裝散熱板時，其正常工作的環(huán)境溫度范圍。4.2固態(tài)繼電器的選用功率固態(tài)繼電器的特性參數(shù)包括輸入和輸出參數(shù)，下面以北京科通繼電器總廠生產(chǎn)的GX-10F繼電器為例，列出輸入、輸出參數(shù)，詳見表1，根據(jù)輸入電壓參數(shù)值大小，可確定工作電壓大小。如采用T

14、TL或CMOS等邏輯電平控制時，最好采用有足夠帶載能力的低電平驅(qū)動，并盡可能使“0”電平低于0.8 V。如在噪聲很強的環(huán)境下工作，不能選用通、斷電壓值相差小的產(chǎn)品，必需選用通、斷電壓值相差大的產(chǎn)品，(如選接通電壓為8 V或12 V的產(chǎn)品)這樣不會因噪聲干擾而造成控制失靈 。輸出參數(shù)的項目較多，現(xiàn)對主要幾個參數(shù)說明如下：表1SSR技術參數(shù) 4.2.1 額定輸入電壓；它是指定條件下能承受的穩(wěn)態(tài)阻性負載的最大允許電壓有效值。如果受控負載是非穩(wěn)態(tài)或非阻性的，必需考慮所選產(chǎn)品是否能承受工作狀態(tài)或條件變化時(冷熱轉(zhuǎn)換、靜動轉(zhuǎn)換、感應電勢、瞬態(tài)峰值電壓、變化周期等) 所產(chǎn)生的最大合成電壓。例如負載

15、為感性時，所選額定輸出電壓必須大于兩倍電源電壓值，而且所選產(chǎn)品的阻斷(擊穿)電壓應高于負載電源電壓峰值的兩倍。如在電源電壓為交流220V、一般的小功率非阻性負載的情況下，建議選用額定電壓為400V600V的SSR產(chǎn)品；但對于頻繁啟動的單相或三相電機負載，建議選用額定電壓為660V800V的SSR產(chǎn)品。4.2.2額定輸出電流和浪涌電流；額定輸出電流是指在給定條件下(環(huán)境溫度、額定電壓、功率因素、有無散熱器等)所能承受的電流最大的有效值。一般生產(chǎn)廠家都提供熱降額曲線。如周圍溫度上升，應按曲線作降額使用。浪涌電流是指在給定條件下(室溫、額定電壓、額定電流和持續(xù)的時間等)不會造成永久性損壞所允許的最大

16、非重復性峰值電流。交流繼電器的浪涌電流為額定電流的5-10倍(一個周期)，直流產(chǎn)品為額定電流的1.5-5倍(一秒)。在選用時，如負載為穩(wěn)態(tài)阻性，SSR可全額或降額10%使用。對于電加熱器、接觸器等，初始接通瞬間出現(xiàn)的浪涌電流可達3倍的穩(wěn)態(tài)電流，因此，SSR降額20%-30%使用。對于白織燈類負載，SSR應按降額50%使用，并且還應加上適當?shù)谋Ｗo電路。對于變壓器負載，所選產(chǎn)品的額定電流必須高于負載工作電流的兩倍。對于負載為感應電機，所選SSR的額定電流值應為電機運轉(zhuǎn)電流的2 4倍，SSR的浪涌電流值應為額定電流的10倍。固態(tài)繼電器對溫度的敏感性很強，工作溫度超過標稱值后，必須降熱或外加散熱器，例

17、如額定電流為10A的JGX10F產(chǎn)品，不加散熱器時的允許工作電流只有10A。4.2.3輸入特性（1）為了保證固態(tài)繼電器的正常工作，必須考慮輸入條件，通常輸入電壓為階躍函數(shù)，然而，如果輸入電壓是斜坡，就會出現(xiàn)半周循環(huán)現(xiàn)象，出現(xiàn)這種現(xiàn)象是由于開關半導體器件在正，反觸發(fā)時不完全對稱，因此，如果輸入電壓斜坡上升，這種開關在負載為某一極性時就可能處罰，而當負載電壓為反極性時就可能不處罰，而出現(xiàn)半周導通現(xiàn)象，這種現(xiàn)象將持續(xù)到輸入量足以使輸出完全導通為止。（2）輸入端出現(xiàn)的瞬態(tài)，可以使繼電器誤動，尤其是當繼電器響應時間等于或小于噪聲脈沖持續(xù)時間時，繼電器就會導通，對輸入信號進行濾波有助于減少這種現(xiàn)象。（3）

18、當反極性(反向輸入)電壓適用時，繼電器輸入端可以承受最大輸入電壓值或其它規(guī)定值的反極性電壓，超過該值，可能造成SSR的永久性破壞，當反極性電壓不適用時，或繼電器規(guī)定不能反向施加輸入電壓時，使用時一定注意，不能使輸入電壓反向。4.2.4輸出特性（1） SSR給出的最大額定輸出電流一般指常溫下或常溫到高溫下的最大額定輸出電流而且對大于10A的繼電器還指帶有規(guī)定散熱器時的最大額定輸出電流。對功率 SSR，當工作溫度上升或不帶散熱器時，最大輸出電流相應下降。對此，各SSR均給出不帶散熱帶規(guī)定散熱器的輸出電流與環(huán)境溫度的關系曲線。這曲線又叫熱降額曲線如圖4所示。2）當負載很輕即負載電阻或阻抗很大時，接通

19、時的輸出電流下降，該電流與關斷狀態(tài)下的漏電流之間的比值下降。對交流SSR，這時的漏電流可能會使接觸器嗡嗡作響，或使電機繼續(xù)運轉(zhuǎn);當輸出電流小于最小額定電流時，SSR的直流失調(diào)電壓和波形失真都會超過規(guī)定值，輸出電流過小，也會使輸出可控硅不能在規(guī)定的零電壓范圍內(nèi)導通。為了改善這種狀況，可以在負載兩端并聯(lián)一定的電阻，RC或燈泡。（3）SSR的許多負載如燈負載，電動機負載，感性和容性負載，在接通時的過渡過程會形成浪涌電流，由于散熱不及，浪涌電流是使固態(tài)繼電器損壞的最常見的原因。為了適應這種情況，SSR根據(jù)其內(nèi)部電路結構和輸出器件特性，一般均給出了過負載(或浪涌電流)參數(shù)倡議額定輸出電流(最大值)的倍數(shù)

20、，脈沖(浪涌)持續(xù)時間，循環(huán)周期和次數(shù)來表示。一般，直流SSR的過負載(浪涌)額定值遠小于同功率的交流SSR。另外，SSR的性質(zhì)還與接通時的電流上升率di/dt密切相關。di/dt超過某一值會使SSR的可控硅輸出器件損壞。為避免上述浪涌電流對SSR的損壞，可不同程度的降額使用SSR，必要時，可在負載電路中串聯(lián)電阻，將浪涌電流和可能發(fā)生的短路電流限制在 SSR所允許的過負載范圍內(nèi)，也可利用快速熔斷的保險絲來保護SSR。（4）對于SSR，特別對交流SSR，電壓指數(shù)上升率是一個重要參數(shù)。這是因為當SSR關斷時，若輸出端電壓上升率超過SSR規(guī)定的dv/dt，可能使SSR誤接通，嚴重時會造成SSR的損壞

21、一般SSR規(guī)定的dv/dt為 100v/us，也有的達200v/us。交流SSR多在電流過零時判斷，對感性和容性負載，在電流達零并關斷時，線電壓并不為零。功率因數(shù)cos越小，這個電壓越大，在關斷時，這一較大的電壓將以較大的上升率加在SSR的輸出端。另外，SSR關斷時，感性負載上會產(chǎn)生反電勢，該反電勢同電壓一起形成的過電壓將加在SSR的輸出端。在使用SSR反轉(zhuǎn)電容分相電機和反接未停轉(zhuǎn)的三相電機時，都可能在SSR的輸出端產(chǎn)生二倍于線電壓的過壓效應。dv/dt 和過電壓是使SSR失效的重要模式，因此要認真對待。一般，在可能產(chǎn)生二倍線電壓效應的場合應選擇最大額定輸出電壓高于二倍線電壓的SSR。在dv/

22、dt和過電壓嚴重的線路中，一般也應使SSR的最大額定輸出電壓高于二倍線電壓。對一般的感性負載，SSR的最大額定輸出電壓也應為線電壓的 1.5倍。另外，可以在SSR輸出端并聯(lián)RC吸收回路或其它瞬態(tài)抑制回路。5.固態(tài)繼電器在應用中一些問題的探討5.1基本單元電路如圖5a所示為穩(wěn)定的阻性負載，為了防止輸入電壓超過額定值，需設置一限流電阻Rx；當負載為非穩(wěn)定性負載或感性負載時，在輸出回路中還應附加一個瞬態(tài)抑制電路，如圖5b所示，目的是保護固態(tài)繼電器。通常措施是在繼電器輸出端加裝RC吸收回路(例如：R=150 ，C=0.5 F或R=39 ，C=0.1 F)，它可以有效的抑制加至繼電器的瞬態(tài)電壓和電壓指數(shù)

23、上升率dv/dt。在設計電路時，建議用戶根據(jù)負載的有關參數(shù)和環(huán)境條件，認真計算和試驗RC回路的選值。另一個常用的措施是在繼電器輸出端接入具有特定鉗位電壓的電壓控制器件，如雙向穩(wěn)壓二極管或壓敏電阻(MOV)。壓敏電阻電流值應按下式計算：Imov=(Vmax-Vmov)/ZS其中ZS為負載阻抗、電源阻抗以及線路阻抗之和，Vmax、Vmov分別為最高瞬態(tài)電壓、壓敏電阻的標稱電壓，對于常規(guī)的220V和380V的交流電源，推薦的壓敏電阻的標稱電壓值分別為440-470V和760-810V。在交流感性負載上并聯(lián)RC電路或電容，也可抑制加至SSR輸出端的瞬態(tài)電壓和電壓指數(shù)上升率。但實驗表明，RC吸收回路，特

24、別是并聯(lián)在SSR輸出端的RC吸收回路，如果和感性負載組合不當，容易導致振蕩，在負載電源上電或繼電器切換時，加大繼電器輸出端的瞬變電壓峰值，增大SSR誤導通的可能性，所以，對具體應用電路應先進行試驗，選用合適的RC參數(shù)，甚至有時不用RC吸收電路更有利。對于容性負載引起的浪涌電流可用感性元件抑制，如在電路中引入磁干擾濾波器、扼流圈等，以限制快速上升的峰值電流。另外，如果輸出端電流上升變化率(di/dt)很大，可以在輸出端串聯(lián)一個具有高磁導率的軟化磁芯的電感器加以限制。通常SSR均設計為“常開”狀態(tài)，即無控制信號輸入時，輸出端是開路的，但在自動化控制設備中經(jīng)常需要“常閉”式的SSR，這時可在輸入端外

25、接一組簡單的電路，如圖5c所示，這時即為常閉式SSR。5.2多功能控制電路圖6a為多組輸出電路，當輸入為“0”時，三極管BG截止，SSR1、SSR2、SSR3的輸入端無輸入電壓，各自的輸出端斷開；當輸入為“1”時，三極管BG導通，SSR1、SSR2、SSR3的輸入端有輸入電壓，各自的輸出端接通，因而達到了由一個輸入端口控制多個輸出端“通”、“斷”的目的。圖6b為單刀雙擲控制電路，當輸入為“0”時，三極管BG截止，SSR1輸入端無輸入電壓，輸出端斷開，此時A點電壓加到SSR2的輸入端上(UA- UDW應使SSR2輸出端可靠接通)，SSR2的輸出端接通；當輸入為“1”時，三極管BG導通，SSR1輸

26、入端有輸入電壓，輸出端接通，此時A點雖有電壓，但UA-UDW的電壓值已不能使SSR2的輸出端接通而處于斷開狀態(tài)，因而達到了“單刀雙擲控制電路”的功能(注意：選擇穩(wěn)壓二極管DW的穩(wěn)壓值時，應保證在導通的SSR1“+”端的電壓不會使SSR2導通，同時又要兼顧到SSR1截止時期“+”端的電壓能使SSR2導通)。5.3用計算機控制電機正反轉(zhuǎn)的接口及驅(qū)動電路圖7計算機控制單相交流電機正反轉(zhuǎn)的接口及驅(qū)動電路，在換向控制時，正反轉(zhuǎn)之間的停滯時間應大于交流電源的1.5個周期(用一個“下降沿延時”電路來完成)，以免換向太快而造成線間短路。電路中繼電器要選用阻斷電壓高于600 V和額定電壓為380 V以上的交流固態(tài)繼電器。為了限制電機換向時電容器的放電電流，應在各回路中外加一只限流電阻Rx，其阻值和