固態(tài)繼電器介紹及工作原理

1、固態(tài)繼電器介紹及工作原理1什么是固態(tài)繼電器，有什么優(yōu)缺點?固態(tài)繼電器（亦稱固體繼電器）英文名稱為Solid State Relay，簡稱 SSR它是用半導(dǎo)體器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)電接點作為切換裝置的具有繼電器特性的無觸點開關(guān)器件，單相 SSF 為四端有源器件，其中兩個輸入控制端，兩個輸出端，輸入 輸出間為光隔離，輸入端加上直流或脈沖信號到一定電流值后，輸出端就能從 斷態(tài)轉(zhuǎn)變成通態(tài)。固態(tài)繼電器工作可靠，壽命長，無噪聲，無火花，無電磁干擾，開關(guān)速度 快，抗干擾能力強，且體積小，耐沖擊，耐振蕩，防爆、防潮、防腐蝕、能與 TTL、DTL HTL等邏輯電路兼容，以微小的控制信號達到直接驅(qū)動大電流負(fù)載。 主要不足是

2、存在通態(tài)壓降（需相應(yīng)散熱措施），有斷態(tài)漏電流，交直流不能通 用，觸點組數(shù)少，另外過電流、過電壓及電壓上升率、電流上升率等指標(biāo)差。2.固態(tài)繼電器可應(yīng)用于哪些場合?固態(tài)繼電器目前已廣泛應(yīng)用于計算機外圍接口裝置，電爐加熱恒溫系統(tǒng)， 數(shù)控機械，遙控系統(tǒng)、工業(yè)自動化裝置；信號燈、閃爍器、照明舞臺燈光控制 系統(tǒng)；儀器儀表、醫(yī)療器械、復(fù)印機、自動洗衣機；自動消防，保安系統(tǒng)，以 及作為電網(wǎng)功率因素補償?shù)碾娏﹄娙莸那袚Q開關(guān)等等，另外在化工、煤礦等需 防爆、防潮、防腐蝕場合中都有大量使用。3.固態(tài)繼電器可分為哪些類型?交流固態(tài)繼電器按開關(guān)方式分有電壓過零導(dǎo)通型 （簡稱過零型） 和隨機導(dǎo) 通型 （簡稱隨機型）；按輸

3、出開關(guān)元件分有雙向可控硅輸出型（普通型）和 單 向可控硅反并聯(lián)型（增強型）：按安裝方式分有印刷線路板上用的針插式（自 然冷卻，不必帶散熱器）和固定在金屬底板上的裝置式（靠散熱器冷卻）；另 外輸入端又有寬范圍輸入（DC32V）的恒流源型和串 電阻限流型等。4.過零型 SSR 與隨機型 SSR 在用途上有什么區(qū)別?過零型 SSR 用作“開關(guān)”切換（從“開關(guān)”切換功能而言即等同于普通的 繼電器或接觸器），我們通常講的固態(tài)繼電器多數(shù)都為過零型（過零型SSR 只能“開關(guān)”不能“調(diào)壓”）。隨機型 SSR 主要用于“斬波調(diào)壓”（但隨機型 SSR 的控制信號必須為與電 網(wǎng)同步且上升沿可在 0。-180。范圍內(nèi)

4、改變的方波信號時才能實現(xiàn)調(diào)壓， 單一電 壓信號或0-5V 的模擬信號并不能使其調(diào)壓，從“調(diào)壓”功能的角度講隨機型 SSR 完全不同于普通的繼電器或接觸器）。有一點必須強調(diào)，各類調(diào)壓模塊或固態(tài) 繼電器內(nèi)部作為輸出觸點的器件均為可控硅，且都是依靠改變可控硅導(dǎo)通角來 達到“調(diào)壓”的目的，故輸出的電壓波形均為“缺角”的正弦波（不同于自耦調(diào)壓器輸出的完整正弦波） ,因此存在高次諧波， 有一定噪音， 電網(wǎng)有一定“污 染” （國內(nèi)外同類產(chǎn)品均相同，這是由斬波調(diào)壓原理決定的）。固態(tài)繼電器的分類與工作原理固態(tài)繼電器（Solid State Relays,縮寫 SSR 是一種無觸點 電子開關(guān)，由分立元器件、膜固定

5、電阻網(wǎng)絡(luò)和芯片，采用混合工藝組裝來實現(xiàn)控制回路 （輸入電 路）與負(fù)載回路（輸出電路）的電隔離及信號耦合，由固態(tài)器件實現(xiàn)負(fù)載的通斷切 換功能，內(nèi)部無任何可動部件。盡管市場上的固態(tài)繼電器型號規(guī)格繁多，但它 們的工作原理基本上是相似的。主要由輸入（控制）電路，驅(qū)動電路和輸出（負(fù)載）電路三部分組成。固態(tài)繼電器的輸入電路是為輸入控制信號提供一個回路，使之成為固態(tài)繼 電器的觸發(fā)信號源。固態(tài)繼電器的輸入電路多為直流輸入，個別的為交流輸入。 直流輸入電路又分為阻性輸入和恒流輸入。阻性輸入電路的輸入控制電流隨輸 入電壓呈線性的正向變化。恒流輸入電路，在輸入電壓達到一定值時，電流不 再隨電壓的升高而明顯增大，這種

6、繼電器可適用于相當(dāng)寬的輸入電壓范圍。固態(tài)繼電器的驅(qū)動電路可以包括隔離耦合電路、功能電路和觸發(fā)電路三部 分。隔離耦合電路，目前多采用光電耦合器和高頻變壓器兩種電路形式。常用 的光電耦合器有光一三極管、光一雙向可控硅、光一二極管陣列（光一伏）等。高頻變壓器耦合，是在一定的輸入電壓下，形成約10MHZ 的自激振蕩，通過變壓器磁芯將高頻信號傳遞到變壓器次級。功能電路可包括檢波整流、過零、加 速、保護、顯示等各種功能電路。觸發(fā)電路的作用是給輸出器件提供觸發(fā)信號。固態(tài)繼電器的輸出電路是在觸發(fā)信號的控制下，實現(xiàn)固態(tài)繼電器的通斷切 換。輸出電路主要由輸出器件（芯片）和起瞬態(tài)抑制作用的吸收回路組成，有時 還包括

7、反饋電路。目前，各種固態(tài)繼電器使用的輸出器件主要有晶體三極管 （Transistor ）、單向可控硅（Thyristor 或 SCR）雙向可控硅（Triac）、MOS 場效 應(yīng)管（MOSFET 絕緣柵型雙極晶體管（IGBT）等。固態(tài)繼電器原理 固態(tài)繼電器（Solidstate Relay, SSR）是一種由固態(tài)電子組件組成的新型無觸點開關(guān)，利用電子組件（如開關(guān)三極管、雙向可控硅等半 導(dǎo)體組件）的開關(guān)特性，達到無觸點、無火花、而能接通和斷開電路的目的， 因此又被稱為“無觸點開關(guān)”。相對于以往的“ 線圈一簧片觸點式”繼電器 （ElectromechanicalRelay, EMR） SSR 沒有任

8、何可動的機械零件，工作中也沒有任何機械動作，具有超越 EMR 的優(yōu)勢，如反應(yīng)快、可靠度高、壽命長（SSR 的 開關(guān)次數(shù)可達 108109 次，比一般 EMR 的 106 高出百倍）、無動作噪聲、耐震、 耐機械沖擊、具有良好的防潮防霉防腐特性。這些特點使SSR 在軍事、化工、和各種工業(yè)民用電控設(shè)備中均有廣泛應(yīng)用。固態(tài)繼電器的控制信號所需的功率 極低，因此可以用弱信號控制強電流。同時交流型的SSR 采用過零觸發(fā)技術(shù)，使 SSR 可以安全地用在計算機輸出接口，不會像 EMR 那樣產(chǎn)生一系列對計算機 的干擾，甚至?xí)?dǎo)致嚴(yán)重當(dāng)機。比較常用的是DIP 封裝的型式?？刂齐妷汉拓?fù)載電壓按使用場合可以分成交流和

9、直流兩大類，因此會有 DC-AG DC-DC AC-ACAC-DC 四種型式，它們分別在交流或直流電源上做負(fù)載的開關(guān)，不能混用.按負(fù)載電源的類型不同可將 SSF 分為交流固態(tài)繼電器（AC SSR 和直流固態(tài) 繼電器（DC SSR。AC SSR 是以雙向晶閘管作為開關(guān)器件，用來接通或斷開交 流負(fù)載電源的固態(tài)繼電器。AC SSR 的控制觸發(fā)方式不同，又可分為過零觸發(fā)型 和隨機導(dǎo)通型兩種。過零觸發(fā)型 AC SSR 是當(dāng)控制信號輸入后，在交流電源經(jīng) 過零電壓附近時導(dǎo)通，故干擾很小。隨機導(dǎo)通型AC SSR 則是在交流電源的任一相位上導(dǎo)通或關(guān)斷，因此在導(dǎo)通瞬間可能產(chǎn)生較大的干擾。工作原理過零觸發(fā)型 AC

10、SSR 為四端器件，其內(nèi)部電路如圖 1 所示。1、2 為輸入端, 3、4 為輸出端。R0 為限流電阻，光耦合器將輸入與輸出電路在電氣上隔離開，V1 構(gòu)成反相器，R4 R5 V2 和晶閘管 V3 組成過零檢測電路，UR 為雙向整流橋， 由 V3 和 UR 用以獲得使雙向晶閘管 V4 開啟的雙向觸發(fā)脈沖，R3R7 為分流電阻， 分別用來保護 V3和 V4, R8 和 C 組成浪涌吸收網(wǎng)絡(luò)，以吸收電源中帶有的尖峰 電壓或浪涌電流，防止對開關(guān)電路產(chǎn)生沖擊或干擾。要指出的是所謂“過零”并非真的必須是電源電壓波形的零處，而一般是 指在 1025V 或-（1025）V 區(qū)域內(nèi)進行觸發(fā)，如圖 2 所示。圖中交

11、流電壓分三 個區(qū)域，1區(qū)為-10V+10V 范圍，稱為死區(qū)，在此區(qū)域中加入輸入信號時不能 使 SSR 導(dǎo)通。U區(qū)為 1025V 和-（1025）V 范圍，稱為響應(yīng)區(qū)，在此區(qū)域內(nèi)只 要加入輸入信號，SSR 立即導(dǎo)通。川區(qū)為幅值大于 25V 的范圍，稱為抑制區(qū)在此 區(qū)域內(nèi)加入輸入信號，SSR 的導(dǎo)通被抑制。當(dāng)輸入端未加電壓信號時，光耦合器的光敏晶體管因未接收光而截止，V1飽和，V3 和 V4 因無觸發(fā)電壓而截止，此時 SSF 關(guān)閉。當(dāng)加入輸入信號時，光耦 合器中的發(fā)光二極管發(fā)光，光敏晶體管飽和，使V1 截止。此時若 V3 兩端電壓在-（1025）V 或 1025V 范圍內(nèi)時，只要適當(dāng)選擇分壓電阻

12、R4 和 R5,就可使 V2截止，這樣使 V3 觸發(fā)導(dǎo)通，從而使 V 4 的控制極上得到從 R4U3V 3-U3R7 或反方向的觸發(fā)脈沖，而使 V4 導(dǎo)通，使負(fù)載接通交流電源。而若交流電壓波形 在圖 2 中的川區(qū)內(nèi)時，則因 V2 飽和而抑制 V3 和 V4 的導(dǎo)通，而使 SSR 被抑制， 從而實現(xiàn)了過零觸發(fā)控制。由于 1025V 幅值與電源電壓幅值相比可近似看作“零”。因此，一般就將過零電壓粗略地定義為 0土 25V,即認(rèn)為在此區(qū)域內(nèi)， 只要加入輸入信號，過零觸發(fā)型 AC SSR 都能導(dǎo)通。當(dāng)輸入端電壓信號撤除后，光耦合器中的光敏晶體管截止，V1 飽和，V3 截止，但此時 V4 仍保持導(dǎo)通，直

13、到負(fù)載電流隨電源電壓減小到小于雙向晶閘管的 維持電流時，SSR 才轉(zhuǎn)為截止。SSR 勺輸出端器件可分為雙向晶閘管和兩只單向晶閘管反并聯(lián)形式。若負(fù)載為電動機一類的感性負(fù)載，則其靜態(tài)電壓上升率dv/dt 是一個重要參數(shù)。由于單向晶閘管靜態(tài)電壓上升率（200V/卩 s） 大大高于雙向晶閘管的換向指標(biāo)（10V/卩 s） ，因此若采用兩只大功率單向晶閘管反并聯(lián)代替雙向晶閘管，一方面 可提高輸出功率；另一方面也可提高耐浪涌電流的沖擊能力，這種SSR 稱為增強型 SSR選型使用時應(yīng)注意事項在選用小電流規(guī)格印刷電路板使用的固態(tài)繼電器時，因引線端子為高導(dǎo)熱 材料制成,焊接時應(yīng)在溫度小于 250C、 時間小于 1

14、0S 的條件下進行，如考慮周 圍溫度的原因，必要時可考慮降額使用，一般將負(fù)載電流控制在額定值的1/2以內(nèi)使用。各種負(fù)載浪涌特性對 SSR 勺選擇，許多被控負(fù)載在接通瞬間會產(chǎn)生很大的浪 涌電流，由于熱量來不及散發(fā)，很可能使 SSR 內(nèi)部可控硅損壞，所以用戶在選用 繼電器時應(yīng)對被控負(fù)載的浪涌特性進行分析，然后再選擇繼電器。使繼電器在保 證穩(wěn)態(tài)工作前提下能夠承受這個浪涌電流，選擇時可參考表2 各種負(fù)載時的降額系數(shù)（常溫下）。如所選用的繼電器需在工作較頻繁、壽命以及可靠性要求較 高的場合工作時，則應(yīng)在表 2 的基礎(chǔ)上再乘以 0.6 以確保工作可靠。一般在選用時遵循上述原則，在低電壓要求信號失真小可選用

15、采用場效應(yīng) 管作輸出器件的直流固態(tài)繼器；如對交流阻性負(fù)載和多數(shù)感性負(fù)載，可選用過 零型繼電器，這樣可延長負(fù)載和繼電器壽命，也可減小自身的射頻干擾。如作 為相位輸出控制時，應(yīng)選用隨機型固態(tài)繼電器。使用環(huán)境溫度的影響，固態(tài)繼電器的負(fù)載能力受環(huán)境溫度和自身溫升的影 響較大，在安裝使用過程中，應(yīng)保證其有良好的散熱條件，額定工作電流在10A以上的產(chǎn)品應(yīng)配散熱器， 他 A 以上的產(chǎn)品應(yīng)配散熱器加風(fēng)扇強冷。在安裝時應(yīng)注意繼電器底部與散熱器的良好接觸，并考慮涂適量導(dǎo)熱硅脂以達到最佳散熱效果。如繼電器長期工作在高溫狀態(tài)下（40C80C）時，用戶可根據(jù)廠家提供 的最大輸出電流與環(huán)境溫度曲線數(shù)據(jù)，考慮降額使用來保證

16、正常工作。D 過流、過壓保護措施，在繼電器使用時，因過流和負(fù)載短路會造成SSR內(nèi)部輸出可控硅永久損壞，可考慮在控制回路中增加快速熔斷器和空氣開關(guān)予 以保護型（選擇繼電器應(yīng)選擇產(chǎn)品輸出保護，內(nèi)置壓敏電阻吸收回路和 RC 緩沖器, 可吸收浪涌電壓和提高 dv/dt 耐量）；也可在繼電器輸出端并接 RC 吸收回路和 壓敏電阻（MOV來實現(xiàn)輸出保護。選用原則是 220V 選用 500V-600V 壓敏電阻， 380V 時可選用800V-900V 壓敏電阻。E 繼電器輸入回路信號，在使用時因輸入電壓過高或輸入電流過大超出其 規(guī)定的額定參數(shù)時，可考慮在輸入端串接分壓電阻或在輸入端口并接分流電阻 以使輸入信

17、號不超過其額定參數(shù)值。在具體使用時，控制信號和負(fù)載電源要求穩(wěn)定，波動不應(yīng)大于 10%否則應(yīng) 米取穩(wěn)壓措施。在安裝使用時應(yīng)遠(yuǎn)離電磁干擾，射頻干擾源，以防繼電器誤動失控。固態(tài)繼電器開路且負(fù)載端有電壓時，輸出端會有一定的漏電流，在使用或設(shè) 計時應(yīng)注意。固態(tài)繼電器失效更換時，應(yīng)盡量選用原型號或技術(shù)參數(shù)完全相同的產(chǎn)品，以 便與原應(yīng)用線路匹配，保證系統(tǒng)的可靠工作繼電器測試與故障判斷以上儀廠使用的固態(tài)繼電器為例，其外部接線見圖2（1）當(dāng)觸發(fā)端 DO 與 D1 、D2 之間沒有加控制電壓時，測量輸入端電阻，如電 阻小于 40 Q 或大于幾千 Q 時，均說明該繼電器控制性能不良，最好不要使用, 否則會導(dǎo)致執(zhí)行器

18、電機轉(zhuǎn)速不穩(wěn)或變慢等故障 （2）在觸發(fā)端不加控制電壓，用數(shù)字萬用表測量繼電器三相輸人端與輸出端的 電阻，如測得數(shù)值在數(shù) kQ 以下或電阻很小，或用數(shù)字萬用表測量繼電器輸入 端與輸入端、 輸出端與輸出端及與散熱板之間的電阻， 測得電阻在數(shù)拾 MQ 或 k Q 以下，說明繼電器已損壞，不能再使用。這時若執(zhí)行送電操作，執(zhí)行機構(gòu)電源 回路就會燒保險絲或跳空氣開關(guān)。（3）如在觸發(fā)端 D0 與 D1 、D2 之問加上控制電壓， 紅燈與綠燈二個指示燈同 時亮，且輸入與輸出端之間不導(dǎo)通， 那么該繼電器模塊的觸發(fā)電路已損壞， 不能 再使用。這時進行執(zhí)行機構(gòu)操作會無反應(yīng)。（4）在觸發(fā)端 D0 與 D1 、D2 之

19、間分別加上控制電壓時， 指示燈紅燈或綠燈亮， 用數(shù)字萬用表測量繼電器三相輸入端與輸出端的電阻在數(shù) k 以上，或電阻一直 變化不定，說明該繼電器模塊性能不良，也會造成電機速度變慢、不穩(wěn)等故障， 盡量不要再使用。（5）在執(zhí)行器通電且不發(fā)指令，固態(tài)繼電器開路且前端有電壓時，輸出端會有一定的漏電流，但 10A 以上的 SSR 漏電流對 50w 以上功率的負(fù)載基本無影響，需注意選型時應(yīng)注意事項（1） 因電動執(zhí)行器操作頻繁， 宜選用過零型繼電器， 可延長負(fù)載和繼電器壽命，也可減小自身的射頻干擾。（2） 許多被控負(fù)載在接通瞬間會產(chǎn)生很大的浪涌電流，由于熱量來不及散發(fā)， 很可能使 SSR 內(nèi)部可控硅損壞，所以

20、在選用繼電器時應(yīng)對被控負(fù)載的浪涌特性 進行分析，然后再選擇繼電器。 使繼電器在保證穩(wěn)態(tài)工作前提下能夠承受這個浪 涌電流，選擇時可選用 02 的降額系數(shù)（常溫下）。如所選用的繼電器需在動 作頻繁、壽命及可靠性要求高的場合工作時， 則應(yīng)在 0 2 的基礎(chǔ)上再乘以 06以確保工作可靠。（3） 繼電器使用時，因過流和負(fù)載短路會造成 SSR 內(nèi)部輸出可控硅永久損壞， 可考慮在控制回路中增加快速熔斷器和空氣開關(guān)予以保護。 當(dāng)加在固態(tài)繼電器上 的電壓峰值超過 SSR 所能承受的最高電壓峰值時，固態(tài)繼電器元件會被電壓擊 穿而造成損壞，因此應(yīng)選擇有輸出保護的產(chǎn)品， 內(nèi)置壓敏電阻吸收回路和 RC 緩沖器可吸收浪涌電壓和