交流型固態(tài)繼電器的原理

交流型固態(tài)繼電器的原理

0半導(dǎo)體器件開關(guān)固體開關(guān)是一種新型的非接觸開關(guān)裝置，由固體電子組成。為了達(dá)到無接觸點(diǎn)和開孔功能，它被稱為“無接觸點(diǎn)開關(guān)”。固態(tài)繼電器是一種四端有源器件,其中兩個(gè)端子為輸入控制端,另外兩端為輸出受控端.它既有放大驅(qū)動(dòng)作用,又有隔離作用,很適合驅(qū)動(dòng)大功率開關(guān)式執(zhí)行機(jī)構(gòu),較之電磁繼電器可靠性更高,且無觸點(diǎn)、壽命長(zhǎng)、速度快,對(duì)外界的干擾也小,已被得到廣泛應(yīng)用。1邏輯耦合電路SSR按使用場(chǎng)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(fù)載的開關(guān),不能混用。下面以交流型的SSR為例來說明它的工作原理,圖1是它的工作原理框圖,圖1中的部件①～④構(gòu)成交流SSR的主體,從整體上看,SSR只有兩個(gè)輸入端(A和B)及兩個(gè)輸出端(C和D),是一種四端器件。工作時(shí)只要在A、B上加上一定的控制信號(hào),就可以控制C、D兩端之間的“通”和“斷”,實(shí)現(xiàn)“開關(guān)”的功能,其中耦合電路的功能是為A、B端輸入的控制信號(hào)提供一個(gè)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(duì)輸入端的影響,耦合電路用的元件是“光耦合器”,它動(dòng)作靈敏、響應(yīng)速度高、輸入/輸出端間的絕緣(耐壓)等級(jí)高;由于輸入端的負(fù)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(hào)電平相匹配,在使用時(shí)可直接與計(jì)算機(jī)輸出接口相接,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(hào),驅(qū)動(dòng)開關(guān)電路④工作,但由于開關(guān)電路在不加特殊控制電路時(shí),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(shè)“過零控制電路”。所謂“過零”是指,當(dāng)加入控制信號(hào),交流電壓過零時(shí),SSR即為通態(tài);而當(dāng)斷開控制信號(hào)后,SSR要等待交流電的正半周與負(fù)半周的交界點(diǎn)(零電位)時(shí),SSR才為斷態(tài)。這種設(shè)計(jì)能防止高次諧波的干擾和對(duì)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(duì)開關(guān)器件雙向可控硅管的沖擊和干擾(甚至誤動(dòng)作)而設(shè)計(jì)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)。2交流型ssr的特點(diǎn)(1)SSR內(nèi)部無機(jī)械部件,結(jié)構(gòu)上采用了灌注全密封方式,因此,SSR具有耐振、耐腐蝕、長(zhǎng)壽命及高可靠等優(yōu)點(diǎn),其開關(guān)壽命高達(dá)1010次;(2)低噪聲:交流型SSR采用了過零觸發(fā)技術(shù),因此在線路上有效地降低了電壓上升速率dv/dt和電流上升速率di/dt值,使SSR長(zhǎng)期工作時(shí)對(duì)市電的干擾極小;(3)開關(guān)時(shí)間短,約為10ms,可應(yīng)用在頻率較高的場(chǎng)合;(4)輸入電路與輸出電路之間采用光電隔離,絕緣電壓2500V以上;(5)輸入功耗很低,與TTL,COMS電路兼容;(6)輸出端有保護(hù)電路;(7)負(fù)載能力強(qiáng)。3隨機(jī)開啟型固態(tài)繼電器分為直流負(fù)載適配的單向直流固態(tài)繼電器(DCSSR)和交流負(fù)載適配的雙向直流固態(tài)繼電器(ACSSR)。ACSSR又有過零觸發(fā)器(Z型)和調(diào)相型(P型)之分。其中,ACSSR中的過零型(Z型)具有零電壓開啟、零電流關(guān)斷特性;而隨機(jī)開啟型(P型)具有快速開啟性能。圖2為這兩種ACSSR組成方框圖。SSR通常要有保護(hù)電路,常用快速熔斷絲和空氣開關(guān)作為過流保護(hù)措施。過壓保護(hù)可用壓敏電阻,其閥值可按電源電壓有效值的1.6倍～1.9倍選取。對(duì)于隨機(jī)開啟型交流固態(tài)繼電器,在其輸入端加上合適的控制信號(hào)VI時(shí),輸出端立即導(dǎo)通,只有在VI撤消后,當(dāng)負(fù)載電流低于雙向可控硅的維持電流時(shí)輸出才關(guān)斷。隨機(jī)型交流固態(tài)繼電器帶動(dòng)大功率負(fù)載時(shí),有可能對(duì)電網(wǎng)造成污染,并導(dǎo)致局域供電系統(tǒng)發(fā)生波形畸變。而對(duì)于過零型交流固態(tài)繼電器來說,在其輸入端加上控制電壓后,有等到交流電壓過零時(shí)才能導(dǎo)通,所以有可能造成最大半個(gè)市電周期的延遲,如50Hz的市電,最大延遲為10ms。4固體戚繼光的應(yīng)用4.1動(dòng)ssr的開關(guān)電路由于SSR的輸入電路與TTL,COMS電路相兼容,所以其輸入控制十分方便,任何可以給出TTL電平的開關(guān)電路都可以用來驅(qū)動(dòng)SSR,例如,晶體管開關(guān)電路、按鍵開關(guān)電路及各種采用+5V工作電源的TTL或COMS數(shù)字邏輯芯片。如圖3所示。(1)圖3(a)中輸入端4接地電平,輸入端3接控制信號(hào),控制信號(hào)為高電平,則SSR導(dǎo)通,控制信號(hào)為低電平則SSR關(guān)斷。(2)圖3(b)中輸入端3接正電源,輸入端4接控制信號(hào),控制信號(hào)為高電平,則SSR關(guān)斷,控制信號(hào)為低電平則SSR導(dǎo)通。4.2生產(chǎn)力負(fù)載ssr4.2.1ssr的電流用于低容量的負(fù)載時(shí)要注意固態(tài)繼電器的兩個(gè)特點(diǎn):(1)最小負(fù)載電流;(2)關(guān)斷狀態(tài)下電流。由圖4可見,SSR的內(nèi)部除輸入電路外,所有其他電路都由輸出端供電,即使在輸出端關(guān)斷的狀態(tài),SSR仍然會(huì)維持一個(gè)關(guān)斷狀態(tài)電流。所以為使負(fù)載有效地關(guān)斷,一般固態(tài)繼電器的開啟電流至少為關(guān)斷狀態(tài)電流的10倍。如果負(fù)載電流低于這個(gè)值,負(fù)載上需要并聯(lián)一個(gè)電阻,以提高繼電器的開啟電流。4.2.2靜態(tài)繼電器燒壞用于直流感應(yīng)負(fù)載時(shí),負(fù)載兩端必須并聯(lián)續(xù)流二極管,否則直流固態(tài)繼電器將可能被燒壞。這是由于SSR在關(guān)閉時(shí)的瞬間,通過電感式負(fù)載的電流不可能發(fā)生突變,電感兩端產(chǎn)生的感應(yīng)電壓可能超過直流SSR的最大耐壓值,使SSR燒壞,如圖5所示。4.2.3電壓式負(fù)載過流閥值電壓用于交流負(fù)載時(shí),必須采用ACSSR,此時(shí)同樣存在電感式負(fù)載在關(guān)斷時(shí)出現(xiàn)的感應(yīng)電壓過大,而可能燒壞SSR的問題,所以在其輸出端需要并聯(lián)上一個(gè)壓敏電阻,以保護(hù)SSR的安全。壓敏電阻的閥值電壓可以按電源電壓有效值的1.6倍～1.9倍選取,它不但為電感式負(fù)載的感應(yīng)電流提供一個(gè)通道,而且可以避免工頻電源夾雜的尖峰電壓施加在固態(tài)繼電器的輸出端上。我們知道,工頻市電中夾雜著很頻繁的尖峰電壓,雖然這些尖峰電壓,如圖6所示,在寬度上很窄,可其幅度高時(shí)可能達(dá)到上千伏。當(dāng)尖峰電壓的幅度超過了SSR的阻斷電壓,或尖峰的變化速度超過SSR在關(guān)閉狀態(tài)下的dv/dt特性時(shí),就會(huì)造成SSR在并沒有被選通的情況下開啟,這是在實(shí)際應(yīng)用中必須避免的誤動(dòng)作。4.2.4放電時(shí)di/dt值對(duì)于低阻抗的容性負(fù)載要確保不超過SSR的di/dt限制,如果沒有外加阻抗限制,放電時(shí)di/dt值在理論上可以為無窮大,顯然,這種情況對(duì)SSR和電路中的其它器件都是非常不利的。因此,必須選用“零壓”導(dǎo)通的SSR來限制di/dt值。4.2.5有浪費(fèi)涌電流過大的情況電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)往往有很大的啟動(dòng)電流,而在斷開時(shí)會(huì)產(chǎn)生很高的電壓。因此在用電機(jī)作為負(fù)載時(shí)一定要慎重選擇固態(tài)繼電器,以保證其在固態(tài)繼電器的浪涌電流的限額之內(nèi)。此外,電機(jī)可能在短時(shí)間內(nèi)反復(fù)啟動(dòng),對(duì)SSR的熱工作點(diǎn)有一定的影響以及電機(jī)轉(zhuǎn)子失速造成驅(qū)動(dòng)電流大于正常值等,所以必須選用安全系數(shù)很大的SSR或用保險(xiǎn)絲保護(hù)?？傊?固態(tài)繼電器具有獨(dú)特的特性,特別是在同機(jī)電設(shè)備、變壓器結(jié)合使用時(shí),不能像對(duì)待普通開關(guān)器件那樣,必須正確地理解和慎重使用才能發(fā)揮出優(yōu)于普通繼電器的功能。5聯(lián)鎖、互鎖由前述可以看到SSR的性能與電磁式繼電器相比有著很多的優(yōu)越性,特別易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的編程控制,因此使得控制的實(shí)現(xiàn)更加方便、靈活。但它也存在一些弱點(diǎn),如:導(dǎo)通電阻(幾Ω～幾十Ω)、通態(tài)壓降(小于2V)、斷態(tài)漏電流(5