交流固態(tài)繼電器設(shè)計(jì)

1、1. 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)1.1 簡(jiǎn)介 由于固態(tài)繼電器是由固體元件組成的無觸點(diǎn)開關(guān)元件,所以與電磁繼電器相比具有工作可靠、無噪聲、無火花、壽命長(zhǎng),對(duì)外界干擾小,能與邏輯電路兼容、抗干擾能力強(qiáng)、靈敏度高、開關(guān)速度快和使用方便等一系列優(yōu)點(diǎn),因而具有很寬的應(yīng)用領(lǐng)域,有逐步取代傳統(tǒng)電磁繼電器之勢(shì),另外，ssr成功地實(shí)現(xiàn)了弱信號(hào)(vsr)對(duì)強(qiáng)電(輸出端負(fù)載電壓)的控制。由于光耦合器的應(yīng)用，使控制信號(hào)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(shí)現(xiàn)直接聯(lián)接。這使ssr在數(shù)控和自控設(shè)備等方面得到廣泛應(yīng)用。交流型ssr由于采用過零觸發(fā)技術(shù)，因而可

2、以使ssr安全地用在計(jì)算機(jī)輸出接口上，不必為在接口上采用mer而產(chǎn)生的一系列對(duì)計(jì)算機(jī)的干擾而煩惱。因此可進(jìn)一步擴(kuò)展到傳統(tǒng)電磁繼電器無法應(yīng)用的計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域。此外，ssr還有能承受在數(shù)值上可達(dá)額定電流十倍左右的浪涌電流的特點(diǎn)。1.2交流固態(tài)繼電器原理、方案選擇交流固態(tài)繼電器由三部分組成：輸入電路、隔離（耦合）和輸出電路組成，按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(fù)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。導(dǎo)通類型有過零導(dǎo)通和過零關(guān)斷兩種，本文文介紹的是電壓

3、過零導(dǎo)通型（簡(jiǎn)稱過零型）。下圖是交流固態(tài)繼電器的工作原理框圖。圖1圖中的部件-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

4、入信號(hào)電平相匹配，在使用可直接與計(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”。其作用是指當(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

5、阻器)。2. 單元電路設(shè)計(jì)2.1耦合電路光電耦合器運(yùn)用廣泛，下面是一個(gè)典型電路圖。 圖2 光耦合電路當(dāng)電源接通后，led不發(fā)光。按下s2，led會(huì)發(fā)光。調(diào)rp，led的發(fā)光強(qiáng)度會(huì)發(fā)生變化，說明光電耦合器是好的。其中發(fā)光二極管（led）是一種由磷化鎵（gap）等半導(dǎo)體材料制成的、能直接將電能轉(zhuǎn)變成光能的發(fā)光顯示器件。當(dāng)其內(nèi)部有一定電流通過時(shí)，它就會(huì)發(fā)光。發(fā)光二極管也與普通二極管一樣由pn結(jié)構(gòu)成，也具有單向?qū)щ娦?。它廣泛應(yīng)用于各種電子電路、家電、儀器等設(shè)備中、作電源指示或電平指示。2.2觸發(fā)電路和過零控制電路觸發(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)電路工作。其電路圖如下：圖3該部分電路主要

6、由三極管、單向可控硅及電橋構(gòu)成。其中三極管最基本的作用是放大作用，它可以把微弱的電信號(hào)變成一定強(qiáng)度的信號(hào)，當(dāng)然這種轉(zhuǎn)換仍然遵循能量守恒，它只是把電源的能量轉(zhuǎn)換成信號(hào)的能量罷了。三極管有一個(gè)重要參數(shù)就是電流放大系數(shù)。當(dāng)三極管的基極上加一個(gè)微小的電流時(shí)，在集電極上可以得到一個(gè)是注入電流倍的電流，即集電極電流。集電極電流隨基極電流的變化而變化，并且基極電流很小的變化可以引起集電極電流很大的變化，這就是三極管的放大作用。 可控硅(scr)也稱作晶閘管，它是由pnpn四層半導(dǎo)體構(gòu)成的元件，有三個(gè)電極，陽極a，陰極k和控制極g 。可控硅在電路中能夠?qū)崿F(xiàn)交流電的無觸點(diǎn)控制，以小電流控制大電流，并且不象繼電器

7、那樣控制時(shí)有火花產(chǎn)生，而且動(dòng)作快、壽命長(zhǎng)、可靠性好。在調(diào)速、調(diào)光、調(diào)壓、調(diào)溫以及其他各種控制電路中都有它的身影?？煽毓璧姆?hào)如下圖所示。圖4 可控硅的符號(hào)要使可控硅導(dǎo)通，必須同時(shí)具備兩個(gè)條件：1 可控硅加上正向陽極電壓。2 加上適當(dāng)?shù)恼蚩刂齐妷??？煽毓鑼?dǎo)通后，控制電壓就失去作用，如果要是其關(guān)斷，必須把正向陽極電壓降低到一定數(shù)值.斷開或反向才能實(shí)現(xiàn)。雙向可控硅(bta)的引腳多數(shù)是按t1、t2、g的順序從左至右排列。加在控制極g上的觸發(fā)脈沖的大小或時(shí)間改變時(shí)，就能改變其導(dǎo)通電流的大小。雙向可控硅g極上觸發(fā)脈沖的極性改變時(shí)，其導(dǎo)通方向就隨著極性的變化而改變，從 而能夠控制交流電負(fù)載。而單向可控硅

8、經(jīng)觸發(fā)后只能從陽極向陰極單方向?qū)ǎ钥煽毓栌袉坞p向之分。2.3開關(guān)電路與吸收電路它的電路如下：圖5開關(guān)電路是由雙向可控硅(bta)構(gòu)成的?？煽毓璺謫蜗蚩煽毓?、雙向可控硅。單向可控硅有陽極a、陰極k、控制極g三個(gè)引腳。雙向可控硅有第一陽極a1（t1），第二陽極a2（t2）、控制極g三個(gè)引腳。只有當(dāng)單向可控硅陽極a與陰極k之間加有正向電壓，同時(shí)控制極g與陰極間加上所需的正向觸發(fā)電壓時(shí)，方可被觸發(fā)導(dǎo)通。此時(shí)a、k間呈低阻導(dǎo)通狀態(tài)，陽極a與陰極k間壓降約為1v。單向可控硅導(dǎo)通后，控制極g即使失去觸發(fā)電壓，只要陽極a和陰極k之間仍保持正向電壓，單向可控硅繼續(xù)處于低阻導(dǎo)通狀態(tài)。只有把陽極a電壓撤除或陽

9、極a、陰極k之間電壓極性發(fā)生改變（交流過零）時(shí)，單向可控硅才由低阻導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)換為高阻截止?fàn)顟B(tài)。單向可控硅一旦截止，即使陽極a和陰極間又重新加上正向電壓，仍需在控制極g和陰極k之間重新加上正向觸發(fā)電壓方可導(dǎo)通。單向可控硅的導(dǎo)通與截止?fàn)顟B(tài)相當(dāng)于形成的閉合和斷開狀態(tài)，用它可制成無觸點(diǎn)開關(guān)。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)。電路圖為一電阻與一電容串聯(lián)。3.系統(tǒng)完整電路圖及原理說明3.1系統(tǒng)完整電路圖圖6 交流固態(tài)繼電器實(shí)物圖 圖7 整體電路圖3.2工作原理如上圖7所示，在輸

10、入電路控制端加入信號(hào)后，ic1光電耦合器內(nèi)光敏三極管呈導(dǎo)通狀態(tài)，r1串接電阻對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行限流，以保證光耦合器不致?lián)p壞。led發(fā)光二極管指示輸入端控制信號(hào)，vd1可防止當(dāng)輸入信號(hào)正負(fù)極性接反時(shí)以保護(hù)光耦ic1。 v1 在線路中起到交流電壓檢測(cè)作用，使固態(tài)繼電器在電壓過零時(shí)開啟、負(fù)載電流過零時(shí)關(guān)斷。當(dāng)ic1光敏三極管截止時(shí)(控制端無信號(hào)輸入時(shí))，v1通過r2獲得基極電流使之飽和導(dǎo)通,從而使 scr可控硅門極觸發(fā)電壓ugt被箝在低電位而處于關(guān)斷狀態(tài)，最終導(dǎo)致bta雙向可控硅在門極控制端r6上無觸發(fā)脈沖而處于關(guān)斷狀態(tài)。 當(dāng)ic1光敏三極管導(dǎo)通時(shí)( 控制端有信號(hào)輸入時(shí)) ，scr可控硅的工作狀態(tài)由交流

11、電壓零點(diǎn)檢測(cè)三極管v1來確定其工作狀態(tài) 。如電源電壓經(jīng)r2與r3分壓，a處電壓大于過零電壓時(shí)(vavbe1)，v1處飽和導(dǎo)通狀態(tài)，scr、bta可控硅都處于關(guān)斷狀態(tài)；如電源電壓經(jīng)r2 與r3分壓，a處電壓小于過零電壓時(shí)（vavbe1）v1處截止?fàn)顟B(tài)，scr可控硅通過r4獲得觸發(fā)信號(hào)而導(dǎo)通 ,從而使 bta在r6上也獲得觸發(fā)信號(hào)也呈導(dǎo)通狀態(tài),對(duì)負(fù)載電源進(jìn)行關(guān)斷控制。如此時(shí)控制端信號(hào)關(guān)斷后,負(fù)載電流也隨之減小至bta雙向可控硅的維持電流ih時(shí)可 自行關(guān)斷,切斷負(fù)載電源。 交流過零型固態(tài)繼電器，因有其電壓過零時(shí)開啟，負(fù)載電流過零時(shí)關(guān)斷的特性。它的最大接通、關(guān)斷時(shí)間是半個(gè)電源周期，在負(fù)載上可得到一個(gè)完

12、整的正弦波形。也相應(yīng)的減少了對(duì)負(fù)載的沖擊。而在相應(yīng)的控制回路中產(chǎn)生的射頻干擾也大大減少。 圖8如圖8a所示為穩(wěn)定的阻性負(fù)載，為了防止輸入電壓超過額定值，需設(shè)置一限流電阻rx；當(dāng)負(fù)載為非穩(wěn)定性負(fù)載或感性負(fù)載時(shí)，在輸出回路中還應(yīng)附加一個(gè)瞬態(tài)抑制電路，如圖8b所示，目的是保護(hù)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(，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)上升率dv/dt。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，建議用戶根據(jù)負(fù)載的有關(guān)參數(shù)和環(huán)境條件，認(rèn)真計(jì)算和試驗(yàn)rc回路的選值。另一個(gè)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(yīng)按下式

13、計(jì)算： imov=(vmax-vmov)/zs 其中zs為負(fù)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(biāo)稱電壓，對(duì)于常規(guī)的220v和380v的交流電源，推薦的壓敏電阻的標(biāo)稱電壓值分別為440-470v和760-810v。在交流感性負(fù)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(shí)驗(yàn)表明，rc吸收回路，特別是并聯(lián)在ssr輸出端的rc吸收回路，如果和感性負(fù)載組合不當(dāng)，容易導(dǎo)致振蕩，在負(fù)載電源上電或繼電器切換時(shí)，加大繼電器輸出端的瞬變電壓峰值，增大ssr誤導(dǎo)通的可能性，所以，對(duì)具體應(yīng)用電路應(yīng)先進(jìn)行試驗(yàn)，選用合適的rc參數(shù)，甚至

14、有時(shí)不用rc吸收電路更有利。 對(duì)于容性負(fù)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(gè)具有高磁導(dǎo)率的軟化磁芯的電感器加以限制。通常ssr均設(shè)計(jì)為“常開”狀態(tài)，即無控制信號(hào)輸入時(shí)，輸出端是開路的，但在自動(dòng)化控制設(shè)備中經(jīng)常需要“常閉”式的ssr，這時(shí)可在輸入端外接一組簡(jiǎn)單的電路，如圖8c所示，這時(shí)即為常閉式ssr。通常ssr均設(shè)計(jì)為“常開”狀態(tài)，即無控制信號(hào)輸入時(shí)，輸出端是開路的，但在自動(dòng)化控制設(shè)備中經(jīng)常需要“常閉”式的ssr，這時(shí)可在輸入端外接一組簡(jiǎn)單的電路，如圖8c所示，這

15、時(shí)即為常閉式ssr。此外，運(yùn)用該交流固態(tài)繼電器還能設(shè)計(jì)多功能控制電路,圖9a為多組輸出電路，當(dāng)輸入為“0”時(shí)，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(dāng)輸入為“1”時(shí)，三極管bg導(dǎo)通，ssr1、ssr2、ssr3的輸入端有輸入電壓，各自的輸出端接通，因而達(dá)到了由一個(gè)輸入端口控制多個(gè)輸出端“通”、“斷”的目的。圖9b為單刀雙擲控制電路，當(dāng)輸入為“0”時(shí)，三極管bg截止，ssr1輸入端無輸入電壓，輸出端斷開，此時(shí)a點(diǎn)電壓加到ssr2的輸入端上(ua-udw應(yīng)使ssr2輸出端可靠接通)，ssr2的輸出端接通；當(dāng)輸入為“1”時(shí)，三極管bg導(dǎo)通，ssr1輸入端有

16、輸入電壓，輸出端接通，此時(shí)a點(diǎn)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(dá)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(shí)，應(yīng)保證在導(dǎo)通的ssr1“+”端的電壓不會(huì)使ssr2導(dǎo)通，同時(shí)又要兼顧到ssr1截止時(shí)期“+”端的電壓能使ssr2導(dǎo)通)。圖94. 結(jié)論 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、通態(tài)壓降(小于2 v)、斷態(tài)漏電流(510ma)等的存在，易發(fā)熱損壞；截止時(shí)存在漏電阻，不能使電路完全分開；易受溫度和輻射的

17、影響，穩(wěn)定性差；靈敏度高，易產(chǎn)生誤動(dòng)作；在需要聯(lián)鎖、互鎖的控制電路中，保護(hù)電路的增設(shè)，使得成本上升、體積增大。因此，對(duì)于ssr具有的獨(dú)特性能，必須正確的理解和謹(jǐn)慎使用，方能發(fā)揮其獨(dú)特的性能，并確保ssr無故障的工作。5.附錄5.1元器件明細(xì)表元件特性數(shù)量位置220電阻4r1 r5r6r7330電阻3r2r3r4in4007二極管5vd1-vd50805發(fā)光二極管2led1-led22sk3265感光三極管1npn-photoc9014三極管1v1單向可控硅1scrtlc337a雙向可控硅1bta1uf電容1c1220k可變電阻1ru6.體會(huì)通過這次課程設(shè)計(jì)，我對(duì)感光三極管、晶閘管等器件有了更深

18、層次的理解，本次設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了交流固態(tài)繼電器的相關(guān)性能，因此對(duì)該交流繼電器電路有了更透徹的了解。在這次的設(shè)計(jì)的過程中也遇到了很多的困難，從選題到完成，時(shí)間很倉(cāng)促，這過程中出現(xiàn)過很多意想不到的問題，不但是經(jīng)過我的努力，問題已經(jīng)基本弄明白了。為了解決這些問題，我就去網(wǎng)上查看相關(guān)資料或者向老師同學(xué)請(qǐng)教。雖然這個(gè)設(shè)計(jì)存在很多的不足，但它帶給我的很多東西是重要的，這個(gè)過程必將在我的大學(xué)生活留下深刻的記憶，亦將對(duì)我以后的學(xué)習(xí)和工作產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。本設(shè)計(jì)主要涉及了交流固態(tài)繼電器中各部分的結(jié)構(gòu)、工作原理以及它們與外電路相連的方法和作用,設(shè)計(jì)中我對(duì)可控硅開關(guān)器件的性能至今仍有些不太肯定，它可能還可以和555定時(shí)器一起構(gòu)成性能更好的開關(guān)，因此還需要對(duì)它們進(jìn)行了解，由此我掌握了這些方面的很多知識(shí)，并且從某種程度上來說使我對(duì)硬件電路的整體設(shè)計(jì)有了更深層次的了解，學(xué)到了很多東西，為以后學(xué)習(xí)打下了良好的基礎(chǔ)。本次設(shè)計(jì)提高了我自己的設(shè)計(jì)和思考能力，對(duì)我以后的工作很有幫助。7.參考文獻(xiàn)1 張冠生電器理論基礎(chǔ)北京：機(jī)械工程出版社，19902 方鴻發(fā)低壓電器北京：機(jī)械工程出版社，19883 王季梅真空開關(guān)理論和應(yīng)用西安：西安交通大學(xué)