固態(tài)繼電器原理及應(yīng)用電路

1、固態(tài)繼電器原理及應(yīng)用電路固態(tài)繼電器（SOLID STATE RELAYS）,簡寫成SSR ”，是一種全部由固態(tài)電子元件組成的新型無觸點開關(guān)器件，它利用電子元件（如開關(guān)三極管、雙向可控硅等半導(dǎo)體器件）的開關(guān)特性，可達(dá)到無觸點無火花地接通和斷開電路的目的，因此又被稱為無觸點開關(guān)”，它問世于70年代，由于它的無觸點工作特性，使其在許多領(lǐng)域的電控及計算機(jī)控制方面得到日益 廣范的應(yīng)用。一、固態(tài)繼電器的原理及結(jié)構(gòu)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(fù)載的開關(guān)，不能混精品資料下面以交流型的 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 -構(gòu)成交

2、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(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(yīng)速度高、 輸入/輸出端間的絕緣（耐壓）等級高；由于輸入端的負(fù)載是發(fā)光二極管，這使SSR的輸入端1”與0”的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(jī)輸出接口相接，即受邏輯電平控制。觸發(fā)

3、電路的功能是產(chǎn)生合乎要求的觸發(fā)信號，驅(qū)動開關(guān)電路工作， 但由于開關(guān)電路在不加特殊控制電路時，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，交流電壓過零時，SSR即為通態(tài)；而當(dāng)斷開控制信號后，SSR要等待交流電的正半周與負(fù)半周的交界點（零電位）時，SSR才為斷態(tài)。這種設(shè)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(guān)器件雙向可控硅管的沖擊和干擾（甚至誤動作）而設(shè)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）。圖2是一種典型的交流型 SSR的電原理 圖。直流型的SSR與交流型的SS

4、R相比，無過零控制電路，也不必設(shè)置吸收電路，開關(guān)器件一般用大功率開關(guān)三極管，其它工作原理相同。不過，直流型SSR在使用時應(yīng)注意：負(fù)載為感性負(fù)載時，如直流電磁閥或電磁鐵，應(yīng)在負(fù)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(yīng)等于工作電流，電壓應(yīng)大于工作電壓的4倍。SSR工作時應(yīng)盡量把它靠近負(fù)載，其輸出弓I線應(yīng)滿足負(fù)荷電流的需要。使用電源屬經(jīng)交流降壓整流所得的， 其濾波電解電容應(yīng)足夠大。圖4給出了幾種國內(nèi)、外常見的 SSR的外形。二、固態(tài)繼電器的特點SSR成功地實現(xiàn)了弱信號（Vsr）對強(qiáng)電（輸出端負(fù)載電壓）的控制。由于光耦合器的應(yīng)用， 使控制信號所需的功率極低 （約十余毫瓦就可正常工作），而且

5、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(shè)備等方面得到廣泛應(yīng)用。在相當(dāng)程度上可取代傳統(tǒng)的線圈一簧片觸點式”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(jī)械部件，工作中也沒有任何機(jī)械動作；SSR由電路的工作狀態(tài)變換實現(xiàn)通”和斷”的開關(guān)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(guān)次數(shù)可達(dá)108-109次，比一般 MER的106高幾百倍）；無動作噪聲；耐振耐機(jī)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

6、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(shè)備的應(yīng)用中大顯身手， 具有超越MER的技術(shù)優(yōu)勢。交流型SSR由于采用過零觸發(fā)技術(shù)，因而可以使SSR安全地用在計算機(jī)輸出接口上，不必為在接口上采用 MER而產(chǎn)生的一系列對計算機(jī)的干擾而煩惱。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。表1參數(shù)名稱(單位)參數(shù)值最小典型最大輸入端直流控制電壓(V)3.214輸入電流(mA)20接通電壓(V)3.2關(guān)斷電壓(V)1.5反極向保護(hù)電壓(V)15絕緣電阻(Q)109介質(zhì)耐壓

7、(V)1500輸出端額定輸出電壓(V)25250額定輸岀電流(A)10浪涌電流(A)100過零電壓(V)±5輸出壓降(V)2.0輸出漏電流(mA)10接通電間(mS )10關(guān)斷時間(mS)10工作頻率(Hz)4770功率損耗(W)1.5關(guān)斷dV/dt(V/200晶閘管結(jié)溫'C110工作溫度（C）-20+80三、主要參數(shù)與選用功率固態(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TTL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

8、可能使 “”電平低于0.8 V。如在噪聲很強(qiáng)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：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(fù)載的最大允許電壓有效值。如果受控負(fù)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(yīng)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(fù)載為感性時，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(yīng)高于負(fù)載電源電壓峰值的兩倍。如在

9、電源電壓為交流220V、一般的小功率非阻性負(fù)載的情況下，建議選用額定電壓為400V 600V的SSR產(chǎn)品；但對于頻繁啟動的單相或三相電機(jī)負(fù)載，建議選用 額定電壓為660V 800V的SSR產(chǎn)品。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(yīng)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非重復(fù)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

10、的1.5-5 倍 （一秒 ）。在選用時，如負(fù)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(dá)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(fù)載， SSR 應(yīng)按降額 50% 使用， 并且還應(yīng)加上適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)電路。 對于變壓器負(fù)載， 所選產(chǎn)品的額定電流必須高于負(fù)載工作電 流的兩倍。對于負(fù)載為感應(yīng)電機(jī)，所選 SSR 的額定電流值應(yīng)為電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)電流的 2 4 倍， SSR 的浪涌電流值應(yīng)為額定電流的 10 倍。固態(tài)繼電器對溫度的敏感性很強(qiáng)，工作溫度超過標(biāo)稱值后，必須降熱或外加散熱器，例 如額定電流為 10A 的 JGX10F

11、 產(chǎn)品，不加散熱器時的允許工作電流只有 10A 。四、應(yīng)用電路1、基本單元電路如圖 5a 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，在輸出回路中還應(yīng)附加一個瞬態(tài)抑制電路，如圖 5b 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 （例如： R=150 Q, C=0.5疔或R=39 Q, C=0.1疔），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)計電路時，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

12、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)按下式計算：lmov = (V max -V mov )/Z s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。但實驗表明，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，加大繼電器輸

13、出端的瞬變電壓峰值，增大SSR誤導(dǎo)通的可能性，所以，對具體應(yīng)用電路應(yīng)先進(jìn)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(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軟化磁芯的電感器加以限制。(di/dt)很大，可以在輸出端串聯(lián)一個具有高磁導(dǎo)率的通常SSR均設(shè)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(shè)備中經(jīng)常需要 常閉”式的SSR，這時可在輸入端外接一組簡單的電路，如圖 5c所示， 這時即為常閉式 SSR。2、多功能控制電路圖6a為多組輸出電路，當(dāng)輸入為0

14、”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(dāng)輸入為1 ”時，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(dāng)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(yīng)使SSR2輸出端可靠 接通）,SSR2的輸出端接通；當(dāng)輸入為 1 ”時，三極管BG導(dǎo)通，SSR1輸入端有輸入電壓， 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

15、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，應(yīng)保證在導(dǎo)通的 SSR1 +”端的電壓不會使 SSR2導(dǎo)通，同時又要兼顧到 SSR1截止時期+ ”端的電壓能使SSR2導(dǎo)通）。+l'ee輸人3、用計算機(jī)控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)的接口及驅(qū)動電路在換向控制時，正反轉(zhuǎn)之間的圖7計算機(jī)控制單相交流電機(jī)正反轉(zhuǎn)的接口及驅(qū)動電路,停滯時間應(yīng)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。>1.出圖7計算機(jī)控制單相交流電機(jī)正反

16、轉(zhuǎn)的接口及驅(qū)動電路為了限制電機(jī)換向時電容器的放電電流，應(yīng)在各回路中外加一只限流電阻Rx，其阻值 和功率可按下式計算:Rx=0.2 >A/p/Ir(Q), P=I m2Rx其中：Vp 電源峰值電壓（V） ； IR 固態(tài)繼電器額定電流（A） ； Im 電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)電流（A） ； P 限流電阻功率（W）圖 8 計算機(jī)控制三相交流電機(jī)正反轉(zhuǎn)的接口及驅(qū)動電路圖 8 計算機(jī)控制三相交流電機(jī)正反轉(zhuǎn)的接口及驅(qū)動電路， 圖中采用了 4 個與非門， 用二 個信號通道分別控制電動機(jī)的起動、 停止和正轉(zhuǎn)、 反轉(zhuǎn)。 當(dāng)改變電動機(jī)轉(zhuǎn)動方向時，給出指 令信號的順序應(yīng)是 “停止反轉(zhuǎn) 起動”或“停止正轉(zhuǎn) 起動”。延時電路的最小延時不小于 1.5 個交流電源周期。其中 RD1 、 RD2 、RD3 為熔斷器。當(dāng)電機(jī)允許時，可以在 R1-R4 位 置接入限流電阻， 以防止當(dāng)萬一兩線間的任意二只繼電器均誤接通時， 限制產(chǎn)生的半周線間 短路電流不超過繼電器所能承受的浪涌電流， 從而避免燒毀繼電器等事故， 確保安全性； 但 副作用是正常工作時電阻上將產(chǎn)生壓降和功耗。該電路建議采用額定電壓為 660 V 或更高 一點的 SSR 產(chǎn)品。五、結(jié)束語由前述可以看到 SSR 的性能與電磁式繼電器相比有著很多的優(yōu)越性，特別易于實現(xiàn)計 算機(jī)