固態(tài)繼電器介紹及工作原理

.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SolidStateRelay,簡稱SSR。它是用半導體器件代替?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SSR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)動大電流負載。主要不足是存在通態(tài)壓降（需相應散熱措施），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、電流上升率等指標差。.固態(tài)繼電器可應用于哪些場合？固態(tài)繼電器目前已廣泛應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。.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通型（簡稱過零型）和隨機導通型（簡稱隨機型）；按輸出開關(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（DC3—32V）的恒流源型和串電阻限流型等。.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)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（SolidStateRelays,縮寫SSR）是一種無觸點電子開關(guān)，由分立元器件、膜固定電阻網(wǎng)絡和芯片，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，這種繼電器可適用于相當寬的輸入電壓范圍。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－三極管、光－雙向可控硅、光－二極管陣列（光－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（SolidstateRelay,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，如反應快、可靠度高、壽命長（SSR的開關(guān)次數(shù)可達108”109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，甚至會導致嚴重當機。比較常用的是DIP封裝的型式。控制電壓和負載電壓按使用場合可以分成交流和直流兩大類，因此會有DC-AC、DC-DC、AC-AC、AC-DC四種型式，它們分別在交流或直流電源上做負載的開關(guān)，不能混用.按負載電源的類型不同可將SSR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)型和隨機導通型兩種。過零觸發(fā)型AC—SSR是當控制信號輸入后，在交流電源經(jīng)過零電壓附近時導通，故干擾很小。隨機導通型AC—SSR則是在交流電源的任一相位上導通或關(guān)斷，因此在導通瞬間可能產(chǎn)生較大的干擾。工作原理過零觸發(fā)型AC—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，R3、R7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，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10?25V或-(10?25)V區(qū)域內(nèi)進行觸發(fā)，如圖2所示。圖中交流電壓分三個區(qū)域，I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導通。II區(qū)為10?25V和-(10?25)V范圍，稱為響應區(qū)，在此區(qū)域內(nèi)只要加入輸入信號，SSR立即導通。III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的導通被抑制。當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SSR關(guān)閉。當加入輸入信號時，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-(10?25)V或10?25V范圍內(nèi)時，只要適當選擇分壓電阻R4和R5，就可使V2截止，這樣使V3觸發(fā)導通，從而使V4的控制極上得到從R6-UR-V3-UR-R7或反方向的觸發(fā)脈沖，而使V4導通，使負載接通交流電源。而若交流電壓波形在圖2中的HI區(qū)內(nèi)時，則因V2飽和而抑制V3和V4的導通，而使SSR被抑制，從而實現(xiàn)了過零觸發(fā)控制。由于10?25V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?±25V，即認為在此區(qū)域內(nèi)，只要加入輸入信號，過零觸發(fā)型AC—SSR都能導通。當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仍保持導通，直到負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的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。若負載為電動機一類的感性負載，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/HS)大大高于雙向晶閘管的換向指標(10V/HS),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，因引線端子為高導熱材料制成，焊接時應在溫度小于250℃、時間小于10S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，一般將負載電流控制在額定值的1/2以內(nèi)使用。各種負載浪涌特性對SSR的選擇,許多被控負載在接通瞬間會產(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對被控負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采用場效應管作輸出器件的直流固態(tài)繼器；如對交流阻性負載和多數(shù)感性負載，可選用過零型繼電器，這樣可延長負載和繼電器壽命，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)品應配散熱器，100A以上的產(chǎn)品應配散熱器加風扇強冷。在安裝時應注意繼電器底部與散熱器的良好接觸，并考慮涂適量導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(40℃~80℃)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。選用原則是竺上選用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，以使輸入信號不超過其額定參數(shù)值。在具體使用時，控制信號和負載電源要求穩(wěn)定，波動不應大于10%,否則應采取穩(wěn)壓措施。在安裝使用時應遠離電磁干擾,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)計時應注意。固態(tài)繼電器失效更換時,應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4OQ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，否則會導致執(zhí)行器電機轉(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kQ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DO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。(4)在觸發(fā)端DO與D1、D2之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以上功率的負載基本無影響，需注意選型時應注意事項(1)因電動執(zhí)行器操作頻繁，宜選用過零型繼電器，可延長負載和繼電器壽命，也可減小自身的射頻干擾。(2)許多被控負載在接通瞬間會產(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，所以在選用繼電器時應對被控負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0．2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，則應在0．2的基礎(chǔ)上再乘以0．6以確保工作可靠。(3)繼電器使用時，因過流和負載短路會造成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提高dv/dt承受力；也可在繼電器輸出端并接RC吸