- 固態(tài)繼電器的分類(lèi)與工作原理
- 固態(tài)繼電器選型使用時(shí)應注意事項
- 良好的散熱條件
- 控制信號和負載電源要求穩定
- 安裝使用時(shí)應遠離電磁干擾
1.什么是固態(tài)繼電器，有什么優(yōu)缺點(diǎn)？
固態(tài)繼電器（亦稱(chēng)固體繼電器）英文名稱(chēng)為SolidStateRelay，簡(jiǎn)稱(chēng)SSR。它是用半導體器件代替傳統電接點(diǎn)作為切換裝置的具有繼電器特性的無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)器件，單相SSR為四端有源器件，其中兩個(gè)輸入控制端，兩個(gè)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)轉變成通態(tài)。
固態(tài)繼電器工作可靠，壽命長(cháng)，無(wú)噪聲，無(wú)火花，無(wú)電磁干擾，開(kāi)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動(dòng)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(diǎn)組數少，另外過(guò)電流、過(guò)電壓及電壓上升率、電流上升率等指標差。
2.固態(tài)繼電器可應用于哪些場(chǎng)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，數控機械，遙控系統、工業(yè)自動(dòng)化裝置；信號燈、閃爍器、照明舞臺燈光控制系統；儀器儀表、醫療器械、復印機、自動(dòng)洗衣機；自動(dòng)消防，保安系統，以及作為電網(wǎng)功率因素補償的電力電容的切換開(kāi)關(guān)等等，另外在化工、煤礦等需防爆、防潮、防腐蝕場(chǎng)合中都有大量使用。
3.固態(tài)繼電器可分為哪些類(lèi)型？
交流固態(tài)繼電器按開(kāi)關(guān)方式分有電壓過(guò)零導通型（簡(jiǎn)稱(chēng)過(guò)零型）和隨機導通型（簡(jiǎn)稱(chēng)隨機型）；按輸出開(kāi)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(xiàn)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。
4.過(guò)零型SSR與隨機型SSR在用途上有什么區別？
過(guò)零型SSR用作“開(kāi)關(guān)”切換（從“開(kāi)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)繼電器多數都為過(guò)零型（過(guò)零型SSR只能“開(kāi)關(guān)”不能“調壓”）。
隨機型SSR主要用于“斬波調壓”（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°范圍內改變的方波信號時(shí)才能實(shí)現調壓，單一電壓信號或0-5V的模擬信號并不能使其調壓，從“調壓”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(diǎn)必須強調，各類(lèi)調壓模塊或固態(tài)繼電器內部作為輸出觸點(diǎn)的器件均為可控硅，且都是依靠改變可控硅導通角來(lái)達到“調壓”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”（國內外同類(lèi)產(chǎn)品均相同，這是由斬波調壓原理決定的）。
固態(tài)繼電器的分類(lèi)與工作原理
固態(tài)繼電器(SolidStateRelays,縮寫(xiě)SSR)是一種無(wú)觸點(diǎn)電子開(kāi)關(guān)，由分立元器件、膜固定電阻網(wǎng)絡(luò )和芯片，采用混合工藝組裝來(lái)實(shí)現控制回路(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(shí)現負載的通斷切換功能，內部無(wú)任何可動(dòng)部件。盡管市場(chǎng)上的固態(tài)繼電器型號規格繁多，但它們的工作原理基本上是相似的。主要由輸入(控制)電路，驅動(dòng)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(gè)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(gè)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(xiàn)性的正向變化。恒流輸入電路，在輸入電壓達到一定值時(shí)，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)繼電器的驅動(dòng)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(guò)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(guò)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(shí)現固態(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(shí)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(chǎng)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(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)，利用電子組件（如開(kāi)關(guān)三極管、雙向可控硅等半導體組件）的開(kāi)關(guān)特性，達到無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)火花、而能接通和斷開(kāi)電路的目的，因此又被稱(chēng)為“無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)”。相對于以往的“線(xiàn)圈—簧片觸點(diǎn)式”繼電器(ElectromechanicalRelay,EMR)，SSR沒(méi)有任何可動(dòng)的機械零件，工作中也沒(méi)有任何機械動(dòng)作，具有超越EMR的優(yōu)勢，如反應快、可靠度高、壽命長(cháng)（SSR的開(kāi)關(guān)次數可達108"109次，比一般EMR的106高出百倍）、無(wú)動(dòng)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(diǎn)使SSR在軍事、化工、和各種工業(yè)民用電控設備中均有廣泛應用。
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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(shí)交流型的SSR采用過(guò)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(huì )像EMR那樣產(chǎn)生一系列對計算機的干擾，甚至會(huì )導致嚴重當機。比較常用的是DIP封裝的型式?？刂齐妷汉拓撦d電壓按使用場(chǎng)合可以分成交流和直流兩大類(lèi)，因此會(huì )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(kāi)關(guān)，不能混用.
按負載電源的類(lèi)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(kāi)關(guān)器件，用來(lái)接通或斷開(kāi)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(guò)零觸發(fā)型和隨機導通型兩種。過(guò)零觸發(fā)型AC—SSR是當控制信號輸入后，在交流電源經(jīng)過(guò)零電壓附近時(shí)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(guò)零觸發(fā)型AC—SSR為四端器件，其內部電路如圖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(kāi)，V1構成反相器，R4、R5、V2和晶閘管V3組成過(guò)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(kāi)啟的雙向觸發(fā)脈沖，R3、R7為分流電阻，分別用來(lái)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(kāi)關(guān)電路產(chǎn)生沖擊或干擾。
要指出的是所謂“過(guò)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區域內進(jìn)行觸發(fā)，如圖2所示。圖中交流電壓分三個(gè)區域，Ⅰ區為-10V～+10V范圍，稱(chēng)為死區，在此區域中加入輸入信號時(shí)不能使SSR導通。Ⅱ區為10～25V和-(10～25)V范圍，稱(chēng)為響應區，在此區域內只要加入輸入信號，SSR立即導通。Ⅲ區為幅值大于25V的范圍，稱(chēng)為抑制區在此區域內加入輸入信號，SSR的導通被抑制。
當輸入端未加電壓信號時(shí)，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(wú)觸發(fā)電壓而截止，此時(shí)SSR關(guān)閉。當加入輸入信號時(shí)，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(shí)若V3兩端電壓在-(10～25)V或10～25V范圍內時(shí)，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Ⅲ區內時(shí)，則因V2飽和而抑制V3和V4的導通，而使SSR被抑制，從而實(shí)現了過(guò)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(guò)零電壓粗略地定義為0～±25V，即認為在此區域內，只要加入輸入信號，過(guò)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(shí)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(shí)，SSR才轉為截止。
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(dòng)機一類(lèi)的感性負載，則其靜態(tài)電壓上升率dv/dt是一個(gè)重要參數。由于單向晶閘管靜態(tài)電壓上升率(200V/μs)大大高于雙向晶閘管的換向指標(10V/μs)，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(chēng)為增強型SSR。
選型使用時(shí)應注意事項
在選用小電流規格印刷電路板使用的固態(tài)繼電器時(shí)，因引線(xiàn)端子為高導熱材料制成,焊接時(shí)應在溫度小于250℃、時(shí)間小于10S的條件下進(jìn)行，如考慮周?chē)鷾囟鹊脑?，必要時(shí)可考慮降額使用，一般將負載電流控制在額定值的1/2以?xún)仁褂谩?br />
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(huì )產(chǎn)生很大的浪涌電流，由于熱量來(lái)不及散發(fā)，很可能使SSR內部可控硅損壞,所以用戶(hù)在選用繼電器時(shí)應對被控負載的浪涌特性進(jìn)行分析,然后再選擇繼電器。使繼電器在保證穩態(tài)工作前提下能夠承受這個(gè)浪涌電流，選擇時(shí)可參考表2各種負載時(shí)的降額系數(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(chǎng)合工作時(shí)，則應在表2的基礎上再乘以0.6以確保工作可靠。
一般在選用時(shí)遵循上述原則，在低電壓要求信號失真小可選用采用場(chǎng)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感性負載，可選用過(guò)零型繼電器，這樣可延長(cháng)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(shí)，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(guò)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(fēng)扇強冷。在安裝時(shí)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(cháng)期工作在高溫狀態(tài)下(40℃~80℃)時(shí)，用戶(hù)可根據廠(chǎng)家提供的最大輸出電流與環(huán)境溫度曲線(xiàn)數據，考慮降額使用來(lái)保證正常工作。
D過(guò)流、過(guò)壓保護措施，在繼電器使用時(shí)，因過(guò)流和負載短路會(huì )造成SSR內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(kāi)關(guān)予以保護型(選擇繼電器應選擇產(chǎn)品輸出保護,內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(lái)實(shí)現輸出保護。選用原則是220V選用500V-600V壓敏電阻，380V時(shí)可選用800V-900V壓敏電阻。
E繼電器輸入回路信號，在使用時(shí)因輸入電壓過(guò)高或輸入電流過(guò)大超出其規定的額定參數時(shí),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(guò)其額定參數值。
在具體使用時(shí),控制信號和負載電源要求穩定，波動(dòng)不應大于10%，否則應采取穩壓措施。
在安裝使用時(shí)應遠離電磁干擾,射頻干擾源，以防繼電器誤動(dòng)失控。
固態(tài)繼電器開(kāi)路且負載端有電壓時(shí),輸出端會(huì )有一定的漏電流，在使用或設計時(shí)應注意。
固態(tài)繼電器失效更換時(shí),應盡量選用原型號或技術(shù)參數完全相同的產(chǎn)品，以便與原應用線(xiàn)路匹配，保證系統的可靠工作
