固態(tài)繼電器及其在應用中一些問題的探討

1、固態(tài)繼電器及其在應用中一些問題的探討 固態(tài)繼電器（SOLIDSTATE 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器件，它利用電子元件（如開關三極管、雙向可 控硅等半導體器件）的開關特性，可達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”，它問世于 70 年代，由于它的無觸點工作特性，使 其在許多領域的電控及計算機控制方面得到日益廣范的應用。 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 流電源上做負載的開關，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

2、原理框 圖，圖 1 中的部件-構(gòu)成交流 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”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、響應速度高、輸入/輸出端間的絕緣（耐壓）等級高；由 于輸入端的負載是發(fā)光二極管，這使 SSR 的輸入端很容易做到與輸入信號電平 相

3、匹配，在使用可直接與計算機輸出接口相接，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， 驅(qū)動開關電路工作，但由于開關 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 過零控制電路”。所謂 過零”是指，當加入控制信號，交流電壓過零時， SSR即為通態(tài)；而當斷開控制信號后，SSR 要等待交流電的正半周與負半周的交 界點（零電位）時，SSR 才為斷態(tài)。這種設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）對開關器件雙向可 控硅管的沖擊和干擾（甚至誤動作）而設計的，一般是用 “RC串聯(lián)吸收電路或 非

4、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。 圖 2 直流型的 SSR 與交流型的 SSR 相比，無過零控制電路，也不必設置吸收 電路，開關器件一般用大功率開關三極管，其它工作原理相同。不過，直流型 SSR 在使用時應注意：負載為感性負載時，如直流電磁閥或電磁鐵，應在負載 兩端并聯(lián)一只二極管，極性如圖 3 所示，二極管的電流應等于工作電流，電壓應 大于工作電壓的 4倍。SSR 工作時應盡量把它靠近負載，其輸出引線應滿足負 荷電流的需要。使用電源屬經(jīng)交流降壓整流所得的，其濾波電解電容應足夠大。 嚴 * * IX *T tL | D 圖 3 圖 4 給出了幾種國內(nèi)、外常

5、見的 SSR 的外形 圖 4 二、固態(tài)繼電器的特點 SSR 成功地實現(xiàn)了弱信號（Vsr）對強電（輸出端負載電壓）的控制。由 于光耦合器的應用，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 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)控和自控設備等方面得到廣泛應用。在相當程度上可 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械 部件，工作中也沒有任何機械動作；SSR 由電路的工作狀態(tài)變換實現(xiàn) 通”和 斷” 的開關功能，沒有電接觸點，所以它有

6、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 的開關次數(shù)可達 108-109 次，比一般 MER 的 106 高幾百倍）；無動作噪聲；耐振耐機械沖擊；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)民用電控設備的應用中大顯身 手，具有超越 MER 的技術優(yōu)勢。 交流型 SSR 由于采用過零觸發(fā)技術，因而可以使 SSR 安全地用在計算機 輸出接口上，不必為在接口上采用 MER 而產(chǎn)生的一系列對

7、計算機的干擾而煩惱。 此外，SSR 還有能承受在數(shù)值上可達額定電流十倍左右的浪涌電流的特 點。 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，并盡可能使 “0”平低于 0.8 V。如 在噪聲很強的環(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

8、靈。 琴數(shù)暫禰岸位) 卷數(shù)值 典型 輸 扎 - 1 - 直流控制電壓加 了 Z0 接通電壓 3 2 關撕電壓輛 1.5 醫(yī)粧冋燥護電壓CVJ 15 絕竦電阻 W 105 介底血壓 0/) 1E00 出 JUJu. 額定輸出電壓 E5 解輸出電擁 10 混涌電流謝 100 15 霜出壓降(7) 2.0 輸出鳴電流血 10 接逋電何 GnS 10 共斷時間 Gs) 10 工作頻率 47 70 功率蹄刖 1. 5 關斷辻燈並 CV/us) 00 晶閘管結(jié)謚它 110 工作溫度 e -so 480 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)阻性負載的最

9、大允許電壓有效值。如果受 控負載是非穩(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）電壓應高于負載電源電壓峰值的兩倍。 如在電源電 壓為交流 220V、一般的小功率非阻性負載的情況下，建議選用額定電壓為 400V600V 的 SSR 產(chǎn)品；但對于頻繁啟動的單相或三相電機負載， 建議選用額 定電壓為 660V800V 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

10、、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)品為額定電流的 1.5-5 倍（一秒）。 在選用時，如負載為穩(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 3 倍的穩(wěn)態(tài)電流，因此，SSR 降額 20%-30%使用。對于白織燈類負載，SSR 應按降額 50%使用，并且還應加上適 當?shù)?/p>

11、保護電路。對于變壓器負載，所選產(chǎn)品的額定電流必須高于負載工作電流的 兩倍。對于負載為感應電機，所選 SSR 的額定電流值應為電機運轉(zhuǎn)電流的 24 倍，SSR 的浪涌電流值應為額定電流的 10 倍。 固態(tài)繼電器對溫度的敏感性很強，工作溫度超過標稱值后，必須降熱或 外加散熱器，例如額定電流為 10A 的 JGX 10F 產(chǎn)品，不加散熱器時的允許工 作電流只有 10A。 四、應用電路 1、基本單元電路 如圖 5a 所示為穩(wěn)定的阻性負載，為了防止輸入電壓超過額定值，需設置 一限流電阻 Rx;當負載為非穩(wěn)定性負載或感性負載時，在輸出回路中還應附加 一個瞬態(tài)抑制電路，如圖 5b 所示，目的是保護固態(tài)繼電器

12、。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 卩或 R=39 Q, C=0.1 門， 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。在設計電路 時，建議用戶根據(jù)負載的有關參數(shù)和環(huán)境條件，認真計算和試驗 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 ）。壓敏電阻電流值應按下式計算： lmov= （Vmax-Vmov ） /ZS 其中 ZS 為負載阻抗、電源阻抗以及線路阻抗之和， Vmax、Vmov 分別 為最高瞬態(tài)電壓、壓敏電阻的標稱電壓，對于常規(guī)的 220

13、V 和 380V 的交流電源， 推薦的壓敏電阻的標稱電壓值分別為 440-470V 和 760-810V。 在交流感性負載上并聯(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， 如果和感性負載組合不當，容易導致振蕩，在負載電源上電或繼電器切換時，加 大繼電器輸出端的瞬變電壓峰值，增大 SSR 誤導通的可能性，所以，對具體應 用電路應先進行試驗，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，

14、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 具有高磁導率的軟化磁芯的電感器加以限制。 通常 SSR 均設計為 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，當輸入為“ 0”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；當輸入為 “ 1 時，三極管 BG導 通，SSR1、SSR2、SSR3 的輸入端有輸入電壓，各自的輸出端

15、接通，因而達到了 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，當輸入為 “ 0”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 應使SSR2輸出端可靠接通） ， SSR2的輸出端接通； 當輸入為“ 1時， 三極管 BG導通,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 的輸出端接通而處于斷開狀態(tài)，因而達到了 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， 應保證在導通的 SSR1“ +端的電壓不會使SSR

16、2導通， 同時又要兼顧到SSR1截止時期“ +”的電 壓能使SSR2導通）。 3、用計算機控制電機正反轉(zhuǎn)的接口及驅(qū)動電路 圖 7 計算機控制單相交流電機正反轉(zhuǎn)的接口及驅(qū)動電路， 在換向控制時， 正RI 6) 反轉(zhuǎn)之間的停滯時間應大于交流電源的 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。 圖 7 計算機控制單相交流電機正反轉(zhuǎn)的接口及驅(qū)動電路 為了限制電機換向時電容器的放電電流， 應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/I

17、R （ Q） , P=lm2Rx 其中：VP 電源峰值電壓（V）; IR固態(tài)繼電器額定電流（A）; Im 電機運轉(zhuǎn)電流（A）; P限流電阻功率（W） 圖 8 計算機控制三相交流電機正反轉(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的起動、停止和正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)。當改變 電動機轉(zhuǎn)動方向時，給出指令信號的順序應是 停止一反轉(zhuǎn)一起動”或 停止一正 轉(zhuǎn)一起動”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。當電機允許時，可以在 R1-R4 位置接入限流電阻，以防止當萬 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。jaov AC A tl ( -U ij 脈i 圖 8 計算機控制三相交流電機正反轉(zhuǎn)的接口及驅(qū)動電路 五、結(jié)束