固态继电器原理结构与选型方法
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有关固态继电器的原理与结构，固态继电器的特点，固态继电器的技术参数及选用，固态继电器在应用中一些问题等，需要的朋友参考下。 一、固态继电器 固态继电器SSR(solid state reley)是一种无触点通断电子开关，它利用电子元件(如开关三极管、双向可控硅等半导体器件)的开关特性，可达到无触点无火花地接通和断开电路的目的，为四端有源器件，其中两个端子为输入控制端，另外两端为输出受控端。 为实现输入与输出之间的电气隔离，器件中采用了高耐压的专业光电耦合器。当施加输入信号后，其主回路呈导通状态，无信号时，呈阻断状态。整个器件无可动部件及触点，可实现相当于常用电磁继电器一样的功能。其封装形式也与传统电磁继电器基本相同。 它问世于70年代，由于它的无触点工作特性，使其在许多领域的电控及计算机控制方面得到日益广泛的应用。 由于固态继电器是由固体元件组成的无触点开关元件，所以它较之电磁继电器具有工作可靠、寿命长、对外界干扰小、能与逻辑电路兼容、抗干扰能力强、开关速度快和使用方便等一系列优点。因而具有很宽的应用领域，有逐步取代传统电磁继电器之势，并可进一步扩展到传统电磁继电器无法应用的领域。 如计算机和可编程控制器的输入输出接口、计算机外围和终端设备、机械控制，过程控制、遥控及保护系统等。在一些要求耐振、耐潮、耐腐蚀、防爆等特殊工作环境中以及要求高可靠的工作场合，SSR都较之传统的电磁继电器有无可比拟的优越性。 二、固态继电器的原理与结构 固态继电器有三部分组成：输入电路，隔离(耦合)和输出电路。按输入电压的不同类别，输入电路可分为直流输入电路、交流输入电路和交直流输入电路三种。有些输入控制电路还具有与TTL/CMOS兼容，正负逻辑控制和反相等功能。 固态继电器的输入与输出电路的隔离和耦合方式有光电耦合和变压器耦合两种。 固态继电器的输出电路也可分为直流输出电路、交流输出电路和交直流输出电路等形式。交流输出时，通常使用两个可控硅或一个双向可控硅；直流输出时可使用双极性器件或功率场效应管。 SSR按使用场合可以分成交流型和直流型两大类，它们分别在交流或直流电源上做负载的开关，不能混用。
图2 固态继电器工作原理框图 以交流型的SSR 为例来说明它的工作原理。图2是它的工作原理框图，图2中的部件1～4构成交流SSR的主体，从整体上看，SSR只有两个输入端(A和B)及两个输出端 (C和D)，是一种四端器件。 工作时只要在A、B上加上一定的控制信号，就可以控制C、D两端之间的“通”和“断”，实现“开关”的功能，其中耦合电路的功能是为A、B端输入的控制信号提供一个输入/输出端之间的通道，但又在电器上断开SSR中输入端和输出端之间的(电)联系，以防止输出端对输入端的影响。 耦合电路用的元件是“光耦合器”，它动作灵敏，响应速度高，输入/输出端间的绝缘(耐压)等级高；由于输入端的负载是发光二极管，使SSR的输入端很容易做到与输入信号电平相匹配，在使用时可直接与计算机输出接口相接，即受“1”与“0”的逻辑电平控制。 触发电路的功能是产生合乎要求的触发信号，驱动开关电路④工作，但由于开关电路在不加特殊控制电路时，将产生射频干扰并以高次谐波或尖峰等污染电网，为此特设“过零控制电路”。 所谓“过零”是指，当加入控制信号，交流电压过零时，SSR即为通态；而当断开控制信号后，SSR要等待交流电的正半周与负半周的交界点(零电位)时，SSR才为断态。这种设计能防止高次谐波的干扰和对电网的污染。 吸收电路是为防止从电源中传来的尖峰、浪涌(电压)对开关器件双向可控硅管的冲击和干扰(甚至误动作)而设计的，一般是用“R—C”串联吸收电路或非线性电阻(压敏电阻器)。 直流型的SSR与交流型的SSR相比，无过零控制电路，也不必设置吸收电路，开关器件一般用大功率开关三极管，其它工作原理相同。不过，直流型SSR在使用时应注意： 2.1 负载为感性负载时，如直流电磁阀或电磁铁，应在负载两端并联一只二极管，极性如图3所示，二极管的电流应等于工作电流，电压应大于工作电压的4倍。
图3 SSR并联二极管图 2.2 SSR工作时应尽量把它靠近负载，其输出引线应满足负荷电流的需要。 2.3 使用电源属经交流降压整流所得的，其滤波电解电容应足够大。 固态继电器(SSR) 与机电继电器相比，是一种没有机械运动，不含运动零件的继电器，但它具有与机电继电器本质上相同的功能。SSR是一种全部由固态电子元件组成的无触点开关元件，他利用电子元器件的电、磁和光特性来完成输入与输出的可靠隔离，利用大功率三极管、功率场效应管、单向可控硅和双向可控硅等器件的开关特性，来达到无触点，无火花地接通和断开被控电路。 三、固态继电器的特点 SSR成功地实现了弱信号(Vsr)对强电(输出端负载电压)的控制。由于光耦合器的应用，使控制信号所需的功率极低(约十余毫瓦就可正常工作)，而且Vsr所需的工作电平与TTL、HTL、CMOS等常用集成电路兼容，可以实现直接联接。这使SSR在数控和自控设备等方面得到广泛应用。在相当程度上可取代传统的“线圈—簧片触点式”继电器(简称“MER”)。 SSR由于是全固态电子元件组成，与MER相比，它没有任何可动的机械部件，工作中也没有任何机械动作。SSR由电路的工作状态变换实现“通”和“断” 的开关功能，没有电接触点，所以它有一系列MER不具备的优点，即工作高可靠、长寿命(有资料表明SSR的开关次数可达108—109次，比一般MER的106高几百倍)，无动作噪声，耐振耐机械冲击，安装位置无限制，很容易用绝缘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极佳。这些特点使SSR可在军事(如飞行器、火炮、舰船、车载武器系统)、化工，井下采煤和各种工业民用电控设备的应用中大显身手，具有超越MER的技术优势。 交流型SSR由于采用过零触发技术，因而可以使SSR安全地用在计算机输出接口上，不必为在接口上采用MER而产生的一系列对计算机的干扰而烦恼。此外，SSR还有能承受在数值上可达额定电流十倍左右的浪涌电流的特点。 3.1 固态继电器的优点 3.1.1 高寿命，高可靠：SSR没有机械零部件，有固体器件完成触点功能，由于没有运动的零部件，因此能在高冲击，振动的环境下工作，由于组成固态继电器的元器件的固有特性，决定了固态继电器的寿命长，可靠性高。 3.1.2 灵敏度高，控制功率小，电磁兼容性好：固态继电器的输入电压范围较宽，驱动功率低，可与大多数逻辑集成电路兼容不需加缓冲器或驱动器。 3.1.3 快速转换：固态继电器因为采用固体其间，所以切换速度可从几毫秒至几微秒。 3.1.4 电磁干扰小：固态继电器没有输入“线圈”，没有触点燃弧和回跳，因而减少了电磁干扰。大多数交流输出固态继电器是一个零电压开关，在零电压处导通，零电流处关断，减少了电流波形的突然中断，从而减少了开关瞬态效应。 3.2 固态继电器的缺点 3.2.1 导通后的管压降大，可控硅或双向可控硅的正向降压可达1～2V，大功率晶体管的饱和压降在1～2V之间，一般功率场效应管的导通电阻也较机械触点的接触电阻大。 3.2.2 半导体器件关断后仍可有数微安至数毫安的漏电流，因此不能实现理想的电隔离。 3.2.3 由于管压降大，导通后的功耗和发热量也大，大功率固态继电器的体积远远大于同容量的电磁继电器，成本也较高。 3.2.4 电子元器件的温度特性和电子线路的抗干扰能力较差，耐辐射能力也较差，如不采取有效措施，则工作可靠性低。 3.2.5 固态继电器对过载有较大的敏感性，必须用快速熔断器或RC阻尼电路对其进行过载保护。固态继电器的负载与环境温度有关，温度升高，负载能力将迅速下降。 四、固态继电器的技术参数及选用 4.1 固态继电器的技术参数 4.1.1 输入电压范围：在环境温度25℃下，固态继电器能够工作的输入电压范围。 4.1.2 输入电流：在输入电压范围内某一特定电压对应的输入电流值。 4.1.3 接通电压：在输入端加该电压或大于该电压值时，输出端确保导通。 4.1.4 关断电压：在输入端加该电压或小于该电压值时，输出端确保导通。 4.1.5 反极性电压：能够加在继电器输入端上，而不应起永久性破坏的最大允许反向电压。 4.1.6 额定输出电流：环境25℃时的最大稳态工作电流。 4.1.7 额定输出电压：能够承受的最大负载工作电压。 4.1.8 输出电压降：当继电器处于导通时，在额定输出电流下测得的输出端电压。 4.1.9 输出漏电流：当继电器处于关断状态施加额定输出电压时，流经负载的电流值。 4.1.10 接通时间：当继电器接通时，加输入电压到接通电压开始至输出达到其电压最终变化的90％为止之间的时间间隔。 4.1.11 关断时间：当继电器关断时，切除输入电压到关断电压开始至输出达到其电压最终变化的10％为止之间的时间间隔。 4.1.12 过零电压：对交流过零型固态继电器，输入端加入额定电压，能使继电器输出端导通的最大起始电压。 4.1.13 最大浪涌电压：继电器能承受的而不致造成永久性损坏的非重复浪涌(或过载)电流。 4.1.14 电器系统峰值：在继电器工作状态继电器输出端能够承受的最大迭加的瞬时峰值击穿电压。 4.1.15 电压指数上升率dv/dt：继电器的输出元件能够承受的不使其导通的电压上升率。 4.1.16 工作温度：继电器按规范安装或不安装散热板时，其正常工作的环境温度范围。 |
