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固态继电器原理

固态继电器原理 2011年12月10日 来源： 一、概述固态继电器(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点，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，单项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。二、固态继电器的组成固态继电器有三部分组成:输入电路，隔离(耦合)和输出电路。安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。三、固态继电器的优缺点1、固态继电器的优点（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。（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）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妙。（4）电磁干扰笑: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。2、固态继电器的缺点（1）导通后的管压降大，可控硅或双相控硅的正向降压可达1~2V，大功率晶体管的饱和压浆液灾1~2V之间，一般功率场效应管的导通电祖也较机械触点的接触电阻大。（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）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。（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。（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在保护。固态继电器的负载与环境温度明显有关，温度升高，负载能力将迅速下降。固态继电器的工作 SSR固态继电器以触发形式,可分为零压型(Z)和调相型(P)两种。在输入端施加合适的控制信号VIN时,P型SSR立即导通。当VIN撤销后,负载电流低于双向可控硅维持电流时(交流换向),SSR关断。 Z型SSR内部包括过零检测电路,在施加输入信号VIN时,只有当负载电源电压达到过零区时,SSR才能导通,并有可能造成电源半个周期的最大延时。Z型SSR关断条件同P型,但由于负载工作电流近似正弦波,高次谐波干扰小,所以应用广泛。 先锋公司电子厂SSR由于采用输出器件不同,有普通型(S,采用双向可控硅元件)和增强型(HS,采用单向可控硅元件)之分。当加有感性负载时,在输入信号截止t1之前,双向可控硅导通,电流滞后电源电压90O(纯感时)。t1时刻,输入控制信号撤销,双向可控硅在小于维持电流时关断(t2),可控硅将承受电压上升率dv/dt很高的反向电压。这个电压将通过双向可控硅内部的结电容,正反馈到栅极。如果超过双向可控硅换向dv/dt指标(典型值10V/　s,将引起换向恢复时间长甚至失败。 单向可控硅(增强型SSR)由于处在单极性工作状态,此时只受静态电压上升率所限制(典型值200V/　s),因此增强型固态继电器HS系列比普通型SSR的换向dv/dt指标提高了5　20倍。由于采用两只大功率单向可控硅反并联,改变了电流分配和导热条件,提高了SSR输出功率。 增强型SSR在大功率应用场合,无论是感性负载还是阻性负载,耐电压、耐电流冲击及产品的可靠性,均超过普通固态继电器,并达到了进口产品的基本指标,是替代普通固态继电器的更新产品。 固态继电器的应用 S系列固态继电器,HS系列增强型固态继电器、可以广泛用于:计算机外围接口装置,恒温器和电阻炉控制、交流电机控制、中间继电器和电磁阀控制、复印机和全自动洗衣机控制、信号灯交通灯和闪烁器控制、照明和舞台灯光控制、数控机械遥控系统、自动消防和保安系统、大功率可控硅触发和工业自动化装置等。在应用中需要考虑下述问题。1.器件的发热 SSR在导通时,元件将承受P耗=V有€讥有的热耗散功率,其中V有效值和I有效值分别为饱和压降和工作电流的有效值。此时,需依据实际工作环境条件,严格参照额定工作电流时允许的外壳温升(75℃),合理选用散热器尺寸或降低电流使用,否则将因过热引起失控,甚至造成产品损坏。 在线路板上使用,连续负载电流2　3A时,可选用S€?3,S€?4产品,5A时,可选用S€?08W3封装产品。10A以下,可采用散热条件良好的仪器底板。10A以上,需配散热器。30A以下,采用自然风冷,连续负载电流大于30A时,需采用仪器风扇强制风冷。2.封装和安装形式 卧式W型、立式L型,体积小适用于印制板直接焊接安装。立式L2型,既能适合于线路板焊接安装,也能适用于线路板上插接安装。K型及F型,适合散热器及仪器底板安装。大功率SSR(K型和F型封装)安装时,应注意散热器接触面应平整,并需涂复导热硅脂(先锋T-50)。安装力矩愈大,接触热阻愈小。大电流引出线,需配冷压焊片,以减少引出线接点电阻。3.输入端驱动 SSR按输入控制方式,可分为电阻型、恒流源和交流输入控制型。目前主要提供的,是供5V TTL电平用电阻输入型。使用其他控制电压时,可相应选用限流电阻。SSR输入属于电流型器件,当输入端光耦可控硅完全导通后(微秒数量级),触发功率可控硅导通。当激励不足或斜波式的触发电压,有可能造成功率可控硅处于临界导通边缘,并造成主负载电流流经触发回路引起的损坏。 例如基本性能测试电路,输入为可调电压源,测试负载用100W灯泡,输入触发信号应为阶跃逻辑电平,强触发方式。国外厂商提供的器件标准电流为10mA,考虑到全温度工作范围(-40　+70℃),发光效率稳定和抗干扰能力,推荐最佳直流触发工作电流在12　25mA之间。 SSR输入端可并联或串联驱动。串联使用时,一个SSR按4V电压考虑,12V电压可驱动3个SSR。4.干扰问题 SSR产品也是一种干扰源,导通时会通过负载产生辐射或电源线的射频干扰,干扰程度随负载大小而不同。白炽灯电阻类负载产生的干扰较小,零压型在交流电源的过零区(即零电压)附近导通,因此干扰也较小。减少的方法是在负载串联电感线圈。另外,信号线与功率线之间,也应避免交叉干扰。 5.过流/过压保护 快速熔断器和空气开关,是通用的过电流保护方法。快速熔断器可按额定工作电流的1.2倍选择,一般小容量可选用保险丝。特别注意负载短路,是造成SSR产品损坏的主要原因。感性及容性负载,除内部RC电路保护外,建议采用压敏电阻并联在输出端,作为组合保护。金属氧化锌压敏电阻(MOV)面积大小决定吸收功率,厚度决定保护电压值。交流220V的SSR,选用MYH12、430V、　12的压敏电阻;380V选用MYH12、750V压敏电阻;较大容量的电机变压器应选用MYH20、24通流容量大的压敏电阻。6.关于负载的考虑 SSR对一般的负载应是没有问题的,但也必须考虑一些特殊的负载条件,以避免过大的冲击电流和过电压,对器件性能造成不必要的损坏。白炽灯、电炉等类的“冷阻”特性,造成开通瞬间的浪涌电流,超过额定工作电流值数倍。一般普通型SSR,可按电流值的2/3选用。增强型SSR,可按厂商提供的参数选用。在恶劣条件下的工业控制现场,建议留有足够的电压、电流余量。 某些类型的灯,在烧断瞬间会出现低阻抗。气化和放电通道以及容性负载,如切换电容器组或电容器电源,会造成类似短路状态。可在线路中进一步串联电阻或电感,作为限流措施。电机的开启和关闭,也会产生较大的冲击电流和电压。中间继电器、电磁阀吸合不可靠时引起的抖动,以及电容换向式电机换向时,电容电压 和电源电压的叠加会在SSR两端产生二倍电源的浪涌电压。 控制变压器初级时,也应考虑次级线路上的瞬态电压对初级的影响。此外,变压器也有可能因为两个方向电流不对称,造成饱和引起的浪涌电流异常现象。上述情况,使SSR在特殊负载的应用,多少变得有点复杂。可行的办法,就是通过示波器去测量可能引起的浪涌电流和电压,从而选用合适的SSR和保护措施。 应用实例 1.调压应用 P型SSR调压,可采用外配移相电路来实现。例如,TW-702控温仪的触发系统,国产SDKC-05单电源调相集成电路(见图2)。在计算机上,通常采用PIO经驱动级的位控方式,利用50Hz电网电源的过零中断,经CTC计时,控制导通角,以达到调压之目的。2.交流调功应用 “交流调功”是一种Z型SSR普遍采用的方法,也能实现PID调节。即在固定周期内,控制交流正弦电流半波个数,达到调功目的。模拟电路常采用电压比较器,将一个固定周期的锯齿电压和来自前级误差电压作比较,输出方波实现调节,如图3所示。在计算机上采用计时算法,产生占空比可调的方波脉冲击来实现。例如日本的SHIMADEW和OMRON公司的SR22、FD20、E5系列智能化控温产品,配合Z型SSR,实现自适应“自动翻转”控制,即通过计算机产生扰动,算出最佳PID控制参数。3.三相电流控制 HS系列SSR产品,可直接用于三相电机的控制。最简单的方法,是采用2只SSR作电机通断控制,4只SSR作电机换相控制,第三相不控制。 作为电机换向时应注意,由于电机的运动惯性,必须在电机停稳后才能换向,以避免产生类似电机堵转情况,引起的较大冲击电压和电流。在控制电路设计上,要注意任何时刻都不应产生换相SSR同时导通的可能性。上下电时序,应采用先加后断控制电路电源,后加先断电机电源的时序。换向SSR之间,不能简单地采用反相器连接方式,以避免在导通的SSR未关断,另一相SSR导通引起的相间短路事故。此外,电机控制中的保险、缺相和温度继电器,也是保证系统正常工作的保护装置

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