固态继电器简介 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 12V，大功率晶体管的饱和压浆液灾 12V 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。 S/HS 固态继电器原理与应用 交流固态继电器 SSR(Solid state releys)是一种无触点通断电子开关,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,中间采用光电隔离,作为输入输出之间电气隔离(浮空)。在输入端加上直流或脉冲信号,输出端就能从关断状态转变成导通状态(无信号时呈阻断状态),从而控制较大负载。整个器件无可动部件及触点,可实现相当于常用的机械式电磁继电器一样的功能。由于固态继电器是由固体元件组成的无触点开关元件,所以与电磁继电器相比具有工作可靠、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计算机等领域。目前,国内已有北京先锋公司电子厂、上海超诚电子技术研究所、上海中沪电子仪器厂、无锡康裕电器元件厂、无锡天豪电子仪器设备厂、苏州无线电元件一厂等单位生产此类产品。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 520 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 有譏有的热耗散功率,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 23A 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 1225mA 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。