固态继电器原理及应用电路

固态继电器原理及应用电路固态继电器(SOLIDSTATERELAYS)，简写成“SSR”，是一种所有由固态电子元件构成的新式无触点开关器件，它利用电子元件(如开关三极管、双向可控硅等半导体器件)的开关特征，可达到无触点无火花地接通和断开电路的目的，所以又被称为“无触点开关”，它问世于70年月，因为它的无触点工作特征，使其在很多领域的电控及计算机控制方面获得日趋广范的应用。一、固态继电器的原理及构造SSR按使用处合能够分红沟通型和直流型两大类，它们分别在沟通或直流电源上做负载的开关，不可以混下边以沟通型的SSR为例来说明它的工作原理，图1是它的工作原理框图，图1中的零件①④构成沟通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。工作时只需在A、B上加上必定的控制信号，就能够控制C、D两头之间的“通”和“断”，实现“开关”的功能，此中耦合电路的功能是为A、B端输入的控制信号供给一个输入/输出端之间的通道，但又在电气上断开SSR中输入端和输出端之间的(电)联系，以防备输出端对输入端的影响，耦合电路用的元件是“光耦合器”，它动作敏捷、响应速度高、输入/输出端间的绝缘(耐压)等级高；因为输入端的负载是发光二极管，这使SSR的输入端很简单做到与输入信号电平相般配，在使用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符合要求的触发信号，驱动开关电路④工作，但因为开关电路在不加特别控制电路时，将产生射频扰乱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，沟通电压过零时，SSR即为通态；而当断开控制信号后，SSR要等候沟通电的正半周与负半周的交界点(零电位)时，SSR才为断态。这类设计能防备高次谐波的扰乱和对电网的污染。汲取电路是为防备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扰乱(甚至误动作)而设计的，一般是用“R-C”串连汲取电路或非线性电阻(压敏电阻器)。图2是一种典型的沟通型SSR的电原理图。直流型的SSR与沟通型的SSR对比，无过零控制电路，也不用设置汲取电路，开关器件一般用大功率开关三极管，其余工作原理同样。可是，直流型SSR在使用时应注意：①负载为感性负载时，如直流电磁阀或电磁铁，应在负载两头并联一只二极管，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。②SSR工作时应尽量把它凑近负载，其输出引线应知足负荷电流的需要。③使用电源属经沟通降压整流所得的，其滤波电解电容应足够大。图4给出了几种国内、外常有的SSR的外形。二、固态继电器的特色SSR成功地实现了弱信号(Vsr)对强电(输出端负载电压)的控制。因为光耦合器的应用，使控制信号所需的功率极低(约十余毫瓦便可正常工作)，并且Vsr所需的工作电平与TTL、HTL、CMOS等常用集成电路兼容，能够实现直接联接。这使SSR在数控和自控设施等方面得到宽泛应用。在相当程度上可代替传统的“线圈—簧片触点式”继电器(简称“MER”)。SSR因为是全固态电子元件构成，与

MER对比，它没有任何可动的机械零件，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不具备的长处，即工作高靠谱、长寿命(有资料表示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；安装地点无穷制；很简单用绝缘防水资料灌封做成全密封形式，并且拥有优秀的防潮防霉防腐性能；在防爆和防备臭氧污染方面的性能也极佳。这些特色使SSR可在军事(如飞翔器、火炮、舰船、车载武器系统)、化工、井下采煤和各样工业民用电控设施的应用中大显神通，拥有超越MER的技术优势。沟通型SSR因为采纳过零触发技术，因此能够使SSR安全地用在计算机输出接口上，不必为在接口上采纳MER而产生的一系列对计算机的扰乱而烦忧。别的，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色。表1参数值参数名称(单位)最小典型最大直流控制电压(V)14输入电流(mA)20接通电压(V)输入端关断电压(V)反极向保护电压(V)15绝缘电阻(Ω)109介质耐压(V)1500额定输出电压(V)25250输出端额定输出电流(A)10浪涌电流(A)100过零电压(V)±15输出压降(V)输出漏电流(mA)10接通电间(mS）10关断时间(mS)10工作频次(Hz)4770功率消耗(W)关断dV/dt(V/μs)200晶闸管结温℃110工作温度(℃)-20+80三、主要参数与采纳功率固态继电器的特征参数包含输入和输出参数，下边以北京科通继电器总厂生产的GX-10F继电器为例，列出输入、输出参数，详见表1，依据输入电压参数值大小，可确立工作电压大小。如采纳TTL或CMOS等逻辑电平控制时，最好采纳有足够带载能力的低电平驱动，并尽可能使“0”电平低于V。如在噪声很强的环境下工作，不可以采纳通、断电压值相差小的产品，必要采纳通、断电压值相差大的产品，(如选接通电压为8V或12V的产品)这样不会因噪声扰乱而造成控制失灵。输出参数的项目许多，现对主要几个参数说明以下：1、额定输入电压它是指定条件下能承受的稳态阻性负载的最大同意电压有效值。或非阻性的，必要考虑所选产品能否能承受工作状态或条件变化时

假如受控负载是非稳态(冷热变换、静动变换、感觉电势、瞬态峰值电压、变化周期等)所产生的最大合成电压。比如负载为感性时，所选额定输出电压一定大于两倍电源电压值，并且所选产品的阻断(击穿)电压应高于负载电源电压峰值的两倍。如在电源电压为沟通220V、一般的小功率非阻性负载的状况下，建议采纳额定电压为400V—600V的SSR产品；但关于屡次启动的单相或三相电机负载，建议采纳额定电压为660V—800V的SSR产品。2、额定输出电流和浪涌电流额定输出电流是指在给定条件下(环境温度、额定电压、功率要素、有无散热器等)所能承受的电流最大的有效值。一般生产厂家都供给热降额曲线。如四周温度上涨，应按曲线作降额使用。浪涌电流是指在给定条件下(室温、额定电压、额定电流和连续的时间等)不会造成永远性破坏所同意的最大非重复性峰值电流。沟通继电器的浪涌电流为额定电流的5-10倍(一个周期)，直流产品为额定电流的倍(一秒)。在采纳时，如负载为稳态阻性，SSR可全额或降额10%使用。关于电加热器、接触器等，初始接通瞬时出现的浪涌电流可达3倍的稳态电流，所以，SSR降额20%-30%使用。关于白织灯类负载，SSR应按降额50%使用，并且还应加上适当的保护电路。关于变压器负载，所选产品的额定电流一定高于负载工作电流的两倍。关于负载为感觉电机，所选SSR的额定电流值应为电机运行电流的2—4倍，SSR的浪涌电流值应为额定电流的10倍。固态继电器对温度的敏感性很强，工作温度超出标称值后，一定降热或外加散热器，例如额定电流为10A的JGX—10F产品，不加散热器时的同意工作电流只有10A。四、应用电路1、基本单元电路如图5a所示为稳固的阻性负载，为了防备输入电压超出额定值，需设置一限流电阻Rx；当负载为非稳固性负载或感性负载时，在输出回路中还应附带一个瞬态克制电路，如图5b所示，目的是保护固态继电器。往常举措是在继电器输出端加装RC汲取回路(比如：R=150Ω，C=μF或R=39Ω，C=μF)，它能够有效的克制加至继电器的瞬态电压和电压指数上涨率dv/dt。在设计电路时，建议用户依据负载的相关参数和环境条件，仔细计算和试验RC回路的选值。另一个常用的举措是在继电器输出端接入拥有特定钳位电压的电压控制器件，如双向稳压二极管或压敏电阻(MOV)。压敏电阻电流值应按下式计算：Imov=(Vmax-Vmov)/ZS此中ZS为负载阻抗、电源阻抗以及线路阻抗之和，Vmax、Vmov分别为最高瞬态电压、压敏电阻的标称电压，关于惯例的220V和380V的沟通电源，介绍的压敏电阻的标称电压值分别为440-470V和760-810V。在沟通感性负载上并联RC电路或电容，也可克制加至SSR输出端的瞬态电压和电压指数上涨率。但实验表示，RC汲取回路，特别是并联在SSR输出端的RC汲取回路，假如和感性负载组合不妥，简单致使振荡，在负载电源上电或继电器切换时，加大继电器输出端的瞬变电压峰值，增大SSR误导通的可能性，所以，对详细应用电路应先进行试验，采纳适合的RC参数，甚至有时不用RC汲取电路更有益。关于容性负载惹起的浪涌电流可用感性元件克制，如在电路中引入磁扰乱滤波器、扼流圈等，以限制迅速上涨的峰值电流。此外，假如输出端电流上涨变化率(di/dt)很大，能够在输出端串连一个拥有高磁导率的融化磁芯的电感器加以限制。图5往常SSR均设计为“常开”状态，即无控制信号输入时，输出端是开路的，但在自动化控制设施中常常需要“常闭”式的SSR，这时可在输入端外接一组简单的电路，如图5c所示，这时即为常闭式SSR。2、多功能控制电路图6a为多组输出电路，当输入为“0”时，三极管BG截止，SSR1、SSR2、SSR3的输入端无输入电压，各自的输出端断开；当输入为“1”时，三极管BG导通，SSR1、SSR2、SSR3的输入端有输入电压，各自的输出端接通，因此达到了由一个输入端口控制多个输出端“通”、“断”的目的。图6b为单刀双掷控制电路，当输入为“0”时，三极管BG截止，SSR1输入端无输入电压，输出端断开，此时A点电压加到SSR2的输入端上(UA-UDW应使SSR2输出端靠谱接通)，SSR2的输出端接通；当输入为“1”时，三极管BG导通，SSR1输入端有输入电压，输出端接通，此时A点虽有电压，但UA-UDW的电压值已不可以使SSR2的输出端接通而处于断开状态，因此达到了“单刀双掷控制电路”的功能(注意：选择稳压二极管DW的稳压值时，应保证在导通的SSR1“+”端的电压不会使SSR2导通，同时又要兼备到SSR1截止时期“+”端的电压能使SSR2导通)。3、用计算机控制电机正反转的接口及驱动电路图7计算机控制单相沟通电机正反转的接口及驱动电路，在换向控制时，正反转之间的阻滞时间应大于沟通电源的个周期(用一个“降落沿延时”电路来达成)，免得换向太快而造成线间短路。电路中继电器要采纳阻断电压高于600V和额定电压为380V以上的沟通固态继电器。图7计算机控制单相沟通电机正反转的接口及驱动电路为了限制电机换向时电容器的放电电流，应在各回路中外加一只限流电阻Rx，其阻值和功率可按下式计算：2Rx=×VP/IR(Ω),P=ImRx此中：VP—电源峰值电压

(V)；I

R—固态继电器额定电流

(A)；Im—电机运行电流

(A)；P—限流电阻功率(W)图8计算机控制三相沟通电机正反转的接口及驱动电路图8计算机控制三相沟通电机正反转的接口及驱动电路，图中采纳了4个与非门，用二个信号通道分别控制电动机的起动、停止和正转、反转。当改变电动机转动方向时，给出指令信号的次序应是“停止—反转—起动”或“停止—正转—起动”。延时电路的最小延时不小于个沟通电源周期。此中RD1、RD2、RD3为熔断器。当电机同意时，能够在R1-R4地点接入限流电阻，以防备当万一两线间的随意二只继电器均误接通时，限制产生的半周线间短路电流不超出继电器所能承受的浪涌电流，进而防止烧毁继电器等事故，保证安全性；但副作用是正常工作时电阻大将产生压降和功耗。该电路建议采纳额定电压为660V或更高一点的SSR产品。五、结束语由前述能够看到