电器原理与应用3-1半导体式控制电器

2023/2/11电器原理与应用陈阳生浙江大学电气工程学院yschen@第四章

常用半导体式控制电器

本章结构4.1概论4.2固态继电器4.3半导体式时间继电器4.4半导体式行程开关4.5半导体式保护电器1、半导体式控制电器

以电子元件全部或者部分替代电器内部的机械结构、电磁机构、线圈、触动等，是传统电器的升级换代产品；（成本、体积、可靠性。。。）和传统电器相比，各有优缺点；保持独立的电器外形

在功能上与传统的控制电器相对应

输出形式可以是无触点的电平转换，也可以是有触点的触点通断，既可以与电子电路构成无触点系统，也可以与有触点电器构成继电接触系统例：行程开关、接近开关、双金属片热继电器、电磁式过流继电器、电子式过流、短路、断相、保护继电器有触点与无触点相结合的控制电器三种不同形式：①采用无触点电器为其出口元件的电子式电器，如晶闸管时间继电器等。②采用电子式控制或保护信号发生机构的有触点电器，如半导体脱扣器的断路器③混合式接触器，在接触器的每一主触点上并联一个双向晶闸管，当开关接通时使晶闸管的导通先于触点的闭合，分断时晶闸管的阻断后于触点的断开，二者取长补短，实现了有触点控制电器的无弧通断。

混合式控制电器

半导体式控制电器的特点优点：①开关速度高（晶闸管开通，关断时间几十us,IGBT3-4us）②操作频率高（晶闸管100次/分钟）③使用寿命长（额定条件下使用的话）④耗电功率小(没有激励线圈)⑤控制功能多（电子线路，微处理器、专用芯片，价格低、功能多）⑥工作环境不苛求（可以塑封、密封，防尘，防潮）缺点①散热面积大(管压降大1-2V，长期工作的损耗大)②价格比较高（一个交流接触器需要三个大电流双向晶闸管，价格约十倍）③电路较复杂（

抗干扰能力差，辅助电路多,如保护、电源、补偿等电路）④过载能力低（功率器件高温、过载能力有限）⑤漏电流较大（晶闸管关段后有漏电流，mA级，不能理想的电隔离）4.2固态继电器SSR(SolidStateRelay)一种全电子电路组合的元件，它依靠半导体器件和电子元件的电、磁和光特性来完成其隔离和继电切换功能。器件全部由固态电子元件组成的新型无触点开关器件，它利用电子元件(如开关三极管、双向可控硅等半导体器件)的开关特性，可达到无触点，无火花地接通和断开电路的目的，因此又被称为“无触点开关”与传统的电磁继电器（EMR）相比，是一种没有机械、不含运动零部件的继电器，但具有与电磁式继电器本质上相同功能；固态继电器按其工作性质：直流输入-交流输出型直流输入-直流输出型交流输入-交流输出型交流输入-直流输出型固态继电器的特点

SSR实现了弱信号对强电(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。SSR由于是全固态电子元件组成，与EMR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EMR不具备的优点，工作高可靠、长寿命；无动作噪声；耐振耐机械冲击；安装位置无限制；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。固态继电器的原理及结构图中①-④构成交流SSR的主体，从整体上看，SSR只有两个输入端及两个输出端，是一种四端器件。工作：在A、B上加上控制信号，就可以控制C、D两端之间的“通”和“断”，实现“开关”的功能，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，但又在电气上断开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，“光耦”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，这使SSR的输入端很容易做到与输入信号电平相匹配，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。触发电路产生合乎要求的触发信号，驱动开关电路④工作，吸收电路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)。

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。交流固态继电器的原理当输入信号为零/反向时，光隅:截止，VT1导通，它使SCR1的控制极被钳位于低电平，SCR1被阻断，零电压检测电路不会影响这一状态。当输入信号时，光隅:导通，光耦电流约10-20mA，使VT1变为截止状态，零电压检测电路起作用R3、R4、R5、R6及VT2组成零电压检测电路;

若交流电压不过零，则VT2饱和导通，SCR1不会被触发;若交流电压过零时，VT2被截止，使SCR1的控制极通过R5、R6分压获得触发信号，SCR1导通。此时，SCR2的控制极就会获得正反两个方向的触发脉冲，SCR2导通，从而接通负载电源。

R7→整流桥→SCR1→整流桥→R8R8→整流桥+SCR1→整流桥→R7交流固态继电器的波形单向波形和整流电路一致交流型和直流型固态继电器SSR按使用场合可以分成交流型和直流型两大类，分别在交流或直流电源上做负载的开关，不能混用。直流型的SSR，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。直流型SSR在使用时应注意：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快恢复二极管，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3倍。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。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。典型参数表

参数名称(单位)参数值最小典型最大输入端直流控制电压(V)3.2

14输入电流(mA)

20

接通电压(V)3.2

关断电压(V)

1.5反极向保护电压(V)

15绝缘电阻(Ω)109

介质耐压(V)1500

输出端额定输出电压(V)25

250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)

2.0输出漏电流(mA)

10接通电间(mS）

10关断时间(mS)

10工作频率(Hz)47

70

关断dV/dt(V/μs)

200

晶闸管结温℃

110工作温度(℃)-20

+80典型电路在交流感性负载上并联RC电路或电容，也可抑制加至SSR输出端的瞬态电压和电压指数上升率。RC吸收回路，特别是并联在SSR输出端的RC吸收回路，如果和感性负载组合不当，容易导致振荡，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，对具体应用电路应先进行试验，选用合适的RC参数。通常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备中经常需要“常闭”式的SSR，这时可在输入端外接一组简单电路，如图c所示，这时即为常闭式SSR。

三相固态继电器也有三相的固态继电器控制方式和单相一样内部3路小功率大功率固态调压器原理和固态继电器一样；电压可调，但波形不连续一般用于电阻负载，不适合电机负载固态继电器、调压器选型电压等级一致电流裕量要比普通继电器大阻性负载时,

2-3倍负载感性/容性负载时,

3-4倍负载满足散热要求，环境温度高或散热欠佳时,应增加电流容量。短路保护：在负载回路中串接快速断路开关或快速熔断器。过压保护：感性负载时，在输出端并接压敏电阻，以防过压时损坏晶闸管。压敏电阻(MOV)的选配：240V档时选430-470V，440V档时选680-750V，660V档时选1100-1200V。

4.3半导体式时间继电器4.2.1概述4.2.2通电延时型半导体式时间继电器4.2.3断电延时型半导体式时间继电器4.2.4带瞬动触点的通电延时型时间继电器4.2.5JS20系列半导体式时间继电器的型号及其含义4.2.6JS20系列半导体式时间继电器的技术参数图形符号:通电延时线圈延时触头KTKT断电延时线圈延时触头KTKT瞬时触头KT半圆开口方向是触点延时动作的指向1、通电延时型控制线路SB2按下→KA接通

→KT接通→延时→KM接通2、断电延时型控制线路SB2按下→KA接通→KT接通→KM立即接通SB1断开→KA，KT断开→延时→KM延时后断开特点：半导体式+执行继电器寿命长，精度高，体积小，调节范围宽目前的主流产品半导体式时间继电器一般分为RC充放电式(模拟式)时间继电器数字式时间继电器微机式时间继电器4.2.1概述

1）RC充放电式(模拟式)时间继电器利用电容对电压变化的阻尼作用作为其延时基础，并且大多数阻尼式延时电路都有类似下图所示的电路结构形式由阻容环节、鉴幅器、出口电路和电源四部分组成当接通电源时，电源电压通过电阻R对电容C充电，电容上的电压Uc按指数规律上升。当Uc上升到鉴幅器的门限电压Ud时，鉴幅器即输出开关信号至后级电路，使执行继电器动作。电容充电曲线如图

图4-8阻容延时电路基本结构形式

JS20系列半导体式时间继电器

<1>分类单结晶体管电路场效应管电路<2>延时等级通电延时型分为1,5,10,30,60,120,180,300,600,1800,3600s断电延时型分为1,5,10,30,60,120,180s.图4-10JS20系列半导体时间继电器通电延时型半导体式时间继电器图4-11JS20单结晶体管时间继电器电路图4-12JS20单结晶体管时间继电器框图

延时环节、鉴幅器、输出电路、电源和指示灯N五部分组成电压的稳压部分由电阻R1和稳压管V3构成,供给延时和鉴幅输出电路中的晶闸管VT和继电器KA电容C2的充电回路有两条:一条是通过电位器RP1和电阻R2，另一条是通过由低阻值电阻R4、R5和电位器RP2组成的分压器经二极管V2向电容C2提供的预充电路。电路工作原理

当接通电源后，经V1整流、电容C1滤波以及稳压管V3稳压的直流电压通过RP2、R4、V2向电容C2以极低的时间常数快速充电也通过RP1和R2向该电容充电。电容C2上电压在相当于UR5预充电压的基础上按指数规律逐渐升高。当此电压大于单结晶体管的峰点电压Up时，单结晶体管V4导通，输出电压脉冲触发晶闸管VT。VT导通后使继电器KA吸合，除用其触点来接通或分断外电路外，还利用其另一常开触点将C2短路，使之迅速放电，为下次使用作准备。此时氖指示灯N启辉。当切断电源时，KA释放，电路恢复原始状态，等待下次动作。

断电延时型半导体式时间继电器当切断断电延时型时间继电器电源后，其触点仍暂时保持不动，等到延时时间达到后才动作JS20断电延时型时间继电器采用了两个延时继电器，一个是带有机械锁扣的瞬动延时型时间继电器KD，当接通电源，KD立即吸合并通过机械锁扣自锁。机械锁扣示意图如图4-13所示。当切断电源后，它自己不能释放，其释放是依靠另一个继电器Ks。Ks在断电以后经过预定的延时时间短时地吸动一下，打开KD的机械锁扣，于是KD延时释放。图4-13带有机械锁扣继电器结构示意图JS20断电延时继电器原理接通电源后，四个电容器均迅速充电。C1(50uF)是电源滤波电容，C2(33uF)、C4(50uF)是在电源断电以后分别给场效应晶体管和Ks回路提供电压及能量的电容器。C3是延时电容。C3上电压接近稳压管V4的电压，而C2上的电压由于有电位器RP2的分压作用，其值较小，因此V1(场效应管)的UGS=UC2-UC3〈0,调整RP2可使V1处于关断状态，V2,V3也随之截止。当电源切断后，C2，C4分别因V1，V3，截止而无法放电，C3则可以通过放电电阻RP1+R5放电。当放电到UGS大于其夹断电压一定值时，V1导通，C2通过R4,V3,V2的发射结和V1的D、S极放电，由于V2导通，C3也经R4,V3的发射结及V2放电，C3上的电压下降又促使V1进一步导通。这一正反馈过程使C2，C3，C4迅速放电，各管迅速导通，Ks吸动，打开KD的机械锁扣。电路中的二极管V6，V7，V9分别用来防止C2

，C3，C4在延时过程中对其他低电阻放电，V5起温度补偿作用，KD在吸合后有锁扣自锁，故通电后可用其一对转换触点将自己断电。为使吸合过程可靠(KD中电流为半波整流电流)，线圈上并联了一个小容量电容C5采用CMOS集成电路CD4060构成，继电器由振荡器、分频器和三级脉冲计数器组成，通过BCD码拨盘开关整定延时值继电器通常不带电，一但施加额定电压后，继电器内部瞬动继电器动作，同时使晶体起振，产生时钟脉冲，经分频后由计数器计脉冲数，当所计脉冲数达到延时整定值时，触发器翻转，驱动出口继电器动作，实现所需延时由于采用晶振,并增加时间补偿预置电路，对于极短的延时值也严格符合整定值,具有极高的精度2）数字式时间继电器DHC80910集成电路是一个单片机最小系统，由CPU、片内ROM、片内RAM、可编程输入/输出(I/O)、计数器/定时、LCD驱动电路、LCD基准电压电路和振荡电路构成。由两路电源供电，当外部有电源时，该电路由外部电源供电，当外部停电时，停电检测电路立即发出停电信号使该电路的功耗减到最小，此时单片机由电池供电保持RAM中的数据(数据保持时间可达10年)，并且设定按钮能够在停电时设定数据当设定好数据后，键保护输入能按不同的要求分别锁定功能设定(MODE)键、复位(RESET)键和时间设定键使这些键的操作无效，这样可以防止误操作，也使操作者只能改变设计者允许改变的数据。3）微机式时间继电器原理框图

图4-2DHC6多制式时间继电器的原理框图<3>主要技术指标①对延时范围的要求:每种延时等级的最大延时值应大于其标称的延时值，但小于其标称延时值的110%；最小延时值应小于其标称延时值的90%②通电延时型的重复工作时间间隔:重复工作时间间隔不小于1s,即两次使用的间隔时间只要不小于1s，则延时电容就不会有明显的残存电压而影响下次工作的延时精度。③断电延时型最小通电时间:最小通断时间不小于1s，则在接通电源后，断电延时电容迅速充电的时间不大于1s，从而保证在通电后1s就可以进行断电延时。④重复延时误差:重复延时误差不大于±3%<3>主要技术指标⑤综合延时误差:工作电压为额定电压的85%~110%、环境温度在-10~40范围内变化时，连续动作误差不大于±10%。⑥抗干扰性能:主要是指对电源串入的音频和高频干扰信号的抵御能力。当JS20的电源端叠加有f为150~15000Hz、幅值(有效值)为工作电压的5%音频正弦信号，或叠加有2次/s、峰值为电源电压2倍、宽度分别为20us与80us的脉冲信号时，时间继电器应符合重复延时误差的要求。<3>主要技术指标<3>主要技术指标典型接线电阻负载<

3A容性负载<0.5A可以由时间继电器直接控制4.3半导体式行程开关本节结构4.3.1概述4.3.2典型范例一——停振型行程开关4.3.3典型范例二——差动变压器型行程开关4.3.1概述

无触点的行程开关又称为接近开关(半导体式行程开关)。当某种物体与之接近到一定的距离时就会发出动作信号，它不像机械行程开关那样需要施加机械力，而是通过其感辨头与被测物体间的介质能量变化来获取信号。半导体式行程开关的应用已远远超出一般行程控制和限位保护的范畴，例如用于高速计数、测速、液面控制、检测金属体的存在、零件尺寸以及无触点按钮等。即使用于一般行程控制，其定位精度、操作频率、使用寿命和对恶劣环境的适应能力也优于一般机械式行程开关。三、接近开关的特点

（1）非接触检测，与被测物不接触（2）不会产生机械磨损和疲劳损伤、工作寿命长（3）响应快响应时间只有几毫秒或十几毫秒（4）无触点、无火花、无噪声（5）防潮、防尘、防爆性能较好(金属或者高强度塑料外壳，内部树脂填充)（6）输出信号负载能力强、体积小、安装、调整方便；使用注意点：触点容量较小、输出短路时易烧毁。

分类

半导体式行程开关根据其感辨机构的工作原理可以分为：

(1)高频振荡型

(2)电磁感应型

(3)电容型

(4)光电型

(5)永磁型

(6)超声波型

(7)霍尔型(1)高频振荡型行程开关(电涡流型)高频振荡型行程开关是一种有开关量输出的位置传感器，它由LC高频振荡器和放大处理电路组成，利用金属物体接近产生电磁场的振荡感应头，使物体内部产生涡流，涡流反作用于行程开关，使行程开关振荡能力衰减，内部电路的参数发生变化，由此识别出有无金属物体接近，进而控制开关的通断。这种行程开关用于检测各种金属物体，当前应用最为普遍。另外，值得指出的是:不同的金属物体接近振荡感应头时，使行程开关振荡能力衰减的程度不一样，表3-2列出了几种常用金属体的衰减系数。（2）电磁感应型行程开关(包括差动变压器型)

利用被检测物体接近时产生的涡流及磁场的变化，以衡量检测线圈和比较线圈之间差值进行动作的。用于检测导磁和非导磁金属。（3）电容型行程开关

这种开关通常是构成电容器的一个极板，而另一个极板是开关的外壳，而外壳是接地或与设备的机壳相连。同时和其他电路构成电容式振荡器。它的电容位于传感界面，当物体接近时，将因为耦合电容值的变化而振荡，从而产生振荡或停止振荡使输出信号发生改变。电容式行程开关可用各种材料触发，如固体、液体或粉末状物体。（4）光电式行程开关利用被检测物体对红外光束的遮光或反射，由同步回路选通而检测物体的有无，其检测的物体不限于金属，也可以进行非接触、无损伤地检测和控制各种固体、液体、透明体、黑体、柔软体和烟雾等的状态和动作。依据检测方式的不同，光电式行程开关可分为:反射式光电开关、对射式光电开关、镜面反射式光电开关三种类型。（5）永磁型行程开关利用永久磁铁的吸力驱动舌簧开关而输出信号。永磁型以及磁敏元件用于检测磁场及磁性金属。（6）超声波型行程开关

主要由压电陶瓷传感器、发射超声波和接收反射波用的电子装置及调节检测范围用的程控桥式开关等几个部分组成。适于检测不能或不可触及的目标，其控制功能不受声、电、光等因素干扰，检测目标可以是固体、液体或粉末状态的物体，只要能反射超声波即可。（7）霍尔型行程开关将磁信号转换为电信号输出方式工作的，其输出具有记忆保持功能。内部的磁敏元件仅对垂直于传感器的截面磁场敏感，当磁极S正对接近开关时，接近开关的输出产生正跳变，输出为高电平。若磁极N正对接近开关时，输出为低电平。图4-16常见的半导体式行程开关主要技术指标

①动作距离与复位行程

大多数半导体式行程开关的动作距离是指开关刚好动作时感辨头与检测体之间的距离。半导体式行程开关说明书中规定的是动作距离的标准值，在常温和额定电压下，开关的实际动作值不应小于其标准值也不能大于其标准值的20%。一般动作距离在5~30mm之间，精度为5um—0.5mm。复位行程是指开关从“动作”到“复位”的位移距离。一般控制回差20%以内②重复精度

在常温和额定电压下连续进行10次试验，取其中最大或最小值与10次试验的平均值之差作为半导体式行程开关的重复精度。

（一般达到1%）③操作频率

操作频率即每秒最高操作次数。操作频率的大小与半导体式行程开关信号发生机构的原理及出口元件的种类有关。采用无触点输出形式的半导体式行程开关，操作频率主要取决于信号发生机构及电路中的其他储能元件;若为触点输出形式，则主要取决于所用继电器的操作频率。（常用可以达到300-800Hz）

③标准检测体

由于不同材料的动作距离是不同的，一般定义一个1mm厚的铁片，作为标准检测体，尺寸：20x20x1mm,25x25x1mm,30x30x1mm不等，由传感器厂家定义。4.3.2典型范例一——停振型行程开关1、概述半导体式停振型接近开关属于高频振荡型，是一种典型的半导体式停振型行程开关。高频振荡型行程开关是以金属触发为原理，主要由高频振荡器、集成电路或晶体管组成的放大电路和输出电路三部分构成

停振型行程开关高频振荡型接近信号的发生机构实际上是一个LC振荡器，其中L是电感式感辨头。当金属检测体接近感辨头时，在金属检测体中将产生涡流，由于涡流的去磁作用使感辨头的等效参数发生变化，由此改变振荡回路的谐振阻抗和谐振频率，振荡回路损耗增大，使振荡停止。振荡器的振荡信号和停振信号，经整形放大后转换成开关信号输出。LC振荡器由LC谐振回路、放大器和反馈电路构成。按反馈方式可分为电感分压反馈式、电容分压反馈式和变压器反馈式。半导体式停振型行程开关电路组成框图2、示例半导体式停振型行程开关电路

当振荡器振荡时，V2频繁开通关断，C4滤波，V3可靠截止。当有金属检测体接近感辨头L,使振荡器停振时，V2关断，V3导通。由C2取出的反馈电压经R2和R1加到晶体管V1的射极和“地”之间，取分压比等于1，即C1=C2，其目的是为了能够通过改变RP来整定开关的动作距离。振荡器输出的正半周电压使C3充电。负半周C3放电，选择较大的R4可减小放电电流，由于每周内的冲电量等于放电量，所以较大的R4也会减小充电电流，使振荡器在正半周的负担减轻。但是R4也不应过大，以免V2基极信号过小而在正半周内不足以导通。检波电容C4由于充电时间常数R5C4远大于放电时间常数(C4在V2导通时，通过V7放电)，因此当振荡器振荡时，V2的集电极电位基本等于其发射极电位并使V3可靠截止。当有金属检测体接近感辨头L使振荡器停振时，V3的导通。C4的另一个作用是当电路接通电源时，振荡器虽不能立即起振，但由于C4上的电压不能突变，使V3不致有瞬间的误导通。4.3.3典型范例二——差动变压器型行程开关差动变压器型行程开关的感辨头采用铁氧体材料制成的H型铁心中心柱上绕有励磁绕组ω,感应绕组ω1

和ω2及

ω3和ω4各为同极形，而两对绕组ω1

和ω2及

ω3和ω4反极性串联，使输出电势为两边的差动电势.当无检测体时，铁心两侧磁场对称，输出电势，e0=e1-e2=0，当金属体向右侧气缝接近时，检测体中感生的涡流对右侧磁场产生去磁作用，从而使二次绕组有差动电势e0>0图4-20差动变压器型半导体式接近开关电路L：高频激励线圈有金属物体接近时，有差动电势e0>0C7是直流隔离电容，让放大后的高频信号e0

差动变压器有较高的感辨