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固態繼電器工作原理、分類及選型注意事項
 
文章編號:
100821143727
文章分類: 電路 電子元件
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关 键 词: 固態繼電器
文章來源:
www.cntronics.com
摘 要:
1.什么是固態繼電器,有什么优缺点2.固態繼電器可应用于哪些场合3.固態繼電器可分为哪些类型4.過零型SSR與隨機型SSR在用途上有什麽區別5.固態繼電器的分类与工作原理。6.選型使用時應注意事項

1.什么是固態繼電器,有什么优缺点

固態繼電器(亦称固体继电器)英文名称为SolidStateRelay,简称SSR。它是用半导体器件代替传统电接点作为切换装置的具有继电器特性的无触点开关器件,单相SSR为四端有源器件,其中两个输入控制端,两个输出端,输入输出间为光隔离,输入端加上直流或脉冲信号到一定电流值后,输出端就能从断态转变成通态。

固態繼電器工作可靠,寿命长,无噪声,无火花,无电磁干扰,开关速度快,抗干扰能力强,且体积小,耐冲击,耐振荡,防爆、防潮、防腐蚀、能与TTL、DTL、HTL等逻辑電路兼容,以微小的控制信号达到直接驱动大电流负载。主要不足是存在通态压降(需相应散热措施),有断态漏电流,交直流不能通用,触点组数少,另外过电流、过电压及电压上升率、电流上升率等指标差。

2.固態繼電器可应用于哪些场合


固態繼電器目前已广泛应用于计算机外围接口装置,电炉加热恒温系统,数控机械,邑系统、工业自动化装置;信号灯、闪烁器、照明舞台灯光控制系统;仪器仪表、医疗器械、复印机、自动洗衣机;自动消防,保安系统,以及作为电网功率因素补偿的电力电容的切换开关等等,另外在化工、煤矿等需防爆、防潮、防腐蚀场合中都有大量使用。

3.固態繼電器可分为哪些类型

交流固態繼電器按开关方式分有电压过零导通型(简称过零型)和随机导通型(简称随机型);按输出开关元件分有双向可控硅输出型(普通型)和单向可控硅反并联型(增强型);按安装方式分有印刷线路板上用的针插式(自然冷却,不必带散热器)和固定在金属底板上的装置式(靠散热器冷却);另外输入端又有宽范围输入(DC3-32V)的恒流源型和串电阻限流型等。

4.過零型SSR與隨機型SSR在用途上有什麽區別

过零型SSR用作“开关”切换(从“开关”切换功能而言即等同于普通的继电器或接触器),我们通常讲的固態繼電器多数都为过零型(过零型SSR只能“开关”不能“调压”)。

随机型SSR主要用于“斩波调压”(但随机型SSR的控制信号必须为与电网同步且上升沿可在0°-180°范围内改变的方波信号时才能实现调压,单一电压信号或0-5V的模拟信号并不能使其调压,从“调压”功能的角度讲随机型SSR完全不同于普通的继电器或接触器)。有一点必须强调,各类调压拈或固態繼電器内部作为输出触点的器件均为可控硅,且都是依靠改变可控硅导通角来达到“调压”的目的,故输出的电压波形均为“缺角”的正弦波(不同于自耦调压器输出的完整正弦波),因此存在高次谐波,有一定噪音,电网有一定“污染”(国内外同类産品均相同,这是由斩波调压原理决定的)。

固態繼電器的分类与工作原理

固態繼電器(SolidStateRelays,缩写SSR)是一种无触点电子开关,由分立元器件、膜固定电阻网络和芯片,采用混合工艺组装来实现控制回路(输入電路)与负载回路(输出電路)的电隔离及信号耦合,由固态器件实现负载的通断切换功能,内部无任何可动部件。尽管市场上的固態繼電器型号规格繁多,但它们的工作原理基本上是相似的。主要由输入(控制)電路,驱动電路和输出(负载)電路三部分组成。
  
固態繼電器的输入電路是为输入控制信号提供一个回路,使之成为固態繼電器的触发信号源。固態繼電器的输入電路多为直流输入,个别的为交流输入。直流输入電路又分为阻性输入和恒流输入。阻性输入電路的输入控制电流随输入电压呈线性的正向变化。恒流输入電路,在输入电压达到一定值时,电流不再随电压的升高而明显增大,这种继电器可适用于相当宽的输入电压范围。
  
固態繼電器的驱动電路可以包括隔离耦合電路、功能電路和触发電路三部分。隔离耦合電路,目前多采用光电耦合器和高频变压器两种電路形式。常用的光电耦合器有光-三极管、光-双向可控硅、光-二极管阵列(光-伏)等。高频变压器耦合,是在一定的输入电压下,形成约10MHz的自激振荡,通过变压器磁芯将高频信号传递到变压器次级。功能電路可包括检波整流、过零、加速、保护、显示等各种功能電路。触发電路的作用是给输出器件提供触发信号。
  
固態繼電器的输出電路是在触发信号的控制下,实现固態繼電器的通断切换。输出電路主要由输出器件(芯片)和起瞬态抑制作用的吸收回路组成,有时还包括反馈電路。目前,各种固態繼電器使用的输出器件主要有晶体三极管(Transistor)、单向可控硅(Thyristor或SCR)、双向可控硅(Triac)、MOS场效应管(MOSFET)、绝缘栅型双极晶体管(IGBT)等。

固態繼電器原理固態繼電器(SolidstateRelay,SSR)是一种由固态电子组件组成的新型无触点开关,利用电子组件(如开关三极管、双向可控硅等半导体组件)的开关特性,达到无触点、无火花、而能接通和断开電路的目的,因此又被称为“无触点开关”。相对于以往的“线圈—簧片触点式”继电器(ElectromechanicalRelay,EMR),SSR没有任何可动的机械零件,工作中也没有任何机械动作,具有超越EMR的优势,如反应快、可靠度高、寿命长(SSR的开关次数可达108"109次,比一般EMR的106高出百倍)、无动作噪声、耐震、耐机械冲击、具有良好的防潮防霉防腐特性。这些特点使SSR在军事、化工、和各种工业民用电控设备中均有广泛应用。
固態繼電器的控制信号所需的功率极低,因此可以用弱信号控制强电流。同时交流型的SSR采用过零触发技术,使SSR可以安全地用在计算机输出接口,不会像EMR那样产生一系列对计算机的干扰,甚至会导致严重当机。比较常用的是DIP封装的型式∝制电压和负载电压按使用场合可以分成交流和直流两大类,因此会有DC-AC、DC-DC、AC-AC、AC-DC四种型式,它们分别在交流或直流电源上做负载的开关,不能混用.

按负载电源的类型不同可将SSR分为交流固態繼電器(AC—SSR)和直流固態繼電器(DC—SSR)。AC—SSR是以双向晶闸管作为开关器件,用来接通或断开交流负载电源的固態繼電器。AC—SSR的控制触发方式不同,又可分为过零触发型和随机导通型两种。过零触发型AC—SSR是当控制信号输入后,在交流电源经过零电压附近时导通,故干扰很小。随机导通型AC—SSR则是在交流电源的任一相位上导通或关断,因此在导通瞬间可能产生较大的干扰。

工作原理
  
过零触发型AC—SSR为四端器件,其内部電路如图1所示。1、2为输入端,3、4为输出端。R0为限流电阻,光耦合器将输入与输出電路在电气上隔离开,V1构成反相器,R4、R5、V2和晶闸管V3组成过零检测電路,UR为双向整流桥,由V3和UR用以获得使双向晶闸管V4开启的双向触发脉冲,R3、R7为分流电阻,分别用来保护V3和V4,R8和C组成浪涌吸收网络,以吸收电源中带有的尖峰电压或浪涌电流,防止对开关電路产生冲击或干扰。



要指出的是所謂“過零”並非真的必須是電源電壓波形的零處,而一般是指在10~25V或-(10~25)V區域內進行觸發,如圖2所示。圖中交流電壓分三個區域,Ⅰ區爲-10V~+10V範圍,稱爲死區,在此區域中加入輸入信號時不能使SSR導通。Ⅱ區爲10~25V和-(10~25)V範圍,稱爲響應區,在此區域內只要加入輸入信號,SSR立即導通。Ⅲ區爲幅值大于25V的範圍,稱爲抑制區在此區域內加入輸入信號,SSR的導通被抑制。

當輸入端未加電壓信號時,光耦合器的光敏晶體管因未接收光而截止,V1飽和,V3和V4因無觸發電壓而截止,此時SSR關閉。當加入輸入信號時,光耦合器中的發光二極管發光,光敏晶體管飽和,使V1截止。此時若V3兩端電壓在-(10~25)V或10~25V範圍內時,只要適當選擇分壓電阻R4和R5,就可使V2截止,這樣使V3觸發導通,從而使V4的控制極上得到從R6→UR→V3→UR→R7或反方向的觸發脈沖,而使V4導通,使負載接通交流電源。而若交流電壓波形在圖2中的Ⅲ區內時,則因V2飽和而抑制V3和V4的導通,而使SSR被抑制,從而實現了過零觸發控制。由于10~25V幅值與電源電壓幅值相比可近似看作“零”。因此,一般就將過零電壓粗略地定義爲0~±25V,即認爲在此區域內,只要加入輸入信號,過零觸發型AC—SSR都能導通。
  
當輸入端電壓信號撤除後,光耦合器中的光敏晶體管截止,V1飽和,V3截止,但此時V4仍保持導通,直到負載電流隨電源電壓減小到小于雙向晶閘管的維持電流時,SSR才轉爲截止。
  
SSR的輸出端器件可分爲雙向晶閘管和兩只單向晶閘管反並聯形式。若負載爲電動機一類的感性負載,則其靜態電壓上升率dv/dt是一個重要參數。由于單向晶閘管靜態電壓上升率(200V/μs)大大高于雙向晶閘管的換向指標(10V/μs),因此若采用兩只大功率單向晶閘管反並聯代替雙向晶閘管,一方面可提高輸出功率;另一方面也可提高耐浪湧電流的沖擊能力,這種SSR稱爲增強型SSR。

選型使用時應注意事項

在选用小电流规格印刷電路板使用的固態繼電器时,因引线端子为高导热材料制成,焊接时应在温度小于250℃、时间小于10S的条件下进行,如考虑周围温度的原因,必要时可考虑降额使用,一般将负载电流控制在额定值的1/2以内使用。

各種負載浪湧特性對SSR的選擇,許多被控負載在接通瞬間會産生很大的浪湧電流,由于熱量來不及散發,很可能使SSR內部可控矽損壞,所以用戶在選用繼電器時應對被控負載的浪湧特性進行分析,然後再選擇繼電器。使繼電器在保證穩態工作前提下能夠承受這個浪湧電流,選擇時可參考表2各種負載時的降額系數(常溫下)。如所選用的繼電器需在工作較頻繁、壽命以及可靠性要求較高的場合工作時,則應在表2的基礎上再乘以0.6以確保工作可靠。

一般在选用时遵循上述原则,在低电压要求信号失真小可选用采用场效应管作输出器件的直流固态继器;如对交流阻性负载和多数感性负载,可选用过零型继电器,这样可延长负载和继电器寿命,也可减小自身的射频干扰。如作为相位输出控制时,应选用随机型固態繼電器。

使用环境温度的影响,固態繼電器的负载能力受环境温度和自身温升的影响较大,在安装使用过程中,应保证其有良好的散热条件,额定工作电流在10A以上的産品应配散热器,100A以上的産品应配散热器加风扇强冷。在安装时应注意继电器底部与散热器的良好接触,并考虑涂适量导热硅脂以达到最佳散热效果。如继电器长期工作在高温状态下(40℃~80℃)时,用户可根据厂家提供的最大输出电流与环境温度曲线数据,考虑降额使用来保证正常工作。

D过流、过压保护措施,在继电器使用时,因过流和负载短路会造成SSR内部输出可控硅永久损坏,可考虑在控制回路中增加快速熔断器和空气开关予以保护型(选择继电器应选择産品输出保护,内置压敏电阻吸收回路和RC缓冲器,可吸收浪涌电压和提高dv/dt耐量);也可在继电器输出端并接RC吸收回路和压敏电阻(MOV)来实现输出保护。选用原则是220V选用500V-600V压敏电阻,380V时可选用800V-900V压敏电阻。

E繼電器輸入回路信號,在使用時因輸入電壓過高或輸入電流過大超出其規定的額定參數時,可考慮在輸入端串接分壓電阻或在輸入端口並接分流電阻,以使輸入信號不超過其額定參數值。

在具體使用時,控制信號和負載電源要求穩定,波動不應大于10%,否則應采取穩壓措施。

在安裝使用時應遠離電磁幹擾,射頻幹擾源,以防繼電器誤動失控。

固態繼電器开路且负载端有电压时,输出端会有一定的漏电流,在使用或设计时应注意。

固態繼電器失效更换时,应尽量选用原型号或技术参数完全相同的産品,以便与原应用线路匹配,保证系统的可靠工作
 

 
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