德國皮爾茲PILZPNOZelog固態(tài)繼電器 工作原理

1.什么是固態(tài)繼電器,，有什么優(yōu)缺點？

　　固態(tài)繼電器（亦稱固體繼電器）英文名稱為Solid State Relay,，簡稱SSR,。它是用半導(dǎo)體器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)電接點作為切換裝置的具有繼電器特性的無觸點開關(guān)器件，單相SSR為四端有源器件,，其中兩個輸入控制端,，兩個輸出端,，輸入輸出間為光隔離,，輸入端加上直流或脈沖信號到一定電流值后,，輸出端就能從斷態(tài)轉(zhuǎn)變成通態(tài)。

　　固態(tài)繼電器工作可靠,，壽命長,，無噪聲，無火花,，無電磁干擾,，開關(guān)速度快，抗干擾能力強(qiáng),，且體積小,，耐沖擊，耐振蕩,，防爆,、防潮、防腐蝕,、能與TTL,、DTL,、HTL等邏輯電路兼容,，以微小的控制信號達(dá)到直接驅(qū)動大電流負(fù)載。主要不足是存在通態(tài)壓降（需相應(yīng)散熱措施）,，有斷態(tài)漏電流,，交直流不能通用，觸點組數(shù)少,，另外過電流,、過電壓及電壓上升率、電流上升率等指標(biāo)差,。

　　2. 固態(tài)繼電器可應(yīng)用于哪些場合,？

　　固態(tài)繼電器目前已廣泛應(yīng)用于計算機(jī)外圍接口裝置,，電爐加熱恒溫系統(tǒng)，數(shù)控機(jī)械,，遙控系統(tǒng),、工業(yè)自動化裝置；信號燈,、閃爍器,、照明舞臺燈光控制系統(tǒng)；儀器儀表,、醫(yī)療器械,、復(fù)印機(jī)、自動洗衣機(jī),；自動消防,，保安系統(tǒng)，以及作為電網(wǎng)功率因素補(bǔ)償?shù)碾娏﹄娙莸那袚Q開關(guān)等等,，另外在化工,、煤礦等需防爆、防潮,、防腐蝕場合中都有大量使用,。

　　3.固態(tài)繼電器可分為哪些類型？

　　交流固態(tài)繼電器按開關(guān)方式分有電壓過零導(dǎo)通型（簡稱過零型）和隨機(jī)導(dǎo)通型（簡稱隨機(jī)型）,；按輸出開關(guān)元件分有雙向可控硅輸出型（普通型）和單向可控硅反并聯(lián)型（增強(qiáng)型）,；按安裝方式分有印刷線路板上用的針插式（自然冷卻，不必帶散熱器）和固定在金屬底板上的裝置式（靠散熱器冷卻）,；另外輸入端又有寬范圍輸入（DC3－32V）的恒流源型和串電阻限流型等,。

　　4.過零型SSR與隨機(jī)型SSR在用途上有什么區(qū)別？

　　過零型SSR用作“開關(guān)"切換（從“開關(guān)"切換功能而言即等同于普通的繼電器或接觸器）,，我們通常講的固態(tài)繼電器多數(shù)都為過零型（過零型SSR只能“開關(guān)"不能“調(diào)壓"）,。

　　隨機(jī)型SSR主要用于“斬波調(diào)壓"（但隨機(jī)型SSR的控制信號必須為與電網(wǎng)同步且上升沿可在0°-180°范圍內(nèi)改變的方波信號時才能實現(xiàn)調(diào)壓，單一電壓信號或0-5V的模擬信號并不能使其調(diào)壓,，從“調(diào)壓"功能的角度講隨機(jī)型SSR*不同于普通的繼電器或接觸器）,。有一點必須強(qiáng)調(diào)，各類調(diào)壓模塊或固態(tài)繼電器內(nèi)部作為輸出觸點的器件均為可控硅,，且都是依靠改變可控硅導(dǎo)通角來達(dá)到“調(diào)壓"的目的,，故輸出的電壓波形均為“缺角"的正弦波（不同于自耦調(diào)壓器輸出的完整正弦波），因此存在高次諧波,，有一定噪音,，電網(wǎng)有一定“污染"（國內(nèi)外同類產(chǎn)品均相同，這是由斬波調(diào)壓原理決定的）。

　　固態(tài)繼電器的分類與工作原理

　　固態(tài)繼電器(Solid State Relays,縮寫SSR)是一種無觸點電子開關(guān),，由分立元器件,、膜固定電阻網(wǎng)絡(luò)和芯片，采用混合工藝組裝來實現(xiàn)控制回路(輸入電路)與負(fù)載回路(輸出電路)的電隔離及信號耦合,，由固態(tài)器件實現(xiàn)負(fù)載的通斷切換功能,，內(nèi)部無任何可動部件。盡管市場上的固態(tài)繼電器型號規(guī)格繁多,，但它們的工作原理基本上是相似的,。主要由輸入(控制)電路，驅(qū)動電路和輸出(負(fù)載)電路三部分組成,。

　　固態(tài)繼電器的輸入電路是為輸入控制信號提供一個回路,，使之成為固態(tài)繼電器的觸發(fā)信號源。固態(tài)繼電器的輸入電路多為直流輸入,，個別的為交流輸入,。直流輸入電路又分為阻性輸入和恒流輸入。阻性輸入電路的輸入控制電流隨輸入電壓呈線性的正向變化,。恒流輸入電路,，在輸入電壓達(dá)到一定值時，電流不再隨電壓的升高而明顯增大,，這種繼電器可適用于相當(dāng)寬的輸入電壓范圍,。

　　固態(tài)繼電器的驅(qū)動電路可以包括隔離耦合電路、功能電路和觸發(fā)電路三部分,。隔離耦合電路,，目前多采用光電耦合器和高頻變壓器兩種電路形式。常用的光電耦合器有光－三極管,、光－雙向可控硅,、光－二極管陣列(光－伏)等。高頻變壓器耦合,，是在一定的輸入電壓下,，形成約10MHz的自激振蕩，通過變壓器磁芯將高頻信號傳遞到變壓器次級,。功能電路可包括檢波整流,、過零、加速,、保護(hù),、顯示等各種功能電路,。觸發(fā)電路的作用是給輸出器件提供觸發(fā)信號,。

　　固態(tài)繼電器的輸出電路是在觸發(fā)信號的控制下，實現(xiàn)固態(tài)繼電器的通斷切換。輸出電路主要由輸出器件(芯片)和起瞬態(tài)抑制作用的吸收回路組成,，有時還包括反饋電路,。目前，各種固態(tài)繼電器使用的輸出器件主要有晶體三極管(Transistor),、單向可控硅(Thyristor或SCR),、雙向可控硅(Triac)、MOS場效應(yīng)管(MOSFET),、絕緣柵型雙極晶體管(IGBT)等,。

　　固態(tài)繼電器原理 固態(tài)繼電器(Solidstate Relay, SSR)是一種由固態(tài)電子組件組成的新型無觸點開關(guān)，利用電子組件（如開關(guān)三極管,、雙向可控硅等半導(dǎo)體組件）的開關(guān)特性,，達(dá)到無觸點、無火花,、而能接通和斷開電路的目的,，因此又被稱為“無觸點開關(guān)"。相對于以往的“線圈—簧片觸點式"繼電器(Electromechanical Relay, EMR),，SSR沒有任何可動的機(jī)械零件,，工作中也沒有任何機(jī)械動作，具有超越EMR的優(yōu)勢,，如反應(yīng)快,、可靠度高、壽命長（SSR的開關(guān)次數(shù)可達(dá)108"109次,，比一般EMR的106高出百倍）,、無動作噪聲、耐震,、耐機(jī)械沖擊,、具有良好的防潮防霉防腐特性。這些特點使SSR在軍事,、化工,、和各種工業(yè)民用電控設(shè)備中均有廣泛應(yīng)用。固態(tài)繼電器的控制信號所需的功率極低,，因此可以用弱信號控制強(qiáng)電流,。同時交流型的SSR采用過零觸發(fā)技術(shù)，使SSR可以安全地用在計算機(jī)輸出接口,，不會像EMR那樣產(chǎn)生一系列對計算機(jī)的干擾,，甚至?xí)?dǎo)致嚴(yán)重當(dāng)機(jī)。比較常用的是DIP封裝的型式,?？刂齐妷汉拓?fù)載電壓按使用場合可以分成交流和直流兩大類,，因此會有DC-AC、DC-DC,、AC-AC,、AC-DC四種型式，它們分別在交流或直流電源上做負(fù)載的開關(guān),，不能混用.

　　按負(fù)載電源的類型不同可將SSR分為交流固態(tài)繼電器(AC—SSR)和直流固態(tài)繼電器(DC—SSR),。AC—SSR是以雙向晶閘管作為開關(guān)器件，用來接通或斷開交流負(fù)載電源的固態(tài)繼電器,。AC—SSR的控制觸發(fā)方式不同,，又可分為過零觸發(fā)型和隨機(jī)導(dǎo)通型兩種。過零觸發(fā)型AC—SSR是當(dāng)控制信號輸入后,，在交流電源經(jīng)過零電壓附近時導(dǎo)通,，故干擾很小。隨機(jī)導(dǎo)通型AC—SSR則是在交流電源的任一相位上導(dǎo)通或關(guān)斷,，因此在導(dǎo)通瞬間可能產(chǎn)生較大的干擾,。

　　工作原理

　　過零觸發(fā)型AC—SSR為四端器件，其內(nèi)部電路如圖1所示,。1,、2為輸入端，3,、4為輸出端,。R0為限流電阻，光耦合器將輸入與輸出電路在電氣上隔離開,，V1構(gòu)成反相器,，R4、R5,、V2和晶閘管V3組成過零檢測電路,，UR為雙向整流橋，由V3和UR用以獲得使雙向晶閘管V4開啟的雙向觸發(fā)脈沖,，R3,、R7為分流電阻，分別用來保護(hù)V3和V4,，R8和C組成浪涌吸收網(wǎng)絡(luò),，以吸收電源中帶有的尖峰電壓或浪涌電流，防止對開關(guān)電路產(chǎn)生沖擊或干擾,。

　　要指出的是所謂“過零"并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(qū)域內(nèi)進(jìn)行觸發(fā)，如圖2所示,。圖中交流電壓分三個區(qū)域,，Ⅰ區(qū)為-10V～+10V范圍,，稱為死區(qū)，在此區(qū)域中加入輸入信號時不能使SSR導(dǎo)通,。Ⅱ區(qū)為10～25V和-(10～25)V范圍,，稱為響應(yīng)區(qū),，在此區(qū)域內(nèi)只要加入輸入信號,，SSR立即導(dǎo)通。Ⅲ區(qū)為幅值大于25V的范圍,，稱為抑制區(qū)在此區(qū)域內(nèi)加入輸入信號,，SSR的導(dǎo)通被抑制。

　　當(dāng)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(fā)電壓而截止,，此時SSR關(guān)閉,。當(dāng)加入輸入信號時，光耦合器中的發(fā)光二極管發(fā)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范圍內(nèi)時,，只要適當(dāng)選擇分壓電阻R4和R5,，就可使V2截止，這樣使V3觸發(fā)導(dǎo)通,，從而使V 4的控制極上得到從R6→UR→V 3→UR→R7或反方向的觸發(fā)脈沖,，而使V4導(dǎo)通，使負(fù)載接通交流電源,。而若交流電壓波形在圖2中的Ⅲ區(qū)內(nèi)時,，則因V2飽和而抑制V3和V4的導(dǎo)通，而使SSR被抑制,，從而實現(xiàn)了過零觸發(fā)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為0～±25V,，即認(rèn)為在此區(qū)域內(nèi)，只要加入輸入信號,，過零觸發(fā)型AC—SSR都能導(dǎo)通,。

　　當(dāng)輸入端電壓信號撤除后，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(dǎo)通，直到負(fù)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(zhuǎn)為截止,。

　　SSR的輸出端器件可分為雙向晶閘管和兩只單向晶閘管反并聯(lián)形式。若負(fù)載為電動機(jī)一類的感性負(fù)載,，則其靜態(tài)電壓上升率dv/dt是一個重要參數(shù),。由于單向晶閘管靜態(tài)電壓上升率(200V/μs)大大高于雙向晶閘管的換向指標(biāo)(10V/μs)，因此若采用兩只大功率單向晶閘管反并聯(lián)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涌電流的沖擊能力，這種SSR稱為增強(qiáng)型SSR,。

　　選型使用時應(yīng)注意事項

　　在選用小電流規(guī)格印刷電路板使用的固態(tài)繼電器時,，因引線端子為高導(dǎo)熱材料制成,焊接時應(yīng)在溫度小于250℃、時間小于10S的條件下進(jìn)行,，如考慮周圍溫度的原因,，必要時可考慮降額使用，一般將負(fù)載電流控制在額定值的 1/2以內(nèi)使用,。

　　各種負(fù)載浪涌特性對SSR的選擇,許多被控負(fù)載在接通瞬間會產(chǎn)生很大的浪涌電流,，由于熱量來不及散發(fā)，很可能使SSR內(nèi)部可控硅損壞,所以用戶在選用繼電器時應(yīng)對被控負(fù)載的浪涌特性進(jìn)行分析,然后再選擇繼電器,。使繼電器在保證穩(wěn)態(tài)工作前提下能夠承受這個浪涌電流,，選擇時可參考表2各種負(fù)載時的降額系數(shù)(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(yīng)在表2的基礎(chǔ)上再乘以0.6以確保工作可靠。

　　一般在選用時遵循上述原則,，在低電壓要求信號失真小可選用采用場效應(yīng)管作輸出器件的直流固態(tài)繼器,；如對交流阻性負(fù)載和多數(shù)感性負(fù)載，可選用過零型繼電器,，這樣可延長負(fù)載和繼電器壽命,，也可減小自身的射頻干擾。如作為相位輸出控制時,，應(yīng)選用隨機(jī)型固態(tài)繼電器,。

　　使用環(huán)境溫度的影響，固態(tài)繼電器的負(fù)載能力受環(huán)境溫度和自身溫升的影響較大,，在安裝使用過程中,應(yīng)保證其有良好的散熱條件,，額定工作電流在10A以上的產(chǎn)品應(yīng)配散熱器，100A 以上的產(chǎn)品應(yīng)配散熱器加風(fēng)扇強(qiáng)冷 ,。在安裝時應(yīng)注意繼電器底部與散熱器的良好接觸 ,，并考慮涂適量導(dǎo)熱硅脂以達(dá)到*散熱效果,。如繼電器長期工作在高溫狀態(tài)下(40℃~80℃)時，用戶可根據(jù)廠家提供的zui大輸出電流與環(huán)境溫度曲線數(shù)據(jù),，考慮降額使用來保證正常工作,。

　　D 過流、過壓保護(hù)措施,，在繼電器使用時,，因過流和負(fù)載短路會造成SSR內(nèi)部輸出可控硅*損壞 ,可考慮在控制回路中增加快速熔斷器和空氣開關(guān)予以保護(hù)型(選擇繼電器應(yīng)選擇產(chǎn)品輸出保護(hù),內(nèi)置壓敏電阻吸收回路和RC緩沖器,可吸收浪涌電壓和提高dv/dt耐量）；也可在繼電器輸出端并接 RC吸收回路和壓敏電阻(MOV)來實現(xiàn)輸出保護(hù),。選用原則是220V選用500V-600V壓敏電阻,，380V時可選用800V-900V壓敏電阻,。

　　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(guī)定的額定參數(shù)時,可考慮在輸入端串接分壓電阻或在輸入端口并接分流電阻,以使輸入信號不超過其額定參數(shù)值。

　　在具體使用時,控制信號和負(fù)載電源要求穩(wěn)定,，波動不應(yīng)大于10%,，否則應(yīng)采取穩(wěn)壓措施。

　　在安裝使用時應(yīng)遠(yuǎn)離電磁干擾,射頻干擾源,，以防繼電器誤動失控,。

　　固態(tài)繼電器開路且負(fù)載端有電壓時,輸出端會有一定的漏電流，在使用或設(shè)計時應(yīng)注意,。

　　固態(tài)繼電器失效更換時,應(yīng)盡量選用原型號或技術(shù)參數(shù)*相同的產(chǎn)品,，以便與原應(yīng)用線路匹配，保證系統(tǒng)的可靠工作