固态继电器的特点和工作原理.doc

1、固态继电器工作原理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

2、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 5 20 倍。由于采用两只大功率单向可

3、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。固态继电器工作原理若有乱

4、码，请将编码转成 UTF-81. 固态继电器(Solid State Relays,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(输入电路)与负载回路(输出电路)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。尽管市场上的固态继电器型号规格繁多，但它们的工作原理基本上是相似的。主要由输入(控制)电路，驱动电路和输出(负载)电路三部分组成。 固态继电器的输入电路是为输入控制信号提供一个回路，使之成为固态继电器的触发信号源。固态继电器的输入电路多为直流输入，个别的为交流输入。直流输入电路又分为阻性输入和恒流输入。阻

5、性输入电路的输入控制电流随输入电压呈线性的正向变化。恒流输入电路，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。 固态继电器的驱动电路可以包括隔离耦合电路、功能电路和触发电路三部分。隔离耦合电路，目前多采用光电耦合器和高频变压器两种电路形式。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。功能电路可包括检波整流、过零、加速、保护、显示等各种功能电路。触发电路的作用是给输出器件提供触发信号。 固态继电器的输出电路是在触

6、发信号的控制下，实现固态继电器的通断切换。输出电路主要由输出器件(芯片)和起瞬态抑制作用的吸收回路组成，有时还包括反馈电路。目前，各种固态继电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。固态继电器原理 固态继电器(Solidstate Relay, 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、而能接通和断开电路的目的，因此又被称为“无触点开关”。相对于以往

7、的“线圈簧片触点式”继电器(Electromechanical Relay, 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。固态继电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

8、干扰，甚至会导致严重当机。比较常用的是 DIP 封装的型式。控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 分为交流固态继电器(ACSSR)和直流固态继电器(DCSSR)。ACSSR 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态继电器。ACSSR 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 ACSSR 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ACSSR 则是在交流电

9、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。12 工作原理过零触发型 ACSSR 为四端器件，其内部电路如图 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电路在电气上隔离开，V1 构成反相器，R4、R5、V2和晶闸管 V3 组成过零检测电路，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，防止对开关电路产生冲击或干扰。 要指出的是所谓“过零”并非真的必须是电源电压波形的零处，而一

10、般是指在 1025V 或-(1025)V 区域内进行触发，如图 2 所示。图中交流电压分三个区域，区为-10V+10V范围，称为死区，在此区域中加入输入信号时不能使 SSR 导通。区为 1025V 和-(1025)V 范围，称为响应区，在此区域内只要加入输入信号，SSR 立即导通。区为幅值大于 25V 的范围，称为抑制区在此区域内加入输入信号，SSR 的导通被抑制。 当输入端未加电压信号时，光耦合器的光敏晶体管因未接收光而截止，V1 饱和，V3和 V4 因无触发电压而截止，此时 SSR 关闭。当加入输入信号时，光耦合器中的发光二极管发光，光敏晶体管饱和，使 V1 截止。此时若 V3 两端电压在

11、-(1025)V 或 1025V 范围内时，只要适当选择分压电阻 R4 和 R5，就可使 V2 截止，这样使 V3 触发导通，从而使 V 4的控制极上得到从 R6URV 3URR7 或反方向的触发脉冲，而使 V4 导通，使负载接通交流电源。而若交流电压波形在图 2 中的区内时，则因 V2 饱和而抑制 V3 和 V4 的导通，而使 SSR 被抑制，从而实现了过零触发控制。由于 1025V 幅值与电源电压幅值相比可近似看作“零”。因此，一般就将过零电压粗略地定义为 025V，即认为在此区域内，只要加入输入信号，过零触发型 ACSSR 都能导通。当输入端电压信号撤除后，光耦合器中的光敏晶体管截止，V

12、1 饱和，V3 截止，但此时V4 仍保持导通，直到负载电流随电源电压减小到小于双向晶闸管的维持电流时，SSR 才转为截止。SSR 的输出端器件可分为双向晶闸管和两只单向晶闸管反并联形式。若负载为电动机一类的感性负载，则其静态电压上升率 dv/dt 是一个重要参数。由于单向晶闸管静态电压上升率(200V/s)大大高于双向晶闸管的换向指标(10V/s)，因此若采用两只大功率单向晶闸管反并联代替双向晶闸管，一方面可提高输出功率；另一方面也可提高耐浪涌电流的冲击能力，这种 SSR 称为增强型 SSR。 . 选型使用时应注意事项 .1 在选用小电流规格印刷电路板使用的固态继电器时，因引线端子为高导热材料

13、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。 .2 各种负载浪涌特性对 SSR 的选择 许多被控负载在接通瞬间会产生很大的浪涌电流，由于热量来不及散发，很可能使SSR 内部可控硅损坏,所以用户在选用继电器时应对被控负载的浪涌特性进行分析,然后再选择继电器。使继电器在保证稳态工作前提下能够承受这个浪涌电流，选择时可参考表 2各种负载时的降额系数(常温下)。 如所选用的继电器需在工作较频繁、寿命以及可靠性要求较高的场合工作时，则应在表 2 的基础上再乘以 0.6 以确保工作可靠。 一般

14、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，应选用随机型固态继电器。 .3 使用环境温度的影响 固态继电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 以上的产品应配散热器，100A 以上的产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(4080)时，用户可根据厂家提

15、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。 .4 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(选择继电器应选择产品输出保护,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。 .5 继电器输入回路信号 在使用时因输入电压过高或输入电流过大超出其规定的额定参数时,可

16、考虑在输入端串接分压电阻或在输入端口并接分流电阻,以使输入信号不超过其额定参数值。 .6 在具体使用时,控制信号和负载电源要求稳定，波动不应大于 10%，否则应采取稳压措施。 .7 在安装使用时应远离电磁干扰,射频干扰源，以防继电器误动失控。 .8 固态继电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。 .9 固态继电器失效更换时,应尽量选用原型号或技术参数完全相同的产品，以便与原应用线路匹配，保证系统的可靠工作。 固态继电器的特点和工作原理固态继电器的特点很多应用中，需要很快的切换功率元件（从几瓦到到数千瓦）。一个很好的例子是温控系统中的加热器元件的控制。通过宽脉冲调

17、幅调节输入系统的加热，周期地开关固定功率的加热元件，从几秒到几分钟。机械式继电器具有有限的开关次数，因为它们的元件经过几万次之后就用坏了。 固态继电器是用分离的电子元器件、集成电路（或芯片）及混合微电路技术结合发展起来的一种具有继电特性的无触点式电子开关，为四端有源器件。其中两个端子为低电流输入控制端，另外两端为高电流输出受控端，即负载端，中间采用光电隔离，作为输入输出之间电气隔离。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，无信号时就呈阻断状态，从而控制较大负载。但由于这种隔离，固态继电器的负载端实际上通过开关电路来供电，所以要启动继电器必须在负载端同时提供电压和负载。固

18、态继电器是具有寿命长、可靠性高、开关速度快、电磁干扰小、无噪声、无火花等特点，可广泛应用于航天、航海、家电、机床、通讯、化工、煤矿等工业自动化等领域。固态继电器工作原理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。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。这个电压将通过固态继电器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。