如何選擇和正確的使用固態(tài)繼電器

1、固態(tài)繼電器的合理選擇

選擇固態(tài)繼電器時(shí)，應(yīng)對(duì)照應(yīng)用條件，分析研究手冊(cè)、詳細(xì)規(guī)范和產(chǎn)品技術(shù)性能及參數(shù)，同時(shí)應(yīng)該注意到固態(tài)繼電器性能參數(shù)和負(fù)載能力受環(huán)境溫度和自身溫度的影響較大，其輸入有極性要求，感性和容性負(fù)載時(shí)輸出電路容易受尖封電壓和浪涌電流的損害，導(dǎo)通時(shí)通態(tài)壓降產(chǎn)生的功率損耗和散熱等。重點(diǎn)處理好這些問(wèn)題，有助于實(shí)現(xiàn)固態(tài)繼電器的科學(xué)利用，使其更具可靠性。

（1）：負(fù)載類型、輸出電流和浪涌電流：使用中流過(guò)固態(tài)繼電器輸出端的穩(wěn)態(tài)電流不得超過(guò)產(chǎn)品詳細(xì)規(guī)范的相應(yīng)環(huán)境溫度下的額定輸出電流，可能出現(xiàn)的浪涌電流不得超過(guò)繼電器的過(guò)負(fù)載能力，一般都留有一定的余量。雙向可控硅輸出大多用于阻性負(fù)載，單向可控硅反并聯(lián)輸出大多用于感性和容性負(fù)載。大多數(shù)負(fù)載都可使用“零控”型，但需要調(diào)壓（如調(diào)光）和少數(shù)感性負(fù)載（如變壓器）必須使用“隨機(jī)控”型

幾乎沒(méi)有完全無(wú)浪涌的固態(tài)繼電器負(fù)載，即使電熱元件，盡管它們是純阻性的，由于具有正的溫度系數(shù)，低溫時(shí)電阻較小，因而通常表現(xiàn)為較大的起動(dòng)電流。如電熱爐接通電流常為穩(wěn)態(tài)電流的1.3-1.4倍，白熾燈接通電流常為穩(wěn)態(tài)電流10倍。鹵鎢燈的浪、涌電流可以高達(dá)穩(wěn)態(tài)值的25倍。有些金屬鹵化物燈的開(kāi)啟過(guò)程需10分鐘，在這一過(guò)程中，燈及其鎮(zhèn)流器可能表現(xiàn)為容性和感性?？赡馨殡S有高達(dá)穩(wěn)定值100倍的電流脈沖。

容性負(fù)載具有潛在危險(xiǎn)性。因?yàn)橥姇r(shí)其最初表現(xiàn)為短路，在充電時(shí)會(huì)出現(xiàn)很高的浪涌電流，該電流靠電源內(nèi)阻、電路電阻和電路電感來(lái)限制。如投切電力電容器不但要考慮浪涌電流，還要考慮“過(guò)補(bǔ)”時(shí)的過(guò)電壓。建議選用本公司生產(chǎn)的電容器投切專用固態(tài)繼電器或SGDF系列復(fù)合固態(tài)繼電器。

感性負(fù)載會(huì)產(chǎn)生大的浪涌電流，關(guān)斷時(shí)又可能產(chǎn)生2倍于電源電壓的過(guò)電壓。如交流電磁鐵、接觸器在非激勵(lì)狀態(tài)輸入阻抗低、通電時(shí)會(huì)出現(xiàn)3-4倍于穩(wěn)態(tài)電流的浪涌電流。有飽和剩磁的變壓器，若接通時(shí)繼續(xù)向剩磁方向激磁，由于嚴(yán)重的磁飽和，在開(kāi)始的半周會(huì)出現(xiàn)幾乎僅由繞阻電阻決定的浪涌電流，它甚至可達(dá)穩(wěn)態(tài)電的30倍。交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的浪涌電流最大值是穩(wěn)態(tài)額定電流的5-7倍，而且其起動(dòng)時(shí)的浪涌電流，從初始的堵轉(zhuǎn)電流逐漸過(guò)渡到穩(wěn)態(tài)電流，過(guò)渡的持續(xù)時(shí)間與電機(jī)及負(fù)載的慣性關(guān)系很大，可以從十幾個(gè)電源周波到幾十秒。所以建議用戶選用固態(tài)繼電器時(shí)，應(yīng)先認(rèn)真分析研究或測(cè)試負(fù)載的浪涌特性、然后再選擇固態(tài)繼電器。固態(tài)繼電器必須在保證穩(wěn)態(tài)工作的前提下，能夠承受這個(gè)浪涌電流。

下面給出考慮負(fù)載浪涌電流和固態(tài)繼電器過(guò)負(fù)載能力后，常溫下各種負(fù)載的穩(wěn)壓電流對(duì)固態(tài)繼電器額定輸出電流的降額系數(shù)的推薦值。當(dāng)固態(tài)繼電器處于頻繁操作和要求長(zhǎng)壽命、高可靠的應(yīng)用場(chǎng)合，還應(yīng)將下表的降額系數(shù)再乘以0.6，并且用耐熱疲勞性能好的加強(qiáng)型固態(tài)繼電器。

直流固態(tài)繼電器只適用于控制直流電源和負(fù)載，交流固態(tài)繼電器只適用于控制交流電源和負(fù)載。負(fù)載電源的電壓不能超過(guò)繼電器的額定輸出電壓，也不能低于規(guī)定的最小輸出電壓。使用中，可能加至固態(tài)繼電器輸出端的最大電壓峰值，一定要低于固態(tài)繼電器的瞬態(tài)電壓值。切換交流電感負(fù)載、單相電機(jī)和三相電機(jī)負(fù)載，或這些負(fù)載電路上電時(shí)，固態(tài)繼電器輸出端都可能會(huì)出現(xiàn)兩倍于電源電壓峰值的電壓。對(duì)此類負(fù)載，最好選用額定輸出電壓?jiǎn)蜗酁?80Vac、三相為530VaC的交流固態(tài)繼電器。峰值阻斷電壓分別可達(dá)800V和1400V。對(duì)感性和容性負(fù)載，當(dāng)交流固態(tài)繼電器在零電流關(guān)斷時(shí)，電源電壓不為零，并且以較大的dv/dt值加至固態(tài)繼電器輸出端。因此應(yīng)選用dv/dt高的繼電器。尤其用于正反轉(zhuǎn)控制的固態(tài)繼電器，應(yīng)選用本公司SGR系列產(chǎn)品。

（3）輸入特性

直流阻性輸入固態(tài)繼電器的輸入電壓一般為4-16Vdc。這種固態(tài)繼電器在輸入電路中串聯(lián)一電阻，電流隨電壓的增加而增加，簡(jiǎn)單耐用。在應(yīng)用時(shí)，如果控制電壓或電流不合適，可通過(guò)控制回路串接電阻的方法來(lái)解決，推薦采用。另外是輸入電壓范圍較寬的恒流輸入固態(tài)繼電器，范圍在3-32Vdc。它在輸入端串聯(lián)有恒流源電路，在電壓加大到一定值時(shí)電流基本不變。交流輸入多數(shù)使用在無(wú)直流電源的場(chǎng)合，注意其開(kāi)通時(shí)有最大40mS的延時(shí)。

（4）其它特性

這方面包括分析考慮固態(tài)繼電器的輸出電壓降、輸出漏電流、絕緣耐壓等電氣特性，熱阻、工作于儲(chǔ)存溫度、耐潮濕、氣密性等氣候環(huán)境特性，耐振動(dòng)、沖擊等機(jī)械環(huán)境特性，重量、尺寸、接線端方式等物理特性是否符合使用要求。

采用輸出漏電流來(lái)表征固態(tài)繼電器處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)同一輸出端之間的絕緣狀態(tài)。不允許用測(cè)試電壓高于輸出電壓的儀表測(cè)量它們之間的絕緣電阻和介質(zhì)耐壓，也不允許在未規(guī)定的方向上測(cè)試漏電流。對(duì)于特殊的使用，比如感性、容性負(fù)載和頻繁操作，建議選型時(shí)與生產(chǎn)廠應(yīng)用工程師聯(lián)系，以取得他們的支持。

2、固態(tài)繼電器的保護(hù)

（1）過(guò)電流的保護(hù)

固態(tài)繼電器是以半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件作為功率輸出部件的，對(duì)溫度的變化較為敏感，過(guò)電流會(huì)使半導(dǎo)體芯片過(guò)熱而造成品質(zhì)下降，壽命降低甚至永久性損壞。雖然固態(tài)繼電器在瞬間可以承受額定電流10倍以上的浪涌電流，但超過(guò)此值很容易造成永久性損壞。因而，過(guò)電流的保護(hù)是很重要的，過(guò)電流的保護(hù)方法很多，關(guān)鍵在于反映速度要快。對(duì)以可控硅為輸出器件的交流固態(tài)繼電器，由于可控硅需電流過(guò)零關(guān)斷的特性則對(duì)于在10Ms（50Hz）以內(nèi)超過(guò)SSR浪涌電流承受值的浪涌電流和短路電流，一般的保護(hù)電路是無(wú)效的，應(yīng)考慮采用半導(dǎo)體器件專用的快速熔斷器。熔斷器的標(biāo)稱熔斷電流不應(yīng)超過(guò)SSR的標(biāo)稱電流值。市售的快速熔斷器種類較多，但質(zhì)量差異較大，請(qǐng)選擇時(shí)加以注意。

（2）過(guò)電壓的保護(hù)

當(dāng)負(fù)載為感性或容性時(shí)，很可能產(chǎn)生大于固態(tài)繼電器所能承受的瞬態(tài)電壓（阻斷電壓）和電壓上升率（dv/dt）。若保護(hù)措施不當(dāng)或響應(yīng)不靈敏，不僅會(huì)造成固態(tài)繼電器失控，嚴(yán)重時(shí)還可能燒毀固態(tài)繼電器或設(shè)備。因此，過(guò)電壓的保護(hù)是必須的。普遍的應(yīng)用是外加瞬態(tài)抑制（RC吸收）電路和電壓鉗位電路（雙向穩(wěn)壓二極管、壓敏電阻）。本公司在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)，多數(shù)產(chǎn)品內(nèi)部已加上RC吸收回路或壓敏電阻，能起到一定保護(hù)作用，建議用戶在使用時(shí)根據(jù)負(fù)載的有關(guān)參數(shù)和環(huán)境條件，認(rèn)真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)RC回路的選值。若滿足不了，應(yīng)再并聯(lián)一個(gè)RC回路和壓敏保護(hù)電路。在一般情況下，RC吸收回路可以有效地抑制加至固態(tài)繼電器的瞬態(tài)電壓和電壓指數(shù)上升率（dv/dt），壓敏電阻保護(hù)電路可以吸收寬脈沖的過(guò)電壓。RC吸收回路的RC值選擇要經(jīng)過(guò)計(jì)算和驗(yàn)證。經(jīng)驗(yàn)的選擇（僅供參考）是電阻在27-150歐姆、功率為2-5瓦之間，電容容量在0.01-1uf、耐壓在250-500VAC之間，（例：R=51歐/2W，C=0.2uF/500VAC）精確值應(yīng)在實(shí)驗(yàn)后確定。注意不要發(fā)生振蕩。壓敏電阻的選擇同樣要經(jīng)過(guò)認(rèn)真的計(jì)算和驗(yàn)證。一般情況下（僅供參考），在220VAC電路里使用標(biāo)稱470-680V、?12-16的，在380VAC電路里使用標(biāo)稱780-1000V、?12-16的。

（3）過(guò)熱保護(hù)

如固態(tài)繼電器過(guò)熱，輕則失控，重則造成永久性損壞，建議加裝過(guò)熱保護(hù)措施，通常的做法是保證固態(tài)繼電器的底板處溫度不超過(guò)75-80℃。一般的溫度保護(hù)電路就可以達(dá)到目的，比較經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的是在散熱器上靠近SSR底板處安裝溫控開(kāi)關(guān)，溫升達(dá)到限定溫度時(shí)切斷SSR輸入信號(hào)。

固態(tài)繼電器工作時(shí)，在其內(nèi)部芯片上存在一定的功率損耗，這個(gè)損耗功率主要由固態(tài)繼電器輸出電壓降與負(fù)載電流乘積決定，以發(fā)熱的形式消耗掉。因此散熱的好壞直接影響到固態(tài)繼電器工作的可靠性，優(yōu)良的熱學(xué)設(shè)計(jì)可避免由于散熱不良造成的失敗和損壞。

一般而言，負(fù)載電流小于5A的固態(tài)繼電器，利用空氣對(duì)流散熱即可。要求安裝在有良好對(duì)流環(huán)境、兩個(gè)固態(tài)繼電器間距離大于一個(gè)固態(tài)繼電器的寬度。電流大于10A的固態(tài)繼電器應(yīng)加裝散熱器，對(duì)于負(fù)載電流大于40A的固態(tài)繼電器，根據(jù)設(shè)計(jì)體積大小，必要時(shí)要使用風(fēng)冷或水冷。

3、固態(tài)繼電器的應(yīng)用熱設(shè)計(jì)和散熱器的選擇

固態(tài)繼電器在工作中內(nèi)部存在著一定的功率耗散，這個(gè)耗散值主要由輸出電壓降與負(fù)載電流乘積決定，以發(fā)熱的形式體現(xiàn)。散熱的好壞直接影響到固態(tài)繼電器的最大負(fù)載電流和允許的最高工作環(huán)境溫度值，是影響固態(tài)繼電器可靠工作的重要因素之一。所以，我們應(yīng)重視固態(tài)繼電器的應(yīng)用熱設(shè)計(jì)和散熱器的選擇，使固態(tài)繼電器穩(wěn)定可靠的工作，避免由于散熱不良而造成的固態(tài)繼電器的失效和損壞。

一般而言，輸出電流小于5A的固態(tài)繼電器，利用空氣自然對(duì)流，足以達(dá)到冷卻散熱的目的，但安裝時(shí)要有一個(gè)良好的對(duì)流環(huán)境，固態(tài)繼電器之間的距離不得小于一個(gè)固態(tài)繼電器的寬度。

負(fù)載電流大于10A的固態(tài)繼電器使用合適的散熱器是必不可少的，必要時(shí)還要進(jìn)行風(fēng)冷（風(fēng)冷風(fēng)速6米/秒）或水冷。良好的散熱條件對(duì)于固態(tài)繼電器的可靠工作是十分重要的。產(chǎn)品手冊(cè)中一般都會(huì)給用戶提供工作電流、通態(tài)壓降和熱阻等參數(shù)，有的還會(huì)給出工作電流/耗散功率與環(huán)境溫度/基板溫度曲線，供使用時(shí)參考。利用這些參數(shù)就可以計(jì)算出所需散熱器的熱阻，再根據(jù)散熱器廠家產(chǎn)品手冊(cè)上的熱阻參數(shù)選擇散熱器。
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