固態(tài)繼電器輸入電路案例

固態(tài)繼電器是機電繼電器的半導體等效物，可用于控制電氣負載而無需使用移動部件

與。

就像普通的機電繼電器一樣，SSR在輸入和輸出觸點之間提供完全的電氣隔離，其輸出就像傳統(tǒng)的電氣開關(guān)一樣，它在非導通（開路）時具有非常高的幾乎無限的電阻，導電（閉合）時電阻非常低。固態(tài)繼電器可以設(shè)計為通過使用SCR，TRIAC或開關(guān)晶體管輸出而不是通常的機械常開（NO）觸點來切換AC或DC電流。

固態(tài)繼電器和機電繼電器基本相似，因為它們的低電壓輸入與切換和控制負載的輸出電氣隔離，機電繼電器的接觸生命周期有限，可占用大量空間并且開關(guān)速度較慢，特別是大功率繼電器和接觸器。固態(tài)繼電器沒有這樣的限制。

因此固態(tài)繼電器相對于傳統(tǒng)機電繼電器的主要優(yōu)點是它們沒有移動零件磨損，因此沒有觸點彈跳問題，能夠比機械繼電器電樞可以移動更快地“開”和“關(guān)”，以及零電壓開啟和零電流關(guān)閉消除電氣噪聲和瞬態(tài)。

固態(tài)繼電器可以采用標準的現(xiàn)成封裝，從幾伏特或幾安培到數(shù)百伏特和安培的輸出切換能力。然而，由于其功率半導體和散熱要求，具有極高額定電流（150A以上）的固態(tài)繼電器仍然太昂貴，因此，仍然使用更便宜的機電接觸器。

類似于機電繼電器，可以使用小的輸入電壓（通常為3到32伏DC）來控制大得多的輸出電壓或電流。例如240V，10Amps。這使得它們成為微控制器，PIC和Arduino接口的理想選擇，因為可以使用來自微控制器或邏輯門的低電流，5伏信號來控制特定的電路負載，這可以通過使用opto-來實現(xiàn)。隔離器。

固態(tài)繼電器輸入

固態(tài)繼電器（SSR）的主要組件之一是光隔離器（也稱為光耦合器），其中包含一個（或更多） ）紅外發(fā)光二極管，或LED光源，以及單個外殼內(nèi)的光敏器件。光隔離器將輸入與輸出隔離。

LED光源連接到SSR的輸入驅(qū)動部分，并通過間隙提供光耦合到相鄰的光敏晶體管，達林頓對或三端雙向可控硅開關(guān)。當電流通過LED時，它會發(fā)光并且其光線會通過間隙聚焦到光電晶體管/光電三端雙向可控硅開關(guān)。

因此，光耦合SSR的輸出被“接通”。通常用低壓信號激勵這個LED。由于輸入和輸出之間的唯一連接是光束，因此通過內(nèi)部光隔離實現(xiàn)了高壓隔離（通常為幾千伏）。

光隔離器不僅提供了隔離器更高程度的輸入/輸出隔離，它還可以傳輸直流和低頻信號。此外，LED和光敏器件可以完全相互分離，并通過光纖進行光耦合。

SSR的輸入電路可能只包含一個串聯(lián)的限流電阻使用光隔離器的LED，或者帶有整流，電流調(diào)節(jié)，反極性保護，濾波等的更復(fù)雜電路。

激活或打開“銷售狀態(tài)繼電器”導通，必須在其輸入端子（相當于機電繼電器線圈）上施加大于其最小值（通常為3伏直流電壓）的電壓。該DC信號可以從機械開關(guān)，邏輯門或微控制器導出，如圖所示。

固態(tài)繼電器直流輸入電路

使用機械觸點，開關(guān)，按鈕，其他繼電器觸點等作為激活信號，所用的電源電壓可以等于SSR的最小輸入電壓值，而當使用固態(tài)器件如晶體管，柵極和微控制器時，最小電源電壓需要為1或者比SSR的導通電壓高兩個電壓，以解決開關(guān)器件的內(nèi)部壓降問題。

但是使用直流電壓（無論是吸收還是源極）來切換固態(tài)繼電器導通，我們?nèi)鐖D所示，通過添加用于全波整流的橋式整流器和用于DC輸入的濾波器電路，也可以使用正弦波形。

固態(tài)繼電器AC輸入電路

橋式整流器將正弦電壓轉(zhuǎn)換為輸入頻率兩倍的全波整流脈沖。這里的問題是這些電壓脈沖從零伏開始和結(jié)束，這意味著它們將低于SSR輸入閾值的最小導通電壓要求，導致輸出每半個周期“導通”和“關(guān)閉”。 / p>

為了克服輸出的這種不穩(wěn)定的觸發(fā)，我們可以通過在橋式整流器的輸出端使用平滑電容器（C1）來消除整流的紋波。電容器的充電和放電效應(yīng)將使整流信號的DC分量升高到高于固態(tài)繼電器輸入的最大導通電壓值。然后，即使使用不斷變化的正弦電壓波形，SSR的輸入也會看到恒定的直流電壓。

降壓電阻R 1 的值和平滑選擇電容器C 1 以適應(yīng)電源電壓，120伏交流電或240伏交流電以及固態(tài)繼電器的輸入阻抗。但是40kΩ和10uF左右的情況就可以了。

然后，通過添加這個橋式整流器和平滑電容器電路，可以使用AC或非極化DC電源來控制標準DC固態(tài)繼電器。當然，制造商已經(jīng)生產(chǎn)和銷售AC輸入固態(tài)繼電器（通常為90到280伏AC）。

固態(tài)繼電器輸入

固態(tài)繼電器的輸出切換能力可以可以是AC或DC，類似于其輸入電壓要求。大多數(shù)標準固態(tài)繼電器的輸出電路配置為僅執(zhí)行一種類型的開關(guān)動作，相當于機電繼電器的常開，單極，單擲（SPST-NO）操作。

對于大多數(shù)DC SSR，常用的固態(tài)開關(guān)器件是功率晶體管，達林頓和MOSFET，而對于AC SSR，開關(guān)器件是三端雙向可控硅開關(guān)元件或背對背晶閘管。由于其高電壓和電流能力，晶閘管是優(yōu)選的。如圖所示，單個晶閘管也可用于橋式整流電路。

固態(tài)繼電器輸出電路

固態(tài)繼電器最常見的應(yīng)用是交流負載的切換，無論是控制交流電源進行開/關(guān)切換，調(diào)光，電機速度控制還是其他功率控制應(yīng)用如果需要，可以使用固態(tài)繼電器通過低電流直流電壓輕松控制這些交流負載，從而提供長壽命和高開關(guān)速度。

固態(tài)繼電器相對于機電繼電器的最大優(yōu)勢之一是它能夠在零負載電流點切換“關(guān)閉”交流負載，從而完全消除與傳統(tǒng)機械繼電器和感應(yīng)負載相關(guān)的電弧，電噪聲和觸點反彈。

這是因為交流開關(guān)固態(tài)繼電器使用SCR和TRIAC作為其輸出開關(guān)裝置，一旦輸入信號被移除，其繼續(xù)導通，直到流過裝置的AC電流降至其閾值或保持電流值以下。然后，SSR的輸出永遠不會在正弦波峰值的中間關(guān)閉。

零電流關(guān)閉是使用固態(tài)繼電器的一個主要優(yōu)點，因為它可以降低電噪聲和背面電壓。與電感負載的切換相關(guān)聯(lián)的電動勢，如電機械繼電器的觸點所示的電弧放電?？紤]下面典型交流固態(tài)繼電器的輸出波形圖。

固態(tài)繼電器輸出波形

在沒有施加輸入信號的情況下，沒有負載電流流過SSR，因為它實際上是OFF（開路），輸出端子看到完整的AC電源電壓。通過施加直流輸入信號，無論正弦波形的哪一部分，無論是正周期還是負周期，由于SSR的零電壓開關(guān)特性，輸出僅在波形交叉時導通零點。

當電源電壓在正向或負向上增加時，它達到使輸出晶閘管或三端雙向可控硅開關(guān)完全導通所需的最小值（通常小于約15伏）。 SSR輸出端子上的電壓降是開關(guān)器件導通電壓降的電壓降，V T （通常小于2伏）。因此，與無功或燈負載相關(guān)的任何高浪涌電流都會大大降低。

當直流輸入電壓信號被消除時，輸出不會突然關(guān)閉，因為一旦觸發(fā)導通，使用晶閘管或三端雙向可控硅開關(guān)因為開關(guān)器件在半個周期的剩余時間內(nèi)保持接通，直到負載電流下降到保持電流的器件以下，此時它關(guān)斷。因此，與正弦波中間的感應(yīng)負載開關(guān)相關(guān)的高dv / dt反電動勢大大降低。

那么交流固態(tài)繼電器相對于機電繼電器的主要優(yōu)點是零交流功能，當交流負載電壓接近零電壓時接通SSR，從而抑制任何高浪涌電流，因為負載電流總是從接近0V的點開始，并且晶閘管的固有零電流關(guān)斷特性或三端雙向可控硅因此，在半個周期內(nèi)存在最大可能的關(guān)斷延遲（在移除輸入信號和去除負載電流之間）。

相位調(diào)光固態(tài)繼電器

固態(tài)繼電器可以執(zhí)行負載的直接過零切換，它們還可以通過數(shù)字邏輯電路，微處理器和存儲器執(zhí)行更復(fù)雜的功能。固態(tài)繼電器的另一個出色應(yīng)用是在燈調(diào)光應(yīng)用中，無論是在家中還是在演出或音樂會上。

非零（瞬時接通）開關(guān)固態(tài)繼電器在接通后立即開啟。施加輸入控制信號而不是過零SSR，其上等待直到AC正弦波的下一個過零點。這種隨機點火開關(guān)用于電阻應(yīng)用，例如燈調(diào)光和需要僅在AC周期的一小部分時通電的應(yīng)用。

隨機開關(guān)輸出波形

雖然這允許負載波形的相位控制，但隨機開啟SSR的主要問題是初始負載浪涌電流在繼電器接通的瞬間，當電源電壓接近其峰值（90 o ）時，由于SSR開關(guān)電源可能會很高。當輸入信號被移除時，當負載電流低于保持電流的晶閘管或三端雙向可控硅開關(guān)時，它會停止導通，如圖所示。顯然，對于DC SSR，ON-OFF切換動作是即時的。

固態(tài)繼電器是各種ON / OFF切換應(yīng)用的理想選擇，因為它們沒有移動與機電繼電器（EMR）不同的零件或觸點。交流和直流輸入控制信號以及交流和直流輸出切換有許多不同的商業(yè)類型可供選擇，因為它們采用半導體開關(guān)元件，如晶閘管，三端雙向可控硅和晶體管。

但是通過使用結(jié)合良好的光隔離器和三端雙向可控硅開關(guān)，我們可以制造出價格低廉且簡單的固態(tài)繼電器來控制交流負載，如加熱器，燈或電磁閥。由于光隔離器僅需要少量輸入/控制功率來操作，控制信號可以來自PIC，Arduino，Raspberry PI或任何其他此類微控制器。

固態(tài)繼電器示例No1

讓我們假設(shè)我們想要一個只有+5伏的數(shù)字輸出端口信號的微控制器來控制120V AC，600瓦的加熱元件。為此，我們可以使用MOC 3020光電三端雙向可控硅隔離器，但內(nèi)部三端雙向可控硅開關(guān)只能在120V交流電源的峰值處通過1安培峰值的最大電流（I TSM ），因此需要額外的切換還必須使用三端雙向可控硅開關(guān)。

首先考慮MOC 3020光隔離器的輸入特性（其他光電三端雙向可控硅可用）。光隔離器數(shù)據(jù)表告訴我們輸入發(fā)光二極管的正向電壓（V F ）是1.2伏特和最大正向電流，（I F ）是50mA。

LED需要大約10mA才能合理地發(fā)光，最大值達到50mA。但是，微控制器的數(shù)字輸出端口最多只能提供30mA的電流。然后，所需電流值介于10到30毫安之間。因此：

因此可以使用一個值為126和380Ω的串聯(lián)限流電阻。由于數(shù)字輸出端口始終切換+5伏特并通過光耦合器LED降低功耗，我們將選擇240Ω的優(yōu)選電阻值。這使LED的正向電流小于16mA。在這個例子中，150Ω和330Ω之間的任何優(yōu)選電阻值都可以。

加熱元件負載為600瓦電阻。使用120V AC電源可以為我們提供5安培的負載電流（I = P / V）。由于我們想在交流波形的兩個半周期（所有4個象限）中控制這個負載電流，我們需要一個電源開關(guān)三端雙向可控硅開關(guān)。

BTA06是一個6安培（I T（ RMS））600伏特三端雙向可控硅開關(guān)適用于交流負載的通用開/關(guān)切換，但任何類似的6至8安培額定三端雙向可控硅開關(guān)都可以。此開關(guān)三端雙向可控硅只需50mA的柵極驅(qū)動即可開始導通，遠低于MOC 3020光隔離器的1安培最大額定值。

考慮到光隔離器的輸出三端雙向可控硅開關(guān)已切換在120V RMS AC電源電壓的峰值（90 o ）處導通。該峰值電壓的值為：120x1.414 = 170Vpk。如果光三端雙向可控硅的最大電流（I TSM ）是1安培峰值，那么串聯(lián)電阻所需的最小值是170/1 =170Ω，或180Ω到最接近的優(yōu)選值。這個180Ω的值將保護光耦合器輸出三端雙向可控硅開關(guān)，以及120VAC電源上BTA06三端雙向可控硅開關(guān)的柵極。

如果光隔離器的三端雙向可控硅開關(guān)在零交叉值時接通（ 0 o ）120V RMS AC電源電壓，然后提供所需的50mA柵極驅(qū)動電流以迫使開關(guān)三端雙向可控硅開關(guān)導通所需的最小電壓為：180Ωx50mA= 9.0伏。當正弦Gate-to-MT1電壓大于9伏時，三端雙向可控硅觸發(fā)導通。

因此，交流波形零交叉點后所需的最小電壓將為9伏峰值功率該系列柵極電阻的功耗非常小，因此可以安全地使用額定電阻為180Ω，額定功率為0.5瓦的電阻器?？紤]下面的電路。

交流固態(tài)繼電器電路

這種類型的光耦合器配置構(gòu)成了非常簡單的固態(tài)繼電器應(yīng)用的基礎(chǔ)，該應(yīng)用可用于控制任何交流電源供電的負載，例如燈和電機。這里我們使用了MOC 3020，它是一個隨機切換隔離器。 MOC 3041光電三端雙向可控硅隔離器具有相同的特性，但具有內(nèi)置的過零檢測功能，允許負載在切換感性負載時無需大浪涌電流即可接收全功率。

二極管D 1 防止輸入電壓反向連接造成的損壞，而當三端雙向可控硅開關(guān)關(guān)閉時，56歐姆電阻（R 3 ）分流任何di / dt電流，消除誤觸發(fā)。它還將柵極端子連接到MT1，確保三端雙向可控硅開關(guān)完全關(guān)斷。

如果使用脈沖寬度調(diào)制的PWM輸入信號，交流負載的ON / OFF開關(guān)頻率應(yīng)設(shè)置為小于10Hz，否則此固態(tài)繼電器電路的輸出切換可能無法跟上