固態(tài)繼電器及在應(yīng)用中一些問(wèn)題的探討

固態(tài)繼電器及在應(yīng)用中一些問(wèn)題的探討

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摘? 要：闡述了固態(tài)繼電器的原理、結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及交流直流固態(tài)繼電器的適用范圍，并針對(duì)交流固態(tài)繼電器，提出了根據(jù)它的幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)來(lái)合理選擇固態(tài)繼電器的方法、應(yīng)用電路在設(shè)計(jì)上需要注意的一些問(wèn)題以及給出了相應(yīng)與計(jì)算機(jī)駁接的接口電路。

關(guān)鍵詞：固態(tài)繼電器；適用范圍；關(guān)鍵參數(shù)；應(yīng)用電路

固態(tài)繼電器(SOLIDSTATE RELAYS)，簡(jiǎn)寫(xiě)成“SSR”，是一種全部由固態(tài)電子元件組成的新型無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)器件，它利用電子元件(如開(kāi)關(guān)三極管、雙向可控硅等半導(dǎo)體器件)的開(kāi)關(guān)特性，可達(dá)到無(wú)觸點(diǎn)無(wú)火花地接通和斷開(kāi)電路的目的，因此又被稱(chēng)為“無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)”，它問(wèn)世于70年代，由于它的無(wú)觸點(diǎn)工作特性，使其在許多領(lǐng)域的電控及計(jì)算機(jī)控制方面得到日益廣范的應(yīng)用。

一、固態(tài)繼電器的原理及結(jié)構(gòu)

SSR按使用場(chǎng)合可以分成交流型和直流型兩大類(lèi)，它們分別在交流或直流電源上做負(fù)載的開(kāi)關(guān)，不能混用。

圖1

下面以交流型的SSR為例來(lái)說(shuō)明它的工作原理，圖1是它的工作原理框圖，圖1中的部件①-④構(gòu)成交流SSR的主體，從整體上看，SSR只有兩個(gè)輸入端(A和B)及兩個(gè)輸出端(C和D)，是一種四端器件。工作時(shí)只要在A、B上加上一定的控制信號(hào)，就可以控制C、D兩端之間的“通”和“斷”，實(shí)現(xiàn)“開(kāi)關(guān)”的功能，其中耦合電路的功能是為A、B端輸入的控制信號(hào)提供一個(gè)輸入/輸出端之間的通道，但又在電氣上斷開(kāi)SSR中輸入端和輸出端之間的(電)聯(lián)系， 以防止輸出端對(duì)輸入端的影響，耦合電路用的元件是“光耦合器”，它動(dòng)作靈敏、響應(yīng)速度高、輸入/輸出端間的絕緣(耐壓)等級(jí)高；由于輸入端的負(fù)載是發(fā)光二極管，這使SSR的輸入端很容易做到與輸入信號(hào)電平相匹配，在使用可直接與計(jì)算機(jī)輸出接口相接，即受“1”與“0”的邏輯電平控制。觸發(fā)電路的功能是產(chǎn)生合乎要求的觸發(fā)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)電路④工作，但由于開(kāi)關(guān)電路在不加特殊控制電路時(shí)，將產(chǎn)生射頻干擾并以高次諧波或尖峰等污染電網(wǎng)，為此特設(shè)“過(guò)零控制電路”。所謂“過(guò)零”是指，當(dāng)加入控制信號(hào)，交流電壓過(guò)零時(shí)，SSR即為通態(tài)；而當(dāng)斷開(kāi)控制信號(hào)后，SSR要等待交流電的正半周與負(fù)半周的交界點(diǎn)(零電位)時(shí)，SSR才為斷態(tài)。這種設(shè)計(jì)能防止高次諧波的干擾和對(duì)電網(wǎng)的污染。吸收電路是為防止從電源中傳來(lái)的尖峰、浪涌(電壓)對(duì)開(kāi)關(guān)器件雙向可控硅管的沖擊和干擾(甚至誤動(dòng)作)而設(shè)計(jì)的，一般是用“R-C”串聯(lián)吸收電路或非線(xiàn)性電阻(壓敏電阻器)。圖2是一種典型的交流型SSR的電原理圖。

圖2?

圖3

直流型的SSR與交流型的SSR相比，無(wú)過(guò)零控制電路，也不必設(shè)置吸收電路，開(kāi)關(guān)器件一般用大功率開(kāi)關(guān)三極管，其它工作原理相同。不過(guò)，直流型SSR在使用時(shí)應(yīng)注意：①負(fù)載為感性負(fù)載時(shí)，如直流電磁閥或電磁鐵，應(yīng)在負(fù)載兩端并聯(lián)一只二極管，極性如圖3所示，二極管的電流應(yīng)等于工作電流，電壓應(yīng)大于工作電壓的4倍。②SSR工作時(shí)應(yīng)盡量把它靠近負(fù)載，其輸出引線(xiàn)應(yīng)滿(mǎn)足負(fù)荷電流的需要。③使用電源屬經(jīng)交流降壓整流所得的，其濾波電解電容應(yīng)足夠大。

圖4 給出了幾種國(guó)內(nèi)、外常見(jiàn)的SSR的外形。

圖4

二、固態(tài)繼電器的特點(diǎn)

SSR成功地實(shí)現(xiàn)了弱信號(hào)(Vsr)對(duì)強(qiáng)電(輸出端負(fù)載電壓)的控制。由于光耦合器的應(yīng)用，使控制信號(hào)所需的功率極低(約十余毫瓦就可正常工作)，而且Vsr所需的工作電平與TTL、HTL、CMOS等常用集成電路兼容，可以實(shí)現(xiàn)直接聯(lián)接。這使SSR在數(shù)控和自控設(shè)備等方面得到廣泛應(yīng)用。在相當(dāng)程度上可取代傳統(tǒng)的“線(xiàn)圈—簧片觸點(diǎn)式”繼電器(簡(jiǎn)稱(chēng)“MER”)。

SSR由于是全固態(tài)電子元件組成，與MER相比，它沒(méi)有任何可動(dòng)的機(jī)械部件，工作中也沒(méi)有任何機(jī)械動(dòng)作；SSR由電路的工作狀態(tài)變換實(shí)現(xiàn)“通”和“斷”的開(kāi)關(guān)功能，沒(méi)有電接觸點(diǎn)，所以它有一系列MER不具備的優(yōu)點(diǎn)，即工作高可靠、長(zhǎng)壽命(有資料表明SSR的開(kāi)關(guān)次數(shù)可達(dá)108-109次，比一般MER的106高幾百倍)；無(wú)動(dòng)作噪聲；耐振耐機(jī)械沖擊；安裝位置無(wú)限制；很容易用絕緣防水材料灌封做成全密封形式，而且具有良好的防潮防霉防腐性能；在防爆和防止臭氧污染方面的性能也極佳。這些特點(diǎn)使SSR可在軍事(如飛行器、火炮、艦船、車(chē)載武器系統(tǒng))、化工、井下采煤和各種工業(yè)民用電控設(shè)備的應(yīng)用中大顯身手，具有超越MER的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

交流型SSR由于采用過(guò)零觸發(fā)技術(shù)，因而可以使SSR安全地用在計(jì)算機(jī)輸出接口上，不必為在接口上采用MER而產(chǎn)生的一系列對(duì)計(jì)算機(jī)的干擾而煩惱。

此外，SSR還有能承受在數(shù)值上可達(dá)額定電流十倍左右的浪涌電流的特點(diǎn)。

表1

三、主要參數(shù)與選用

功率固態(tài)繼電器的特性參數(shù)包括輸入和輸出參數(shù)，下面以北京科通繼電器總廠(chǎng)生產(chǎn)的GX-10F繼電器為例，列出輸入、輸出參數(shù)，詳見(jiàn)表1，根據(jù)輸入電壓參數(shù)值大小，可確定工作電壓大小。如采用TTL或CMOS等邏輯電平控制時(shí)，最好采用有足夠帶載能力的低電平驅(qū)動(dòng)，并盡可能使“0”電平低于0.8 V。如在噪聲很強(qiáng)的環(huán)境下工作，不能選用通、斷電壓值相差小的產(chǎn)品，必需選用通、斷電壓值相差大的產(chǎn)品，(如選接通電壓為8 V或12 V的產(chǎn)品)這樣不會(huì)因噪聲干擾而造成控制失靈 。

輸出參數(shù)的項(xiàng)目較多，現(xiàn)對(duì)主要幾個(gè)參數(shù)說(shuō)明如下：

1、額定輸入電壓

它是指定條件下能承受的穩(wěn)態(tài)阻性負(fù)載的最大允許電壓有效值。如果受控負(fù)載是非穩(wěn)態(tài)或非阻性的，必需考慮所選產(chǎn)品是否能承受工作狀態(tài)或條件變化時(shí)(冷熱轉(zhuǎn)換、靜動(dòng)轉(zhuǎn)換、感應(yīng)電勢(shì)、瞬態(tài)峰值電壓、變化周期等) 所產(chǎn)生的最大合成電壓。例如負(fù)載為感性時(shí)，所選額定輸出電壓必須大于兩倍電源電壓值，而且所選產(chǎn)品的阻斷(擊穿)電壓應(yīng)高于負(fù)載電源電壓峰值的兩倍。如在電源電壓為交流220V、一般的小功率非阻性負(fù)載的情況下，建議選用額定電壓為400V—600V的SSR產(chǎn)品；但對(duì)于頻繁啟動(dòng)的單相或三相電機(jī)負(fù)載，建議選用額定電壓為660V—800V的SSR產(chǎn)品。

2、額定輸出電流和浪涌電流

額定輸出電流是指在給定條件下(環(huán)境溫度、額定電壓、功率因素、有無(wú)散熱器等)所能承受的電流最大的有效值。一般生產(chǎn)廠(chǎng)家都提供熱降額曲線(xiàn)。如周?chē)鷾囟壬仙?，?yīng)按曲線(xiàn)作降額使用。

浪涌電流是指在給定條件下(室溫、額定電壓、額定電流和持續(xù)的時(shí)間等)不會(huì)造成永久性損壞所允許的最大非重復(fù)性峰值電流。交流繼電器的浪涌電流為額定電流的5-10倍(一個(gè)周期)，直流產(chǎn)品為額定電流的1.5-5倍(一秒)。在選用時(shí)，如負(fù)載為穩(wěn)態(tài)阻性，SSR可全額或降額10%使用。對(duì)于電加熱器、接觸器等，初始接通瞬間出現(xiàn)的浪涌電流可達(dá)3倍的穩(wěn)態(tài)電流，因此，SSR降額20%-30%使用。對(duì)于白織燈類(lèi)負(fù)載，SSR應(yīng)按降額50%使用，并且還應(yīng)加上適當(dāng)?shù)?a href="http://www.ttokpm.com/tags/保護(hù)電路/" target="_blank">保護(hù)電路。對(duì)于變壓器負(fù)載，所選產(chǎn)品的額定電流必須高于負(fù)載工作電流的兩倍。對(duì)于負(fù)載為感應(yīng)電機(jī)，所選SSR的額定電流值應(yīng)為電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)電流的2—4倍，SSR的浪涌電流值應(yīng)為額定電流的10倍。

固態(tài)繼電器對(duì)溫度的敏感性很強(qiáng)，工作溫度超過(guò)標(biāo)稱(chēng)值后，必須降熱或外加散熱器，例如額定電流為10A的JGX—10F產(chǎn)品，不加散熱器時(shí)的允許工作電流只有10A。

四、應(yīng)用電路

1、基本單元電路

如圖5a所示為穩(wěn)定的阻性負(fù)載，為了防止輸入電壓超過(guò)額定值，需設(shè)置一限流電阻Rx；當(dāng)負(fù)載為非穩(wěn)定性負(fù)載或感性負(fù)載時(shí)，在輸出回路中還應(yīng)附加一個(gè)瞬態(tài)抑制電路，如圖5b所示，目的是保護(hù)固態(tài)繼電器。通常措施是在繼電器輸出端加裝RC吸收回路(例如：R=150 Ω，C=0.5 μF或R=39 Ω，C=0.1 μF)，它可以有效的抑制加至繼電器的瞬態(tài)電壓和電壓指數(shù)上升率dv/dt。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，建議用戶(hù)根據(jù)負(fù)載的有關(guān)參數(shù)和環(huán)境條件，認(rèn)真計(jì)算和試驗(yàn)RC回路的選值。另一個(gè)常用的措施是在繼電器輸出端接入具有特定鉗位電壓的電壓控制器件，如雙向穩(wěn)壓二極管或壓敏電阻(MOV)。壓敏電阻電流值應(yīng)按下式計(jì)算：

Imov=(Vmax-Vmov)/ZS

其中ZS為負(fù)載阻抗、電源阻抗以及線(xiàn)路阻抗之和，Vmax、Vmov分別為最高瞬態(tài)電壓、壓敏電阻的標(biāo)稱(chēng)電壓，對(duì)于常規(guī)的220V和380V的交流電源，推薦的壓敏電阻的標(biāo)稱(chēng)電壓值分別為440-470V和760-810V。

在交流感性負(fù)載上并聯(lián)RC電路或電容，也可抑制加至SSR輸出端的瞬態(tài)電壓和電壓指數(shù)上升率。

但實(shí)驗(yàn)表明，RC吸收回路，特別是并聯(lián)在SSR輸出端的RC吸收回路，如果和感性負(fù)載組合不當(dāng)，容易導(dǎo)致振蕩，在負(fù)載電源上電或繼電器切換時(shí)，加大繼電器輸出端的瞬變電壓峰值，增大SSR誤導(dǎo)通的可能性，所以，對(duì)具體應(yīng)用電路應(yīng)先進(jìn)行試驗(yàn)，選用合適的RC參數(shù)，甚至有時(shí)不用RC吸收電路更有利。

對(duì)于容性負(fù)載引起的浪涌電流可用感性元件抑制，如在電路中引入磁干擾濾波器、扼流圈等，以限制快速上升的峰值電流。

另外，如果輸出端電流上升變化率(di/dt)很大，可以在輸出端串聯(lián)一個(gè)具有高磁導(dǎo)率的軟化磁芯的電感器加以限制。

圖5

通常SSR均設(shè)計(jì)為“常開(kāi)”狀態(tài)，即無(wú)控制信號(hào)輸入時(shí)，輸出端是開(kāi)路的，但在自動(dòng)化控制設(shè)備中經(jīng)常需要“常閉”式的SSR，這時(shí)可在輸入端外接一組簡(jiǎn)單的電路，如圖5c所示，這時(shí)即為常閉式SSR。

2、多功能控制電路

圖6a為多組輸出電路，當(dāng)輸入為“0”時(shí)，三極管BG截止，SSR1、SSR2、SSR3的輸入端無(wú)輸入電壓，各自的輸出端斷開(kāi)；當(dāng)輸入為“1”時(shí)，三極管BG導(dǎo)通，SSR1、SSR2、SSR3的輸入端有輸入電壓，各自的輸出端接通，因而達(dá)到了由一個(gè)輸入端口控制多個(gè)輸出端“通”、“斷”的目的。

圖6b為單刀雙擲控制電路，當(dāng)輸入為“0”時(shí)，三極管BG截止，SSR1輸入端無(wú)輸入電壓，輸出端斷開(kāi)，此時(shí)A點(diǎn)電壓加到SSR2的輸入端上(UA-UDW應(yīng)使SSR2輸出端可靠接通)，SSR2的輸出端接通；當(dāng)輸入為“1”時(shí)，三極管BG導(dǎo)通，SSR1輸入端有輸入電壓，輸出端接通，此時(shí)A點(diǎn)雖有電壓，但UA-UDW的電壓值已不能使SSR2的輸出端接通而處于斷開(kāi)狀態(tài)，因而達(dá)到了“單刀雙擲控制電路”的功能(注意：選擇穩(wěn)壓二極管DW的穩(wěn)壓值時(shí)，應(yīng)保證在導(dǎo)通的SSR1“+”端的電壓不會(huì)使SSR2導(dǎo)通，同時(shí)又要兼顧到SSR1截止時(shí)期“+”端的電壓能使SSR2導(dǎo)通)。

圖6

3、用計(jì)算機(jī)控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)的接口及驅(qū)動(dòng)電路

圖7計(jì)算機(jī)控制單相交流電機(jī)正反轉(zhuǎn)的接口及驅(qū)動(dòng)電路，在換向控制時(shí)，正反轉(zhuǎn)之間的停滯時(shí)間應(yīng)大于交流電源的1.5個(gè)周期(用一個(gè)“下降沿延時(shí)”電路來(lái)完成)，以免換向太快而造成線(xiàn)間短路。電路中繼電器要選用阻斷電壓高于600 V和額定電壓為380 V以上的交流固態(tài)繼電器。

圖7 計(jì)算機(jī)控制單相交流電機(jī)正反轉(zhuǎn)的接口及驅(qū)動(dòng)電路

為了限制電機(jī)換向時(shí)電容器的放電電流，應(yīng)在各回路中外加一只限流電阻Rx，其阻值和功率可按下式計(jì)算：

Rx=0.2×VP/IR(Ω), P=Im2Rx

其中：VP—電源峰值電壓(V)；IR—固態(tài)繼電器額定電流(A)；Im—電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)電流(A)；P—限流電阻功率(W)

圖8 計(jì)算機(jī)控制三相交流電機(jī)正反轉(zhuǎn)的接口及驅(qū)動(dòng)電路

圖8計(jì)算機(jī)控制三相交流電機(jī)正反轉(zhuǎn)的接口及驅(qū)動(dòng)電路，圖中采用了4個(gè)與非門(mén)，用二個(gè)信號(hào)通道分別控制電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、停止和正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)。當(dāng)改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向時(shí)，給出指令信號(hào)的順序應(yīng)是“停止—反轉(zhuǎn)—起動(dòng)”或“停止—正轉(zhuǎn)—起動(dòng)”。延時(shí)電路的最小延時(shí)不小于1.5個(gè)交流電源周期。其中RD1、RD2、RD3為熔斷器。當(dāng)電機(jī)允許時(shí)，可以在R1-R4位置接入限流電阻，以防止當(dāng)萬(wàn)一兩線(xiàn)間的任意二只繼電器均誤接通時(shí)，限制產(chǎn)生的半周線(xiàn)間短路電流不超過(guò)繼電器所能承受的浪涌電流，從而避免燒毀繼電器等事故，確保安全性；但副作用是正常工作時(shí)電阻上將產(chǎn)生壓降和功耗。該電路建議采用額定電壓為660 V或更高一點(diǎn)的SSR產(chǎn)品。

五、結(jié)束語(yǔ)

由前述可以看到SSR的性能與電磁式繼電器相比有著很多的優(yōu)越性，特別易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的編程控制，因此使得控制的實(shí)現(xiàn)更加方便、靈活。但它也存在一些弱點(diǎn)，如：導(dǎo)通電阻(幾Ω—幾十Ω)、通態(tài)壓降(小于2 V)、斷態(tài)漏電流(5—10mA)等的存在，易發(fā)熱損壞；截止時(shí)存在漏電阻，不能使電路完全分開(kāi)；易受溫度和輻射的影響，穩(wěn)定性差；靈敏度高，易產(chǎn)生誤動(dòng)作；在需要聯(lián)鎖、互鎖的控制電路中，保護(hù)電路的增設(shè)，使得成本上升、體積增大。因此，對(duì)于SSR具有的獨(dú)特性能，必須正確的理解和謹(jǐn)慎使用，方能發(fā)揮其獨(dú)特的性能，并確保SSR無(wú)故障的工作。