固態繼電器及在應用中一些問題的探討

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摘? 要：闡述了固態繼電器的原理、結構、特點及交流直流固態繼電器的適用范圍，并針對交流固態繼電器，提出了根據它的幾個關鍵參數來合理選擇固態繼電器的方法、應用電路在設計上需要注意的一些問題以及給出了相應與計算機駁接的接口電路。

關鍵詞：固態繼電器；適用范圍；關鍵參數；應用電路

固態繼電器(SOLIDSTATE RELAYS)，簡寫成“SSR”，是一種全部由固態電子元件組成的新型無觸點開關器件，它利用電子元件(如開關三極管、雙向可控硅等半導體器件)的開關特性，可達到無觸點無火花地接通和斷開電路的目的，因此又被稱為“無觸點開關”，它問世于70年代，由于它的無觸點工作特性，使其在許多領域的電控及計算機控制方面得到日益廣范的應用。

一、固態繼電器的原理及結構

SSR按使用場合可以分成交流型和直流型兩大類，它們分別在交流或直流電源上做負載的開關，不能混用。

圖1

下面以交流型的SSR為例來說明它的工作原理，圖1是它的工作原理框圖，圖1中的部件①-④構成交流SSR的主體，從整體上看，SSR只有兩個輸入端(A和B)及兩個輸出端(C和D)，是一種四端器件。工作時只要在A、B上加上一定的控制信號，就可以控制C、D兩端之間的“通”和“斷”，實現“開關”的功能，其中耦合電路的功能是為A、B端輸入的控制信號提供一個輸入/輸出端之間的通道，但又在電氣上斷開SSR中輸入端和輸出端之間的(電)聯系， 以防止輸出端對輸入端的影響，耦合電路用的元件是“光耦合器”，它動作靈敏、響應速度高、輸入/輸出端間的絕緣(耐壓)等級高；由于輸入端的負載是發光二極管，這使SSR的輸入端很容易做到與輸入信號電平相匹配，在使用可直接與計算機輸出接口相接，即受“1”與“0”的邏輯電平控制。觸發電路的功能是產生合乎要求的觸發信號，驅動開關電路④工作，但由于開關電路在不加特殊控制電路時，將產生射頻干擾并以高次諧波或尖峰等污染電網，為此特設“過零控制電路”。所謂“過零”是指，當加入控制信號，交流電壓過零時，SSR即為通態；而當斷開控制信號后，SSR要等待交流電的正半周與負半周的交界點(零電位)時，SSR才為斷態。這種設計能防止高次諧波的干擾和對電網的污染。吸收電路是為防止從電源中傳來的尖峰、浪涌(電壓)對開關器件雙向可控硅管的沖擊和干擾(甚至誤動作)而設計的，一般是用“R-C”串聯吸收電路或非線性電阻(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，無過零控制電路，也不必設置吸收電路，開關器件一般用大功率開關三極管，其它工作原理相同。不過，直流型SSR在使用時應注意：①負載為感性負載時，如直流電磁閥或電磁鐵，應在負載兩端并聯一只二極管，極性如圖3所示，二極管的電流應等于工作電流，電壓應大于工作電壓的4倍。②SSR工作時應盡量把它靠近負載，其輸出引線應滿足負荷電流的需要。③使用電源屬經交流降壓整流所得的，其濾波電解電容應足夠大。

圖4 給出了幾種國內、外常見的SSR的外形。

圖4

二、固態繼電器的特點

SSR成功地實現了弱信號(Vsr)對強電(輸出端負載電壓)的控制。由于光耦合器的應用，使控制信號所需的功率極低(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，可以實現直接聯接。這使SSR在數控和自控設備等方面得到廣泛應用。在相當程度上可取代傳統的“線圈—簧片觸點式”繼電器(簡稱“MER”)。

SSR由于是全固態電子元件組成，與MER相比，它沒有任何可動的機械部件，工作中也沒有任何機械動作；SSR由電路的工作狀態變換實現“通”和“斷”的開關功能，沒有電接觸點，所以它有一系列MER不具備的優點，即工作高可靠、長壽命(有資料表明SSR的開關次數可達108-109次，比一般MER的106高幾百倍)；無動作噪聲；耐振耐機械沖擊；安裝位置無限制；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。這些特點使SSR可在軍事(如飛行器、火炮、艦船、車載武器系統)、化工、井下采煤和各種工業民用電控設備的應用中大顯身手，具有超越MER的技術優勢。

交流型SSR由于采用過零觸發技術，因而可以使SSR安全地用在計算機輸出接口上，不必為在接口上采用MER而產生的一系列對計算機的干擾而煩惱。

此外，SSR還有能承受在數值上可達額定電流十倍左右的浪涌電流的特點。

表1

三、主要參數與選用

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

輸出參數的項目較多，現對主要幾個參數說明如下：

1、額定輸入電壓

它是指定條件下能承受的穩態阻性負載的最大允許電壓有效值。如果受控負載是非穩態或非阻性的，必需考慮所選產品是否能承受工作狀態或條件變化時(冷熱轉換、靜動轉換、感應電勢、瞬態峰值電壓、變化周期等) 所產生的最大合成電壓。例如負載為感性時，所選額定輸出電壓必須大于兩倍電源電壓值，而且所選產品的阻斷(擊穿)電壓應高于負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載的情況下，建議選用額定電壓為400V—600V的SSR產品；但對于頻繁啟動的單相或三相電機負載，建議選用額定電壓為660V—800V的SSR產品。

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(環境溫度、額定電壓、功率因素、有無散熱器等)所能承受的電流最大的有效值。一般生產廠家都提供熱降額曲線。如周圍溫度上升，應按曲線作降額使用。

浪涌電流是指在給定條件下(室溫、額定電壓、額定電流和持續的時間等)不會造成永久性損壞所允許的最大非重復性峰值電流。交流繼電器的浪涌電流為額定電流的5-10倍(一個周期)，直流產品為額定電流的1.5-5倍(一秒)。在選用時，如負載為穩態阻性，SSR可全額或降額10%使用。對于電加熱器、接觸器等，初始接通瞬間出現的浪涌電流可達3倍的穩態電流，因此，SSR降額20%-30%使用。對于白織燈類負載，SSR應按降額50%使用，并且還應加上適當的保護電路。對于變壓器負載，所選產品的額定電流必須高于負載工作電流的兩倍。對于負載為感應電機，所選SSR的額定電流值應為電機運轉電流的2—4倍，SSR的浪涌電流值應為額定電流的10倍。

固態繼電器對溫度的敏感性很強，工作溫度超過標稱值后，必須降熱或外加散熱器，例如額定電流為10A的JGX—10F產品，不加散熱器時的允許工作電流只有10A。

四、應用電路

1、基本單元電路

如圖5a所示為穩定的阻性負載，為了防止輸入電壓超過額定值，需設置一限流電阻Rx；當負載為非穩定性負載或感性負載時，在輸出回路中還應附加一個瞬態抑制電路，如圖5b所示，目的是保護固態繼電器。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電壓和電壓指數上升率dv/dt。在設計電路時，建議用戶根據負載的有關參數和環境條件，認真計算和試驗RC回路的選值。另一個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，如雙向穩壓二極管或壓敏電阻(MOV)。壓敏電阻電流值應按下式計算：

Imov=(Vmax-Vmov)/ZS

其中ZS為負載阻抗、電源阻抗以及線路阻抗之和，Vmax、Vmov分別為最高瞬態電壓、壓敏電阻的標稱電壓，對于常規的220V和380V的交流電源，推薦的壓敏電阻的標稱電壓值分別為440-470V和760-810V。

在交流感性負載上并聯RC電路或電容，也可抑制加至SSR輸出端的瞬態電壓和電壓指數上升率。

但實驗表明，RC吸收回路，特別是并聯在SSR輸出端的RC吸收回路，如果和感性負載組合不當，容易導致振蕩，在負載電源上電或繼電器切換時，加大繼電器輸出端的瞬變電壓峰值，增大SSR誤導通的可能性，所以，對具體應用電路應先進行試驗，選用合適的RC參數，甚至有時不用RC吸收電路更有利。

對于容性負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，可以在輸出端串聯一個具有高磁導率的軟化磁芯的電感器加以限制。

圖5

通常SSR均設計為“常開”狀態，即無控制信號輸入時，輸出端是開路的，但在自動化控制設備中經常需要“常閉”式的SSR，這時可在輸入端外接一組簡單的電路，如圖5c所示，這時即為常閉式SSR。

2、多功能控制電路

圖6a為多組輸出電路，當輸入為“0”時，三極管BG截止，SSR1、SSR2、SSR3的輸入端無輸入電壓，各自的輸出端斷開；當輸入為“1”時，三極管BG導通，SSR1、SSR2、SSR3的輸入端有輸入電壓，各自的輸出端接通，因而達到了由一個輸入端口控制多個輸出端“通”、“斷”的目的。

圖6b為單刀雙擲控制電路，當輸入為“0”時，三極管BG截止，SSR1輸入端無輸入電壓，輸出端斷開，此時A點電壓加到SSR2的輸入端上(UA-UDW應使SSR2輸出端可靠接通)，SSR2的輸出端接通；當輸入為“1”時，三極管BG導通，SSR1輸入端有輸入電壓，輸出端接通，此時A點雖有電壓，但UA-UDW的電壓值已不能使SSR2的輸出端接通而處于斷開狀態，因而達到了“單刀雙擲控制電路”的功能(注意：選擇穩壓二極管DW的穩壓值時，應保證在導通的SSR1“+”端的電壓不會使SSR2導通，同時又要兼顧到SSR1截止時期“+”端的電壓能使SSR2導通)。

圖6

3、用計算機控制電機正反轉的接口及驅動電路

圖7計算機控制單相交流電機正反轉的接口及驅動電路，在換向控制時，正反轉之間的停滯時間應大于交流電源的1.5個周期(用一個“下降沿延時”電路來完成)，以免換向太快而造成線間短路。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以上的交流固態繼電器。

圖7 計算機控制單相交流電機正反轉的接口及驅動電路

為了限制電機換向時電容器的放電電流，應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算：

Rx=0.2×VP/IR(Ω), P=Im2Rx

其中：VP—電源峰值電壓(V)；IR—固態繼電器額定電流(A)；Im—電機運轉電流(A)；P—限流電阻功率(W)

圖8 計算機控制三相交流電機正反轉的接口及驅動電路

圖8計算機控制三相交流電機正反轉的接口及驅動電路，圖中采用了4個與非門，用二個信號通道分別控制電動機的起動、停止和正轉、反轉。當改變電動機轉動方向時，給出指令信號的順序應是“停止—反轉—起動”或“停止—正轉—起動”。延時電路的最小延時不小于1.5個交流電源周期。其中RD1、RD2、RD3為熔斷器。當電機允許時，可以在R1-R4位置接入限流電阻，以防止當萬一兩線間的任意二只繼電器均誤接通時，限制產生的半周線間短路電流不超過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電阻上將產生壓降和功耗。該電路建議采用額定電壓為660 V或更高一點的SSR產品。

五、結束語

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越性，特別易于實現計算機的編程控制，因此使得控制的實現更加方便、靈活。但它也存在一些弱點，如：導通電阻(幾Ω—幾十Ω)、通態壓降(小于2 V)、斷態漏電流(5—10mA)等的存在，易發熱損壞；截止時存在漏電阻，不能使電路完全分開；易受溫度和輻射的影響，穩定性差；靈敏度高，易產生誤動作；在需要聯鎖、互鎖的控制電路中，保護電路的增設，使得成本上升、體積增大。因此，對于SSR具有的獨特性能，必須正確的理解和謹慎使用，方能發揮其獨特的性能，并確保SSR無故障的工作。