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固態(tài)繼電器的原理與應(yīng)用介紹

時(shí)間:2020-07-29 14:56:41來源:

導(dǎo)語:?固態(tài)繼電器(Solid State Relay ,縮寫 SSR)是用分離的電子元器件、集成電路(或芯片)及混合微電路技術(shù)結(jié)合發(fā)展起來的一種具有繼電特性的無觸點(diǎn)式電子開關(guān)。

1.概述
  固態(tài)繼電器(Solid State Relay ,縮寫 SSR)是用分離的電子元器件、集成電路(或芯片)及混合微電路技術(shù)結(jié)合發(fā)展起來的一種具有繼電特性的無觸點(diǎn)式電子開關(guān)。具有壽命長、可靠性高、開關(guān)速度快、電磁干擾小、無噪聲、無火花等特點(diǎn),可廣泛應(yīng)用于航天、航海、家電、機(jī)床、通訊、化工、煤礦等工業(yè)自動化等領(lǐng)域。
  2.固態(tài)繼電器分類(按輸出負(fù)載電源分)
  2.1交流固態(tài)繼電器
  2.1.1按開關(guān)方式分
  a.電壓過零導(dǎo)通型(簡稱過零型)b.電壓隨機(jī)導(dǎo)通型(簡稱隨機(jī)型)
  2.1.2按輸出開關(guān)元件分
  a.雙向可控硅輸出型b.單向可控硅反并聯(lián)型(增強(qiáng)型)
  2.1.3按安裝方式分
  a.焊針式:線路板用,一般為小電流規(guī)格B.裝置式:可配置散熱器安裝固定在金屬底板上,大電流規(guī)格
  2.2直流固態(tài)繼電器
  2.2.1按輸入端分
  a.光隔離型  b.高頻磁隔離,變壓器耦合
  2.2.2按輸出端分
  a.大功率三極管  b.功率場效應(yīng)管
  2.3交直流固態(tài)繼電器
  a.光伏耦合器  b.磁隔離

3. 典型交直流固態(tài)繼電器原理分析
  3.1 交流固態(tài)繼電器(過零型)原理分析
  固態(tài)繼電器由三部分組成:輸入電路、隔離(耦合)和輸出電路組成,在輸入電路控制端加入信號后,IC1光電耦合器內(nèi)光敏三極管呈導(dǎo)通狀態(tài),R1串接電阻對輸入信號進(jìn)行限流,以保證光耦合器不致?lián)p壞。LED發(fā)光二極管指示輸入端控制信號,VD1可防止當(dāng)輸入信號正負(fù)極性接反時(shí)以保護(hù)光耦I(lǐng)C1。
  V1 在線路中起到交流電壓檢測作用,使固態(tài)繼電器在電壓過零時(shí)開啟、負(fù)載電流過零時(shí)關(guān)斷。當(dāng)IC1光敏三極管截止時(shí)(控制端無信號輸入時(shí)),V1通過R2獲得基極電流使之飽和導(dǎo)通,從而使 SCR可控硅門極觸發(fā)電壓UGT被箝在低電位而處于關(guān)斷狀態(tài),最終導(dǎo)致BTA雙向可控硅在門極控制端R6上無觸發(fā)脈沖而處于關(guān)斷狀態(tài)。
  當(dāng)IC1光敏三極管導(dǎo)通時(shí)( 控制端有信號輸入時(shí)) ,SCR可控硅的工作狀態(tài)由交流電壓零點(diǎn)檢測三極管V1來確定其工作狀態(tài) 。如電源電壓經(jīng)R2與R3分壓,A處電壓大于過零電壓時(shí)(VA>VBE1),V1處飽和導(dǎo)通狀態(tài),SCR、BTA可控硅都處于關(guān)斷狀態(tài);如電源電壓經(jīng)R2與R3分壓,A處電壓小于過零電壓時(shí)(VA>VBE1)V1處截止?fàn)顟B(tài),SCR可控硅通過R4獲得觸發(fā)信號而導(dǎo)通 ,從而使 BTA在R6上也獲得觸發(fā)信號也呈導(dǎo)通狀態(tài),對負(fù)載電源進(jìn)行關(guān)斷控制。如此時(shí)控制端信號關(guān)斷后,負(fù)載電流也隨之減小至BTA雙向可控硅的維持電流IH時(shí)可自行關(guān)斷,切斷負(fù)載電源。
  交流過零型固態(tài)繼電器,因有其電壓過零時(shí)開啟,負(fù)載電流過零時(shí)關(guān)斷的特性。它的最大接通、關(guān)斷時(shí)間是半個電源周期,在負(fù)載上可得到一個完整的正弦波形。也相應(yīng)的減少了對負(fù)載的沖擊。而在相應(yīng)的控制回路中產(chǎn)生的射頻干擾也大大減少。過零型與隨機(jī)型的工作波形圖分別見圖2和圖3。
  在輸入控制回路中,電阻R1串接在IC1光電耦合器輸入端對其發(fā)光管進(jìn)行限流保護(hù),發(fā)光管LED對輸入控制信號給予指示,VD1對輸入端的反偏電壓進(jìn)行保護(hù)。當(dāng)控制端無信號輸入時(shí),IC1光電耦合器中的光敏三極管呈截止高阻狀態(tài) ,V1通過R2獲得其基極電流使之飽和導(dǎo)通,從而導(dǎo)致 V2、V3、V4均處在截止?fàn)顟B(tài),使其固態(tài)繼電器呈關(guān)斷狀態(tài)。
  當(dāng)控制端有信號輸入時(shí),IC1中光敏三極管導(dǎo)通,使 V1呈截止?fàn)顟B(tài),從而使V2、V3、V4導(dǎo)通使其固態(tài)繼電器呈接通狀態(tài),并將電源加至負(fù)載上,直流固態(tài)繼電器的輸出端隨著輸入端信號的加入而導(dǎo)通,信號的消失而關(guān)斷。
  另外,大功率低電壓的直流固態(tài)繼電器的輸出開關(guān)普遍采用功率場效應(yīng)管來替代功率三極管,以此來降低輸入功率。

4.選型使用時(shí)應(yīng)注意事項(xiàng)
  4.1在選用小電流規(guī)格印刷電路板使用的固態(tài)繼電器時(shí),因引線端子為高導(dǎo)熱材料制成,焊接時(shí)應(yīng)在溫度小于250℃、時(shí)間小于10S的條件下進(jìn)行,如考慮周圍溫度的原因,必要時(shí)可考慮降額使用,一般將負(fù)載電流控制在額定值的 1/2以內(nèi)使用。
  4.2各種負(fù)載浪涌特性對SSR的選擇
  許多被控負(fù)載在接通瞬間會產(chǎn)生很大的浪涌電流,由于熱量來不及散發(fā),很可能使SSR內(nèi)部可控硅損壞,所以用戶在選用繼電器時(shí)應(yīng)對被控負(fù)載的浪涌特性進(jìn)行分析,然后再選擇繼電器。使繼電器在保證穩(wěn)態(tài)工作前提下能夠承受這個浪涌電流,選擇時(shí)可參考表2各種負(fù)載時(shí)的降額系數(shù)(常溫下)。
  如所選用的繼電器需在工作較頻繁、壽命以及可靠性要求較高的場合工作時(shí),則應(yīng)在表2的基礎(chǔ)上再乘以0.6以確保工作可靠。
  一般在選用時(shí)遵循上述原則,在低電壓要求信號失真小可選用采用場效應(yīng)管作輸出器件的直流固態(tài)繼器;如對交流阻性負(fù)載和多數(shù)感性負(fù)載,可選用過零型繼電器,這樣可延長負(fù)載和繼電器壽命,也可減小自身的射頻干擾。如作為相位輸出控制時(shí),應(yīng)選用隨機(jī)型固態(tài)繼電器。
  4.3 使用環(huán)境溫度的影響
  固態(tài)繼電器的負(fù)載能力受環(huán)境溫度和自身溫升的影響較大,在安裝使用過程中,應(yīng)保證其有良好的散熱條件,額定工作電流在10A以上的產(chǎn)品應(yīng)配散熱器,100A 以上的產(chǎn)品應(yīng)配散熱器加風(fēng)扇強(qiáng)冷 。在安裝時(shí)應(yīng)注意繼電器底部與散熱器的良好接觸 ,并考慮涂適量導(dǎo)熱硅脂以達(dá)到最佳散熱效果。
  如繼電器長期工作在高溫狀態(tài)下(40℃~80℃)時(shí),用戶可根據(jù)廠家提供的最大輸出電流與環(huán)境溫度曲線數(shù)據(jù),考慮降額使用來保證正常工作。
  4.4 過流、過壓保護(hù)措施
  在繼電器使用時(shí),因過流和負(fù)載短路會造成SSR內(nèi)部輸出可控硅永久損壞 ,可考慮在控制回路中增加快速熔斷器和空氣開關(guān)予以保護(hù)型(選擇繼電器應(yīng)選擇產(chǎn)品輸出保護(hù),內(nèi)置壓敏電阻吸收回路和RC緩沖器,可吸收浪涌電壓和提高dv/dt耐量);也可在繼電器輸出端并接 RC吸收回路和壓敏電阻(MOV)來實(shí)現(xiàn)輸出保護(hù)。選用原則是220V選用500V-600V壓敏電阻,380V時(shí)可選用800V-900V壓敏電阻。
  4.5 繼電器輸入回路信號
  在使用時(shí)因輸入電壓過高或輸入電流過大超出其規(guī)定的額定參數(shù)時(shí),可考慮在輸入端串接分壓電阻或在輸入端口并接分流電阻,以使輸入信號不超過其額定參數(shù)值。
  4.6 在具體使用時(shí),控制信號和負(fù)載電源要求穩(wěn)定,波動不應(yīng)大于10%,否則應(yīng)采取穩(wěn)壓措施。
  4.7 在安裝使用時(shí)應(yīng)遠(yuǎn)離電磁干擾,射頻干擾源,以防繼電器誤動失控。
  4.8 固態(tài)繼電器開路且負(fù)載端有電壓時(shí),輸出端會有一定的漏電流,在使用或設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意。
  4.9 固態(tài)繼電器失效更換時(shí),應(yīng)盡量選用原型號或技術(shù)參數(shù)完全相同的產(chǎn)品,以便與原應(yīng)用線路匹配,保證系統(tǒng)的可靠工作。

直流固態(tài)繼電器原理.png

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