固态继电器分类和几个关键参数

固态继电器分类和几个关键参数 时贵春 固态继电器 SOLIDSTATE RELAYS 简写成 SSR 是一种全部由固态 电子元件组成的新型无触点开关器件 它利用电子元件 如开关三极管 双向 可控硅等半导体器件 的开关特性 可达到无触点无火花地接通和断开电路的 目的 因此又被称为 无触点开关 它问世于 70 年代 由于它的无触点工作 特性 使其在许多领域的电控及计算机控制方面得到日益广范的应用 一 固态继电器的原理及结构 SSR 按使用场合可以分成交流型和直流型两大类 它们分别在交流或直流 电源上做负载的开关 不能混用 下面以交流型的 SSR 为例来说明它的工作原理 图 1 是它的工作原理框图 图 1 中的部件 构成交流 SSR 的主体 从整体上看 SSR 只有两个输入端 A 和 B 及两个输出端 C 和 D 是一种四端器件 图 1 工作时只要在 A B 上加上一定的控制信号 就可以控制 C D 两端之间的 通 和 断 实现 开关 的功能 其中耦合电路的功能是为 A B 端输入 的控制信号提供一个输入 输出端之间的通道 但又在电气上断开 SSR 中输入端 和输出端之间的 电 联系 以防止输出端对输入端的影响 耦合电路用的元 件是 光耦合器 它动作灵敏 响应速度高 输入 输出端间的绝缘 耐压 等级高 由于输入端的负载是发光二极管 这使 SSR 的输入端很容易做到与输 入信号电平相匹配 在使用可直接与计算机输出接口相接 即受 1 与 0 的逻辑电平控制 触发电路的功能是产生合乎要求的触发信号 驱动开关电路 工作 但由于开关电路在不加特殊控制电路时 将产生射频干扰并以高次谐 波或尖峰等污染电网 为此特设 过零控制电路 所谓 过零 是指 当加 入控制信号 交流电压过零时 SSR 即为通态 而当断开控制信号后 SSR 要等 待交流电的正半周与负半周的交界点 零电位 时 SSR 才为断态 这种设计 能防止高次谐波的干扰和对电网的污染 吸收电路是为防止从电源中传来的尖 峰 浪涌 电压 对开关器件双向可控硅管的冲击和干扰 甚至误动作 而设 计的 一般是用 R C 串联吸收电路或非线性电阻 压敏电阻器 图 2 是一 种典型的交流型 SSR 的电原理图 图 2 直流型的 SSR 与交流型的 SSR 相比 无过零控制电路 也不必设置吸收电 路 开关器件一般用大功率开关三极管 其它工作原理相同 不过 直流型 SSR 在使用时应注意 负载为感性负载时 如直流电磁阀或电磁铁 应在负 载两端并联一只二极管 极性如图 3 所示 二极管的电流应等于工作电流 电 压应大于工作电压的 4 倍 SSR 工作时应尽量把它靠近负载 其输出引线应 满足负荷电流的需要 使用电源属经交流降压整流所得的 其滤波电解电容 应足够大 图 3 图 4 给出了几种国内 外常见的 SSR 的外形 图 4 二 固态继电器的特点 SSR 成功地实现了弱信号 Vsr 对强电 输出端负载电压 的控制 由于 光耦合器的应用 使控制信号所需的功率极低 约十余毫瓦就可正常工作 而且 Vsr 所需的工作电平与 TTL HTL CMOS 等常用集成电路兼容 可以实现直 接联接 这使 SSR 在数控和自控设备等方面得到广泛应用 在相当程度上可取 代传统的 线圈 簧片触点式 继电器 简称 MER SSR 由于是全固态电子元件组成 与 MER 相比 它没有任何可动的机械部 件 工作中也没有任何机械动作 SSR 由电路的工作状态变换实现 通 和 断 的开关功能 没有电接触点 所以它有一系列 MER 不具备的优点 即工 作高可靠 长寿命 有资料表明 SSR 的开关次数可达 108 109 次 比一般 MER 的 106 高几百倍 无动作噪声 耐振耐机械冲击 安装位置无限制 很容易 用绝缘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极佳 这些特点使 SSR 可在军事 如飞行器 火炮 舰船 车载武器系统 化工 井下采煤和各种工业民用电控设备的应 用中大显身手 具有超越 MER 的技术优势 交流型 SSR 由于采用过零触发技术 因而可以使 SSR 安全地用在计算机输 出接口上 不必为在接口上采用 MER 而产生的一系列对计算机的干扰而烦恼 根据固态继电器的输出方式不同 我们一般把固态分为 过零型交流固态继电器 随机型交流固态继电器 峰值型交流固态继电器 直流固态继电器 模拟量调节模块 固态继电器 SSR 的选择 为了给某一实际的运用确定出适当的 SSR 重要的是要考虑以下几点要求 负载电压 交流或直流 负载电流 最大和最小电流 负载类型 阻性 感性或容性 控制电压 交流或直流 环境温度 在降低定额值和散热片计算时需要 安装方式 PCB 面板或 DIN 导轨安装 国际认证 UL CSA VDE TUV 等等 在许多情况下 负载功率将限定固态继电器 SSR 是采用 PCB 面板或是 DIN 导轨安装 在大于 5 7A 的负载时 一定需要采用散热方法来去除固态继电器 SSR 本身的发热量 固态继电器 SSR 的负载电压通常是指加至固态继电器 SSR 输出端的稳态电 压 而瞬态电压则是指固态继电器 SSR 输出端可以承受的最大电压 在使用中 一定要保证加至固态继电器 SSR 输出端的最大峰值电压低于固态继电器 SSR 的 瞬态电压值 在切换交流感性负载 单相电机和三相电机负载 或给这些电路 上电时 固态继电器 SSR 输出端可能出现两倍于电源电压峰值的电压 对于此 类负载 选型时应给固态继电器的输出电压留出一定余量 固态继电器 SSR 的输出电流通常是指流经固态继电器 SSR 输出端的稳态电 流 但是由于感性负载 容性负载引起的浪涌电流问题以及电源自身的浪涌电 流问题 在选型时应当给固态继电器 SSR 的输出电流留出一定余量 对于感性负载和容性负载 当交流固态继电器 SSR 在关断时 有较大的 dv dt 电压指数上升率 加至继电器输出端 为此应选用 dv dt 较高的固态继 电器 SSR 电磁继电器与固态继电器的优缺点 电磁式继电器是一种电子控制器件 在电路中起着自动调节 安全保护 转 换电路等作用 一般是由铁芯 线圈 衔铁 触点簧片等组成的 与电磁式继电器比拟 固态继电器 SSR 是一种没有机械运动 不含运动零件 的继电器 但它具有与电磁继电器本质上相同的功能 SSR 是一种全部由固态电 子元件组成的无触点开关元件 它利用电子元器件的电 磁和光特性来完成输入 与输出的隔离 利用大功率三极管 功率场效应管 单向可控硅或双向可控硅等器 件的开关特性 来达到无触点 无火花地接通和断开被控电路 固态继电器 SSR 敏捷度高 控制功率小 寿命比较高 可靠性好 切换速度可 达到几毫秒至几微妙 大多数交流输出固态继电器 SSR 是一个零电压开关 在零 电压处导通 零电流处关断 减少了电流波形的溘然间断 从而减小了开关瞬态效 应 因为管压降大 导通后的功耗和发烧量也大 大功率固态继电器 SSR 的体积 远弘远于同容量的电磁继电器 本钱也较高 使用固态继电器 SSR 可以使系统具有较高的机能 但昂贵的价格导致产品 的本钱上升 因此 在对系统机能要求不是很高 但对于本钱非常敏感的产品来说 选 用廉价的普通电磁继电器去控制电加热丝就成为解决本钱题目的重点 固态继电器使用选型方法 1 在选用小电流规格印刷电路板使用的固态继电器时 因引线端子为高导 热材料制成 焊接时应在温度小于 250 时间小于 10S 的条件下进行 如考虑 周围温度的原因 必要时可考虑降额使用 一般将负载电流控制在额定值的 1 2 以内使用 2 各种负载浪涌特性对固态继电器 SSR 的选择 被控负载在接通瞬间会产生很大的浪涌电流 由于热量来不及散发 很可 能使 SSR 内部可控硅损坏 所以用户在选用继电器时应对被控负载的浪涌特性进 行分析 然后再选择继电器 使继电器在保证稳态工作前提下能够承受这个浪涌 电流 选择时可参考表 2 各种负载时的降额系数 常温下 如所选用的继电器需在工作较频繁 寿命以及可靠性要求较高的场合工作 时 则应在表 2 的基础上再乘以 0 6 以确保工作可靠 一般在选用时遵循上述原则 在低电压要求信号失真小可选用采用场效应 管作输出器件的直流固态继器 如对交流阻性负载和多数感性负载 可选用过 零型继电器 这样可延长负载和继电器寿命 也可减小自身的射频干扰 如作 为相位输出控制时 应选用随机型固态继电器 3 使用环境温度的影响 固态继电器的负载能力受环境温度和自身温升的影响较大 在安装使用过 程中 应保证其有良好的散热条件 额定工作电流在 10A 以上的产品应配散热器 100A 以上的产品应配散热器加风扇强冷 在安装时应注意继电器底部与散热 器的良好接触 并考虑涂适量导热硅脂以达到最佳散热效果 如继电器长期工作在高温状态下 40 80 时 用户可根据厂家提供的最 大输出电流与环境温度曲线数据 考虑降额使用来保证正常工作 4 过流 过压保护措施 在继电器使用时 因过流和负载短路会造成 SSR 固态继电器内部输出可控 硅永久损坏 可考虑在控制回路中增加快速熔断器和空气开关予以保护型 选择 继电器应选择产品输出保护 内置压敏电阻吸收回路和 RC 缓冲器 可吸收浪涌电 压和提高 dv dt 耐量 也可在继电器输出端并接 RC 吸收回路和压敏电阻 MOV 来实现输出保护 选用原则是 220V 选用 500V 600V 压敏电阻 380V 时可 选用 800V 900V 压敏电阻 5 继电器输入回路信号 在使用时因输入电压过高或输入电流过大超出其规定的额定参数时 可考虑 在