固态继电器原理及应用电路

1、 固态继电器原理及应用电路 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-住构成交流 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。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

2、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符合要求的触发信号，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， 当参加控制信号，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，

3、 一般是用“-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。 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 4给出了几种国内、外常见的 SSR的外形。 功地实现了弱信号

4、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 线圈一 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，、固态继电器的特点 SSR成 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、长寿命有资料说明 SSR的开关次数可达

5、 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 平安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。此外， SSR还有能承受在数值上可达额定电流十倍左右的浪涌电流的特点。表 1参数名称单位参数值最小

6、典型 最大输入端直流控制电压V 3.2 14输入电流mA 20接通电压V 3.2关断电压V 1.5反极向保护电压 V 15绝缘电阻Q 109介质耐压V 1500输出端额定输出电压V 25 250额定输出电流A 10浪涌 电流A 100过零电压V 15输出压降V 2.0输出漏电流mA 10接通电间mS 10关断时间mS 10 工作频率Hz 47 70功率损耗W 1.5关断 dV/dtV/卬 s 200晶闸管结温 C 110工作温度C -20 80 三、主要 参数与选用功率固态继电器的特性参数包括输入和输出参数，下面以北京科通继电器总厂生产的 GX-10F 继电器为例，列出输入、输出参数，详见表

7、1,根据输入电压参数值大小，可确定工作电压大小。如采用 TTL或 CMOS等逻辑电平控制时，最好采用有足够带载能力的低电平驱动， 并尽可能使“0电平低于 0.8 Vo 如在噪声很强的环境下工作，不能选用通、断电压值相差小的产品，必需选用通、断电压值相差大的产品， 如选接通电压为 8 V或 12 V的产品这样不会因噪声干扰而造成控制失灵 。输出参数的工程较多，现对主 要几个参数说明如下： 1、额定输入电压它是指定条件下能承受的稳态阻性负载的最大允许电压有效值。 如果受控负载是非稳态或非阻性的，必需考虑所选产品是否能承受工作状态或条件变化时 冷热转换、静动 转换、感应电势、瞬态峰值电压、变化周期等

8、 所产生的最大合成电压。例如负载为感性时，所选额定输 出电压必须大于两倍电源电压值，而且所选产品的阻断 击穿电压应高于负载电源电压峰值的两倍。如在 电源电压为交流 220V、一般的小功率非阻性负载的情况下， 建议选用额定电压为 400V 600V的 SSR产品； 但对于频繁启动的单相或三相电机负载，建议选用额定电压为 660V 800V的 SSR产品。2、额定输出电 流和浪涌电流额定输出电流是指在给定条件下 环境温度、额定电压、功率因素、有无散热器等 所能承受 的电流最大的有效值。一般生产厂家都提供热降额曲线。如周围温度上升，应按曲线作降额使用。浪涌电 流是指在给定条件下室温、额定电压、额定电

9、流和持续的时间等 不会造成永久性损坏所允许的最大非重 复性峰值电流。交流继电器的浪涌电流为额定电流的 5-10倍一个周期，直流产品为额定电流的 1.5-5倍一 秒。在选用时，如负载为稳态阻性， SSR可全额或降额 10%使用。对于电加热器、接触器等，初始接通瞬 间出现的浪涌电流可达 3倍的稳态电流，因此，SSR降额 20%-30%使用。对于白织灯类负载，SSR应按降额 50%使用，并且还应加上适当的保护电路。对于变压器负载，所选产品的额定电流必须高于负载工作电流 的两倍。对于负载为感应电机，所选 SSR的额定电流值应为电机运转电流的 2 4倍，SSR的浪涌电流值应 为额定电流的 10倍。固态继

10、电器对温度的敏感性很强，工作温度超过标称值后，必须降热或外加散热器， 例如额定电流为 10A的 JGX 10F产品，不加散热器时的允许工作电流只有 10Ao四、应用电路 1、根本 单元电路如图 5a所示为稳定的阻性负载， 为了防止输入电压超过额定值， 需设置一限流电阻 Rx;当负载为 非稳定性负载或感性负载时，在输出回路中还应附加一个瞬态抑制电路，如图 5b所示，目的是保护固态继 电器。通常措施是在继电器输出端加装 RC吸收回路例如：R=150 Q, C=0.5 H或 R=39 Q, C=0.1卬 F它 可以有效的抑制加至继电器的瞬态电压和电压指数上升率 dv/dto在设计电路时，建议用户根据

11、负载的有关 参数和环境条件，认真计算和试验 RC回路的选值。另一个常用的措施是在继电器输出端接入具有特定钳 位电压的电压控制器件，如双向稳压二极管或压敏电阻 MOV o压敏电阻电流值应按下式计算： Imov=Vmax-Vmov/ZS 其中 ZS为负载阻抗、电源阻抗以及线路阻抗之和， Vmax、Vmov分别为最高瞬态 电压、压敏电阻的标称电压，对于常规的 220V和 380V的交流电源，推荐的压敏电阻的标称电压值分别为 440-470V和 760-810V。在交流感性负载上并联 RC电路或电容，也可抑制加至 SSR输出端的瞬态电压和电 压指数上升率。但实验说明， RC吸收回路，特别是并联在 SS

12、R输出端的 RC吸收回路，如果和感性负载 组合不当，容易导致振荡，在负载电源上电或继电器切换时， 加大继电器输出端的瞬变电压峰值， 增大 SSR 误导通的可能性，所以，对具体应用电路应先进行试验，选用适宜的 RC参数，甚至有时不用 RC吸收电 路更有利。对于容性负载引起的浪涌电流可用感性元件抑制，如在电路中引入磁干扰滤波器、扼流圈等， 以限制快速上升的峰值电流。 另外，如果输出端电流上升变化率di/dt很大，可以在输出端串联一个具有高 磁导率的软化磁芯的电感器加以限制。 图 5通常 SSR均设计为 常开状态，即无控制信号输入时，输出端是开路的，但在自动化控制设备中经 常需要常闭式的 SSR,这

13、时可在输入端外接一组简单的电路，如图 5c所示，这时即为常闭式 SSR。 2、 多功能控制电路图 6a为多组输出电路，当输入为 “0时，三极管 BG截止，SSR1、SSR2、SSR3的输入端无 输入电压，各自的输出端断开；当输入为 “1时，三极管 BG导通，SSR1、SSR2、SSR3的输入端有输入电 压，各自的输出端接通，因而到达了由一个输入端口控制多个输出端 通、断的目的。图 6b为单刀双掷 控制电路，当输入为 “0时，三极管 BG截止，SSR1输入端无输入电压，输出端断开，此时 A点电压加到 SSR2 的输入端上UA-UDW 应使 SSR2输出端可靠接通，SSR2的输出端接通；当输入为

14、“1时，三极管 BG 导通，SSR1 输入端有输入电压，输出端接通，此时 A点虽有电压，但 UA-UDW 的电压值已不能使 SSR2 的输出端接通而处于断开状态， 因而到达了 单刀双掷控制电路的功能注意：选择稳压二极管 DW的稳压 值时，应保证在导通的 SSR1 端的电压不会使 使SSR2 导通。 7计算机控制单相交流电机正反转的接口及驱动电路，在 1.5个周期用一个 下降沿延时电路来完成，以免 电路中继电器要选用阻断电压高于 600 V和额定电压为 380 V以上的交流固态继 图 7计算机控制单相交流电机正反转的接口及驱动电路为了限制电机换向时电容器的放电电流，应在各回 路中外加一只限流电阻

15、 Rx，其阻值和功率可按下式计算： Rx=0.2面 P/IR Q, P=Im2Rx其中：VP 一电源峰 值电压V ; IR 一固态继电器额定电流A ; Im 一电机运转电流A; P一限流电阻功率WSSR2 导通，同时又要兼顾到 SSR1截止时期“端的电压能 3、用计算机控制电机正反转的接口及驱动电路图 换向控制时，正反转之间的停滞时间应大于交流电源的 换向太快而造成线间短路。 电器 sstri - iftth SSR3 55噩M 出 图 8计算机控制三相交流电机正反转的接口及驱动电路图 8计算机控制三相交流电机正反转的接口及驱动 电路，图中采用了 4个与非门，用二个信号通道分别控制电动机的起动、停止和正转、反转。当改变电动机 转动方向时，给出指令信号的顺序应是 停止一反转一起动或 停止一正转一起动。延时电路的最小延时 不小于 1.5个交流电源周期。其中 RD1、RD2、RD3为熔断器。当电机允许时，可以在 R1-R4位置接入限流 电阻，以防止当万一两线间的任意二只继电器均误接通时，限制产生的半周线间短路电流不超过继电器所 能承受的浪涌电流，从而防止烧毁继电器等事故，确保平安性；但副作用是正常工作时电阻上将产生压降 和功耗。该电路建议采用额定电压为 660 V或更高一点的 SSR产品。五、结束语 由前述可以看到 SSR