固态继电器原理分析

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1、 固态继电器的分类与工作原理固态继电器的分类与工作原理 固态继电器(Solid State Relays,缩写 SSR)是一种无触点电子开关，由分立元器件、膜固 定电阻网络和芯片，采用混合工艺组装来实现控制回路(输入电路)与负载回路(输出电路) 的电隔离及信号耦合，由固态器件实现负载的通断切换功能，内部无任何可动部件。尽管市 场上的固态继电器型号规格繁多，但它们的工作原理基本上是相似的。主要由输入(控制) 电路，驱动电路和输出(负载)电路三部分组成。 固态继电器的输入电路是为输入控制信号提供一个回路， 使之成为固态继电器的触发信 号源。固态继电器的输入电路多为直流输入，个别的为交流输入。直流输

2、入电路又分为阻性 输入和恒流输入。 阻性输入电路的输入控制电流随输入电压呈线性的正向变化。 恒流输入电 路，在输入电压达到一定值时，电流不再随电压的升高而明显增大，这种继电器可适用于相 当宽的输入电压范围。 固态继电器的驱动电路可以包括隔离耦合电路、 功能电路和触发电路三部分。 隔离耦合 电路， 目前多采用光电耦合器和高频变压器两种电路形式。 常用的光电耦合器有光三极管、 光双向可控硅、光二极管阵列(光伏)等。高频变压器耦合，是在一定的输入电压下， 形成约 10MHz 的自激振荡， 通过变压器磁芯将高频信号传递到变压器次级。 功能电路可包括 检波整流、过零、加速、保护、显示等各种功能电路。触发

3、电路的作用是给输出器件提供触 发信号。 固态继电器的输出电路是在触发信号的控制下， 实现固态继电器的通断切换。 输出电路 主要由输出器件(芯片)和起瞬态抑制作用的吸收回路组成，有时还包括反馈电路。目前，各 种固态继电器使用的输出器件主要有晶体三极管(Transistor)、单向可控硅(Thyristor 或 SCR)、双向可控硅(Triac)、MOS 场效应管(MOSFET)、绝缘栅型双极晶体管(IGBT)等。 固态继电器原理 固态继电器(Solidstate Relay, SSR)是一种由固态电子组件组成的新型无 触点开关，利用电子组件（如开关三极管、双向可控硅等半导体组件）的开关特性，达到

4、无 触点、无火花、而能接通和断开电路的目的，因此又被称为“无触点开关”。相对于以往的 “线圈簧片触点式”继电器(Electromechanical Relay, EMR)，SSR 没有任何可动的机械 零件， 工作中也没有任何机械动作， 具有超越 EMR 的优势， 如反应快、 可靠度高、 寿命长 （SSR 的开关次数可达 108“109 次，比一般 EMR 的 106 高出百倍）、无动作噪声、耐震、耐机械冲 击、具有良好的防潮防霉防腐特性。这些特点使 SSR 在军事、化工、和各种工业民用电控设 备中均有广泛应用。 固态继电器的控制信号所需的功率极低， 因此可以用弱信号控制强电流。 同时交流型的

5、SSR 采用过零触发技术，使 SSR 可以安全地用在计算机输出接口，不会像 EMR 那样产生一系列对计算机的干扰，甚至会导致严重当机。比较常用的是 DIP 封装的型式。控 制电压和负载电压按使用场合可以分成交流和直流两大类， 因此会有 DC-AC、 DC-DC、 AC-AC、 AC-DC 四种型式，它们分别在交流或直流电源上做负载的开关，不能混用. 按负载电源的类型不同可将 SSR 分为交流固态继电器(ACSSR)和直流固态继电器 (DCSSR)。ACSSR 是以双向晶闸管作为开关器件，用来接通或断开交流负载电源的固态 继电器。ACSSR 的控制触发方式不同，又可分为过零触发型和随机导通型两种

6、。过零触发 型 ACSSR 是当控制信号输入后，在交流电源经过零电压附近时导通，故干扰很小。随机导 通型 ACSSR 则是在交流电源的任一相位上导通或关断， 因此在导通瞬间可能产生较大的干 扰。 12 工作原理 过零触发型 ACSSR 为四端器件，其内部电路如图 1 所示。1、2 为输入端，3、4 为输 出端。R0 为限流电阻，光耦合器将输入与输出电路在电气上隔离开，V1 构成反相器，R4、 R5、V2 和晶闸管 V3 组成过零检测电路，UR 为双向整流桥，由 V3 和 UR 用以获得使双向晶闸 管 V4 开启的双向触发脉冲，R3、R7 为分流电阻，分别用来保护 V3 和 V4，R8 和 C

7、组成浪涌 吸收网络，以吸收电源中带有的尖峰电压或浪涌电流，防止对开关电路产生冲击或干扰。 要指出的是所谓“过零”并非真的必须是电源电压波形的零处，而一般是指在 1025V 或 -(1025)V 区域内进行触发，如图 2 所示。图中交流电压分三个区域，区为-10V+10V 范围， 称为死区， 在此区域中加入输入信号时不能使 SSR 导通。 区为 1025V 和-(1025)V 范围，称为响应区，在此区域内只要加入输入信号，SSR 立即导通。区为幅值大于 25V 的 范围，称为抑制区在此区域内加入输入信号，SSR 的导通被抑制。 当输入端未加电压信号时，光耦合器的光敏晶体管因未接收光而截止，V1饱

8、和，V3和 V4 因无触发电压而截止，此时 SSR 关闭。当加入输入信号时，光耦合器中的发光二极管发光， 光敏晶体管饱和，使 V1截止。此时若 V3两端电压在-(1025)V 或 1025V 范围内时，只要 适当选择分压电阻 R4和 R5，就可使 V2截止，这样使 V3触发导通，从而使 V 4 的控制极上得 到从 R6URV 3URR7或反方向的触发脉冲，而使 V4导通，使负载接通交流电源。而若 交流电压波形在图 2 中的区内时，则因 V2饱和而抑制 V3和 V4的导通，而使 SSR 被抑制， 从而实现了过零触发控制。 由于 1025V 幅值与电源电压幅值相比可近似看作“零”。 因此， 一般就

9、将过零电压粗略地定义为 025V，即认为在此区域内，只要加入输入信号，过零 触发型 ACSSR 都能导通。 当输入端电压信号撤除后，光耦合器中的光敏晶体管截止，V1饱和，V3截止，但此时 V4 仍保持导通，直到负载电流随电源电压减小到小于双向晶闸管的维持电流时，SSR 才转为截 止。 SSR 的输出端器件可分为双向晶闸管和两只单向晶闸管反并联形式。 若负载为电动机一 类的感性负载， 则其静态电压上升率 dv/dt 是一个重要参数。 由于单向晶闸管静态电压上升 率(200V/s)大大高于双向晶闸管的换向指标(10V/s)，因此若采用两只大功率单向晶闸 管反并联代替双向晶闸管， 一方面可提高输出功

10、率； 另一方面也可提高耐浪涌电流的冲击能 力，这种 SSR 称为增强型 SSR。金山打字通 2011 官方免费下载 http:/www.cd- .选型使用时应注意事项 .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 SSR 的选择 许多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

11、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

12、,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(4080)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 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/

13、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,可考虑在输入 端串接分压电阻或在输入端口并接分流电阻,以使输入信号不超过其额定参数值。 .6 在具体使用时,控制信号和负载电源要求稳定，波动不应大于 10%，否则应采 取稳压措施。 .7 在安装使用时应远离电磁干扰,射频干扰源，以防继电器误动失控。 .8 固态继电器开路且负载端有电压时,输出端会有一定的漏

14、电流，在使用或设计 时应注意。 .9 固态继电器失效更换时,应尽量选用原型号或技术参数完全相同的产品，以便 与原应用线路匹配，保证系统的可靠工作。 固态继电器简介 一什么是固态继电器？ 固态继电器（SSR）是一种全电子电路组合的元件，它依靠半导体器件和电子元件的电磁和光特性来 完成其隔离和继电切换功能。固态继电器与传统的电磁继电器相比，是一种没有机械，不含运动零部件的 继电器，但具有与电磁继电器本质上相同的功能。 二固态继电器的分类： 按工作性质分有直流输入-交流输出型，直流输入-直流输出型，交流输入-交流输出型，交流输入-直流 输出型。 按安装方式有装置式（面板安装） ，线路板安装型。 按元

15、件分有普通型和增强型。 三固态继电器优缺点： 优点：多数产品具有零电压导通，零电流关断，与逻辑电路兼容（TTL、DTL、HTL）切换速度快、无 噪音、耐腐蚀、抗干扰、寿命长、体积小，能以微小的控制信号直接驱动大电流负载等。 缺点：存在通态压降，需要散热措施，有输出漏电流，交直流不能通用，触点组数少，成本高。 四固态继电器应用领域： 由于固态继电器的内在特点，自问世以来以进入电磁继电器的大多数领域，在少数领域以完全取而代 之。特别是计算机自动控制领域，由于固态继电器的所需驱动功率较底，直接和逻辑电路兼容，不必加中 间缓冲器即可直接驱动。目前固态继电器以被广泛应用于工业自动化控制，如电炉加热系统，

16、熟控机械， 遥控机械，电机，电磁阀以及信号灯，闪烁器，舞台灯光控制系统，医疗器械，复印机，洗衣机，消防保 安系统等等都有大量应用。 固体继电器固体继电器 固态继电器 SSR(solid state releys)是一种无触点通断电子开关， 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，为四 端有源器件，其中两个端子为输入控制端，另外两端为输出受控端。为实现输入与输出之间的电 气隔离，器件中采用了高耐压的专业光电耦合器。当施加输入信号后，其主回路呈导通状态，无 信号时呈阻断状态。整个器件无可动部件及触点，可实现相当于常用电磁继电器一样的功能。其 封装形式也与传统电磁继电器基本相同。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。 由于固态继电器是