固态继电器原理

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1、固态继电器原理1 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。 直流输入电路又分为阻性

2、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。触发电路的作用是给输出器件提供触发信号。

3、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(Solids tate 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，达到无触点、无火花、而能接通和断开电路的目的，因此

4、 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108109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

5、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。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 ACSS

6、R 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。RO为限流电阻，光耦合器将输入与输出电路在电气上隔离开， VI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。5ifCvtl2S立vd2-vd5输出SCR)输入要指出的是所谓“过零”并非

7、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, I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。II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。III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官因未接收光而截止，V饱和， V和V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 34发光二极管发光，光敏晶体管饱和，使V截止。此时若V两端电

8、压在-(1025)V 13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V4的控制极上得到从R6fURfV3fURfR7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 III区内时，则因 V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，一般就将过零 电压粗略地定义为0土25V，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， V 饱和， V 截止，13

9、 但此时V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 4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/U s)大大高于双向晶闸管的换向指标 (10V/M 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。2 选型使用时应注意事项2 .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

10、在温度小于250C、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。2.2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

11、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。2.3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(40C80C )时，用户可根据厂家提供的 最大输出电流

12、与环境温度曲线数据，考虑降额使用来保证正常工作。2.4 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/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。2 .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。2 .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。2.7 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。2.8 固态继电器开路且负载端有电压时,输出端会有一定的漏电流，在使 用或设计时应注意。2 .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