固态继电器介绍与应用

T年轻的味道2018-06-25 12:52:48

    固体继电器(亦称固态继电器)英文名称为 Solid State Relay,简称 SSR。它是用半导体器件代替传统电接点作为切换装置的具有继电器特性的无触点开关器件,单相 SSR为四端有源器件,其中两个输入控制端,两个输出端,输入输出间为光隔离,输入端加上直流或脉冲信号到一定电流值后,输出端就能从断态转变成通态。       

一般情况下,万用表不能判别 SSR 的好坏,正确的方法采用图 1-2的测试电路:当输入电流为零时,电压表测出的为电网电压,电灯不亮(灯泡功率须 25W 以上);当输入电流达到一定值以后,电灯亮,电压表测出的 SSR 导通压降(在 3V 以下)。 (请初次使用者务必注意:因 SSR 内部有RC 回路而带来漏电流,因此不能等同于普通触点式的继电器、接触器,请参考后面的注意事项) 。

★ SSR 优缺点       固体继电器工作可靠,寿命长,无噪声,无火花,无电磁干扰,开关速度快,抗干扰能力强,且体积小,耐冲击,耐振荡,防爆、防潮、防腐蚀、能与 TTL、DTL、HTL 等逻辑电路兼容,以微小的控制信号达到直接驱动大电流负载。主要不足是存在通态压降(需相应散热措施),有断态漏电流,交直流不能通用,触点组数少,另外过电流、过电压及电压上升率、电流上升率等指标差。   

★ SSR 的使用场合       固体继电器目前已广泛应用于计算机外围接口装置,电炉加热恒温系统,数控机械,遥控系统、工业自动化装置;信号灯、闪烁器、照明舞台灯光控制系统;仪器仪表、医疗器械、复印机、自动洗衣机;自动消防,保安系统,以及作为电网功率因素补偿的电力电容的切换开关等等,另外在化工、煤矿等需防爆、防潮、防腐蚀场合中都有大量使用。  

★ SSR 的分类        交流固体继电器按开关方式分有电压过零导通型(简称过零型)和随机导通型(简称随机型) ;按输出开关元件分有双向可控硅输出型(普通型)和单向可控硅反并联型(增强型);按安装方式分有印刷线路板上用的针插式(自然冷却,不必带散热器)和固定在金属底板上的装置式(靠散热器冷却) ;另外输入端又有宽范围输入(DC3-32V)的恒流源型和串电阻限流型等。

★ 过零型和随机型SSR的区别       当输入端施加有效的控制信号时, 随机型 SSR 输出端立即导通 (速度为微秒级),而过零型 SSR则要等到负载电压过零区域(约±15V)时才开启导通。当输入端撤消控制信号后,过零型和随机SSR 均在小于维持电流时关断。虽然过零型 SSR 有可能造成最大半个周期的延时,但却减少了对负载的冲击和产生的射频干扰,成为理想的开关器件,在“单刀单掷”的开关场合中应用最为广泛。 随机型 SSR的特点是反应速度快,它可以控制移相触发脉冲达到方便地改变交流电网电压,从而应用于精确地调温、调光等阻性负载及部分感性负载场合。

交流固态继电器 SSR(Solid state releys)是一种无触点通断电子开关,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,中间采用光电隔离,作为输入输出之间电气隔离(浮空)。在输入端加上直流或脉冲信号,输出端就能从关断状态转变成导通状态(无信号时呈阻断状态),从而控制较大负载。整个器件无可动部件及触点,可实现相当于常用的机械式电磁继电器一样的功能。 由于固态继电器是由固体元件组成的无触点开关元件,所以与电磁继电器相比具有工作可靠、寿命长,对外界干扰小,能与逻辑电路兼容、抗干扰能力强、开关速度快和使用方便等一系列优点,因而具有很宽的应用领域,有逐步取代传统电磁继电器之势,并可进一步扩展到传统电磁继电器无法应用的计算机等领域。

固态继电器有三部分组成:输入电路,隔离(耦合)和输出电路。按输入电压的不同类别,输入电路可分为直流输入电路,交流输入电路和交直流输入电路三种。有些输入控制电路还具有与TTL/CMOS兼容,正负逻辑控制和反相等功能。固态继电器的输入与输出电路的隔离和耦合方式有光电耦合和变压器耦合两种。固态继电器的输出电路也可分为直流输出电路,交流输出电路和交直流输出电路等形式。交流输出时,通常使用两个可控硅或一个双向可控硅,直流输出时可使用双极性器件或功率场效应管。

                                 固态继电器


     固态继电器内部结构原理图

固态继电器的优点:(1)高寿命,高可靠:固态继电器没有机械零部件,有固体器件完成触点功能,由于没有运动的零部件,因此能在高冲击,振动的环境下工作,由于组成固态继电器的元器件的固有特性,决定了固态继电器的寿命长,可靠性高。

(2)灵敏度高,控制功率小,电磁兼容性好:固态继电器的输入电压范围较宽,驱动功率低,可与大多数逻辑集成电路兼容不需加缓冲器或驱动器。

(3)快速转换:固态继电器因为采用固体器件,所以切换速度可从几毫秒至几微妙。

(4)电磁干扰小:固态继电器没有输入“线圈”,没有触点燃弧和回跳,因而减少了电磁干扰。大多数交流输出固态继电器是一个零电压开关,在零电压处导通,零电流处关断,减少了电流波形的突然中断,从而减少了开关瞬态效应。

固态继电器的缺点:

(1)导通后的管压降大,可控硅或双相控硅的正向降压可达1~2V,大功率晶体管的饱和压降也在1~2V之间,一般功率场效应管的导通电阻也较机械触点的接触电阻大。

(2)半导体器件关断后仍可有数微安至数毫安的漏电流,因此不能实现理想的电隔离。     

(3)由于管压降大,导通后的功耗和发热量也大,大功率固态继电器的体积远远大于同容量的电磁继电器,成本也较高。     (4)电子元器件的温度特性和电子线路的抗干扰能力较差,耐辐射能力也较差,如不采取有效措施,则工作可靠性低。    

 (5)固态继电器对过载有较大的敏感性,必须用快速熔断器或RC阻尼电路对其进行过载保护。固态继电器的负载与环境温度明显有关,温度升高,负载能力将迅速下降。     

(6)主要不足是存在通态压降(需相应散热措施),有断态漏电流,交直流不能通用,触点组数少,另外过电流、过电压及电压上升率、电流上升率等指标差。

固态继电器的合理选择    

1.选择固态继电器时,应对照应用条件,分析研究手册、详细规范和产品技术性能及参数,同时应该注意到固态继电器性能参数和负载能力受环境温度和自身温度的影响较大,其输入有极性要求,感性和容性负载时输出电路容易受尖封电压和浪涌电流的损害,导通时通态压降产生的功率损耗和散热等。重点处理好这些问题,有助于实现固态继电器的科学利用,使其更具可靠性。

2.固态继电器的保护:(1)过电流的保护(2)过电压的保护(3)过热保护一般而言,负载电流小于5A的固态继电器,利用空气对流散热即可。要求安装在有良好对流环境、两个固态继电器间距离大于一个固态继电器的宽度。电流大于10A的固态继电器应加装散热器,对于负载电流大于40A的固态继电器,根据设计体积大小,必要时要使用风冷或水冷

3.固态继电器的应用热设计和散热器的选择:固态继电器在工作中内部存在着一定的功率耗散,这个耗散值主要由输出电压降与负载电流乘积决定,以发热的形式体现。散热的好坏直接影响到固态继电器的最大负载电流和允许的最高工作环境温度值,是影响固态继电器可靠工作的 重要因素之一。所以,我们应重视固态继电器的应用热设计和散热器的选择,使固态继电器稳定可靠的工作,避免由于散热不良而造成的固态继电器的失效和损坏。