固態(tài)繼電器

固態(tài)繼電器是機(jī)電繼電器的半導(dǎo)體等效物，可用于控制電氣負(fù)載而無(wú)需使用移動(dòng)部件。

與使用線圈、磁場(chǎng)、彈簧和各種機(jī)械觸點(diǎn)來(lái)控制和切換電源的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)電繼電器和接觸器不同，固態(tài)繼電器（SSR）沒(méi)有移動(dòng)部件，而是利用固態(tài)半導(dǎo)體的電氣和光學(xué)特性來(lái)執(zhí)行其輸入到輸出的隔離和切換功能。

就像普通的機(jī)電繼電器一樣，SSR在其輸入和輸出觸點(diǎn)之間提供完全的電氣隔離，其輸出類似于傳統(tǒng)的電氣開(kāi)關(guān)，在不導(dǎo)通時(shí)（開(kāi)路）具有非常高的、幾乎無(wú)限的電阻，而在導(dǎo)通時(shí)（閉合）具有非常低的電阻。固態(tài)繼電器可以通過(guò)使用SCR、TRIAC或開(kāi)關(guān)晶體管輸出來(lái)設(shè)計(jì)為切換交流或直流電流，而不是通常的機(jī)械常開(kāi)（NO）觸點(diǎn)。

盡管固態(tài)繼電器和機(jī)電繼電器在低電壓輸入與切換和控制負(fù)載的輸出之間電氣隔離方面基本相似，但機(jī)電繼電器的觸點(diǎn)壽命有限，可能占用大量空間，并且切換速度較慢，尤其是大型功率繼電器和接觸器。固態(tài)繼電器沒(méi)有這些限制。

固態(tài)繼電器

因此，固態(tài)繼電器相對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)電繼電器的主要優(yōu)勢(shì)在于它們沒(méi)有移動(dòng)部件會(huì)磨損，因此沒(méi)有觸點(diǎn)彈跳問(wèn)題，能夠比機(jī)械繼電器的銜鐵移動(dòng)速度快得多地切換“開(kāi)”和“關(guān)”，以及零電壓開(kāi)啟和零電流關(guān)閉，消除了電氣噪聲和瞬態(tài)。

固態(tài)繼電器可以以標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)貨供應(yīng)的形式購(gòu)買，輸出切換能力從幾伏或幾安培到數(shù)百伏和數(shù)百安培不等。然而，由于功率半導(dǎo)體和散熱要求，具有非常高額定電流（150A以上）的固態(tài)繼電器仍然太昂貴，因此仍然使用更便宜的機(jī)電接觸器。

類似于機(jī)電繼電器，小的輸入電壓（通常為3至32伏直流）可用于控制更大的輸出電壓或電流。例如240V，10A。這使得它們非常適合微控制器、PIC和Arduino接口，因?yàn)閬?lái)自微控制器或邏輯門的低電流5伏信號(hào)可用于控制特定的電路負(fù)載，這是通過(guò)使用光隔離器實(shí)現(xiàn)的。

固態(tài)繼電器輸入

固態(tài)繼電器（SSR）的主要組件之一是光隔離器（也稱為光耦合器），它包含一個(gè)（或多個(gè)）紅外發(fā)光二極管或LED光源，以及一個(gè)光敏器件，全部封裝在一個(gè)外殼內(nèi)。光隔離器將輸入與輸出隔離。

LED光源連接到SSR的輸入驅(qū)動(dòng)部分，并通過(guò)間隙提供光耦合到相鄰的光敏晶體管、達(dá)林頓對(duì)或三端雙向可控硅。當(dāng)電流通過(guò)LED時(shí)，它會(huì)發(fā)光，其光線通過(guò)間隙聚焦到光敏晶體管/光敏三端雙向可控硅上。

因此，光耦合SSR的輸出通過(guò)激勵(lì)這個(gè)LED（通常使用低電壓信號(hào)）來(lái)“開(kāi)啟”。由于輸入和輸出之間的唯一連接是一束光，因此通過(guò)這種內(nèi)部光隔離實(shí)現(xiàn)了高電壓隔離（通常為幾千伏）。

光隔離器不僅提供了更高程度的輸入/輸出隔離，還可以傳輸直流和低頻信號(hào)。此外，LED和光敏器件可以完全分開(kāi)，并通過(guò)光纖進(jìn)行光耦合。

SSR的輸入電路可能僅由一個(gè)與光隔離器LED串聯(lián)的限流電阻組成，或者由更復(fù)雜的電路組成，包括整流、電流調(diào)節(jié)、反極性保護(hù)、濾波等。

要激活或“開(kāi)啟”固態(tài)繼電器使其導(dǎo)通，必須在其輸入端子上施加大于其最小值（通常為3伏直流）的電壓（相當(dāng)于機(jī)電繼電器的線圈）。這個(gè)直流信號(hào)可以來(lái)自機(jī)械開(kāi)關(guān)、邏輯門或微控制器，如圖所示。

固態(tài)繼電器直流輸入電路

SSR輸入

當(dāng)使用機(jī)械觸點(diǎn)、開(kāi)關(guān)、按鈕、其他繼電器觸點(diǎn)等作為激活信號(hào)時(shí)，使用的電源電壓可以等于SSR的最小輸入電壓值，而當(dāng)使用晶體管、門和微控制器等固態(tài)器件時(shí)，最小電源電壓需要比SSR的開(kāi)啟電壓高出一兩伏，以考慮開(kāi)關(guān)器件的內(nèi)部電壓降。

但是，除了使用直流電壓（無(wú)論是吸收還是源出）來(lái)使固態(tài)繼電器導(dǎo)通外，我們還可以通過(guò)添加橋式整流器進(jìn)行全波整流和濾波電路到直流輸入來(lái)使用正弦波形，如圖所示。

固態(tài)繼電器交流輸入電路

交流輸入

橋式整流器將正弦電壓轉(zhuǎn)換為全波整流脈沖，頻率為輸入頻率的兩倍。這里的問(wèn)題是，這些電壓脈沖從零伏開(kāi)始和結(jié)束，這意味著它們將低于SSR輸入閾值的最小開(kāi)啟電壓要求，導(dǎo)致輸出每半個(gè)周期“開(kāi)啟”和“關(guān)閉”。

為了克服這種不穩(wěn)定的輸出觸發(fā)，我們可以通過(guò)在橋式整流器輸出端使用平滑電容器（C1）來(lái)平滑整流紋波。電容器的充電和放電效應(yīng)將提高整流信號(hào)的直流分量，使其超過(guò)固態(tài)繼電器輸入的最大開(kāi)啟電壓值。因此，即使使用不斷變化的正弦電壓波形，SSR的輸入也會(huì)看到一個(gè)恒定的直流電壓。

降壓電阻R1和平滑電容器C1的值根據(jù)電源電壓（120伏交流或240伏交流）以及固態(tài)繼電器的輸入阻抗選擇。但大約40kΩ和10uF的值就可以了。

然后，通過(guò)添加這個(gè)橋式整流器和平滑電容器電路，可以使用交流或非極化直流電源來(lái)控制標(biāo)準(zhǔn)的直流固態(tài)繼電器。當(dāng)然，制造商已經(jīng)生產(chǎn)和銷售交流輸入固態(tài)繼電器（通常為90至280伏交流）。

固態(tài)繼電器輸出

與輸入一樣，固態(tài)繼電器的輸出切換能力可以是交流或直流電壓。大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)固態(tài)繼電器的輸出電路配置為僅執(zhí)行一種類型的切換操作，提供類似于機(jī)電繼電器的常開(kāi)、單極、單擲（SPST-NO）操作。

對(duì)于大多數(shù)直流SSR，常用的固態(tài)開(kāi)關(guān)器件是功率晶體管、達(dá)林頓和MOSFET。對(duì)于交流SSR，開(kāi)關(guān)器件是三端雙向可控硅或兩個(gè)反向并聯(lián)連接的硅控整流器（SCR），以允許雙向切換。請(qǐng)注意，三端雙向可控硅只不過(guò)是兩個(gè)反向并聯(lián)連接的SCR，它們的柵極連接在一起。

硅控整流器（晶閘管）通常因其高電壓和電流能力而受到青睞。單個(gè)SCR也可以用于橋式整流器電路中，如圖所示，以在所需的觸發(fā)角處短路橋。

固態(tài)繼電器輸出電路

固態(tài)繼電器輸出電路

固態(tài)繼電器最常見(jiàn)的應(yīng)用是切換交流負(fù)載，無(wú)論是用于控制交流電源的開(kāi)關(guān)、調(diào)光、電機(jī)速度控制還是其他需要功率控制的應(yīng)用，這些交流負(fù)載可以很容易地使用低電流直流電壓通過(guò)固態(tài)繼電器控制，提供長(zhǎng)壽命和高切換速度。

固態(tài)繼電器相對(duì)于機(jī)電繼電器的最大優(yōu)勢(shì)之一是它能夠在零負(fù)載電流點(diǎn)關(guān)閉交流負(fù)載，從而完全消除與傳統(tǒng)機(jī)械繼電器和感性負(fù)載相關(guān)的電弧、電氣噪聲和觸點(diǎn)彈跳。

這是因?yàn)榻涣髑袚Q固態(tài)繼電器使用SCR和TRIAC作為其輸出開(kāi)關(guān)器件，一旦輸入信號(hào)被移除，它們會(huì)繼續(xù)導(dǎo)通，直到通過(guò)器件的交流電流低于其閾值或保持電流值。因此，SSR的輸出永遠(yuǎn)不會(huì)在正弦波峰值中間關(guān)閉。

零電流關(guān)閉是使用固態(tài)繼電器的主要優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗鼫p少了電氣噪聲和與感性負(fù)載切換相關(guān)的反電動(dòng)勢(shì)，這在機(jī)電繼電器的觸點(diǎn)中表現(xiàn)為電弧?？紤]下面典型交流固態(tài)繼電器的輸出波形圖。

固態(tài)繼電器輸出波形

固態(tài)繼電器輸出波形

在沒(méi)有輸入信號(hào)的情況下，沒(méi)有負(fù)載電流通過(guò)SSR，因?yàn)樗鼘?shí)際上是關(guān)閉的（開(kāi)路），輸出端子看到完整的交流電源電壓。在施加直流輸入信號(hào)時(shí)，無(wú)論正弦波形的哪個(gè)部分（正或負(fù)）正在通過(guò)，由于SSR的零電壓切換特性，輸出僅在波形過(guò)零時(shí)開(kāi)啟。

隨著電源電壓在正或負(fù)方向上增加，它達(dá)到使輸出晶閘管或三端雙向可控硅完全開(kāi)啟所需的最小值（通常小于約15伏）。SSR輸出端子上的電壓降是開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通電壓降VT（通常小于2伏）。因此，與感性或燈負(fù)載相關(guān)的高涌入電流大大減少。

當(dāng)直流輸入電壓信號(hào)被移除時(shí)，輸出不會(huì)突然關(guān)閉，因?yàn)橐坏┯|發(fā)導(dǎo)通，用作開(kāi)關(guān)器件的晶閘管或三端雙向可控硅會(huì)在剩余的半周期內(nèi)保持開(kāi)啟，直到負(fù)載電流下降到器件的保持電流以下，此時(shí)它會(huì)關(guān)閉。因此，與在正弦波中間切換感性負(fù)載相關(guān)的高dv/dt反電動(dòng)勢(shì)大大減少。

因此，交流固態(tài)繼電器相對(duì)于機(jī)電繼電器的主要優(yōu)勢(shì)是其零交叉功能，當(dāng)交流負(fù)載電壓接近零伏時(shí)開(kāi)啟SSR，從而抑制任何高涌入電流，因?yàn)樨?fù)載電流總是從接近0V的點(diǎn)開(kāi)始，以及晶閘管或三端雙向可控硅固有的零電流關(guān)閉特性。因此，最大可能的關(guān)閉延遲（在移除輸入信號(hào)和移除負(fù)載電流之間）為半個(gè)周期。

相位調(diào)光固態(tài)繼電器

雖然固態(tài)繼電器可以執(zhí)行直接的零交叉負(fù)載切換，但它們還可以通過(guò)數(shù)字邏輯電路、微處理器和存儲(chǔ)器執(zhí)行更復(fù)雜的功能。固態(tài)繼電器的另一個(gè)出色應(yīng)用是家庭或演出或音樂(lè)會(huì)中的燈調(diào)光應(yīng)用。

非零（即時(shí)開(kāi)啟）切換固態(tài)繼電器在施加輸入控制信號(hào)后立即開(kāi)啟，而不是像上述零交叉SSR那樣等待交流正弦波的下一個(gè)零交叉點(diǎn)。這種隨機(jī)觸發(fā)切換用于電阻性應(yīng)用，如燈調(diào)光和應(yīng)用，這些應(yīng)用只需要在交流周期的一小部分時(shí)間內(nèi)為負(fù)載供電。

隨機(jī)切換輸出波形

SSR相位控制波形

雖然這允許對(duì)負(fù)載波形進(jìn)行相位控制，但隨機(jī)開(kāi)啟SSR的主要問(wèn)題是繼電器開(kāi)啟瞬間的初始負(fù)載涌入電流可能很高，因?yàn)镾SR在電源電壓接近其峰值（90度）時(shí)切換電源。當(dāng)輸入信號(hào)被移除時(shí)，當(dāng)負(fù)載電流下降到晶閘管或三端雙向可控硅的保持電流以下時(shí)，它會(huì)停止導(dǎo)通，如圖所示。顯然，對(duì)于直流SSR，開(kāi)關(guān)動(dòng)作是瞬間的。

固態(tài)繼電器非常適合各種開(kāi)關(guān)應(yīng)用，因?yàn)樗鼈儾幌駲C(jī)電繼電器（EMR）那樣有移動(dòng)部件或觸點(diǎn)。有許多不同的商業(yè)類型可供選擇，適用于交流和直流輸入控制信號(hào)以及交流和直流輸出切換，因?yàn)樗鼈儾捎冒雽?dǎo)體開(kāi)關(guān)元件，如晶閘管、三端雙向可控硅和晶體管。

但是，通過(guò)結(jié)合使用良好的光隔離器和三端雙向可控硅，我們可以制作自己的廉價(jià)且簡(jiǎn)單的固態(tài)繼電器來(lái)控制交流負(fù)載，如加熱器、燈或螺線管。由于光隔離器只需要少量的輸入/控制功率來(lái)操作，控制信號(hào)可以來(lái)自PIC、Arduino、Raspberry PI或任何其他微控制器。

示例1

假設(shè)我們想要一個(gè)具有僅+5伏數(shù)字輸出端口信號(hào)的微控制器來(lái)控制120V交流、600瓦的加熱元件。為此，我們可以使用MOC 3020光隔離三端雙向可控硅，但內(nèi)部三端雙向可控硅只能在120V交流電源的峰值處通過(guò)最大電流（ITSM）1安培，因此還必須使用額外的開(kāi)關(guān)三端雙向可控硅。

首先考慮MOC 3020光隔離器（其他光隔離三端雙向可控硅也可用）的輸入特性。光隔離器的數(shù)據(jù)表告訴我們，輸入發(fā)光二極管的正向電壓降（VF）為1.2伏，最大正向電流（IF）為50mA。

LED需要大約10mA才能合理明亮地發(fā)光，最大值為50mA。然而，微控制器的數(shù)字輸出端口只能提供最大30mA。因此，所需的電流值在10到30毫安之間。因此：

光隔離器MOC3020電阻

因此，可以使用值在126到380Ω之間的串聯(lián)限流電阻。由于數(shù)字輸出端口總是切換+5伏，并且為了減少通過(guò)光耦合器LED的功率耗散，我們將選擇240Ω的首選電阻值。這使得LED正向電流小于16mA。在這個(gè)例子中，任何在150Ω到330Ω之間的首選電阻值都可以。

加熱元件負(fù)載為600瓦電阻性。使用120V交流電源將給我們5安培的負(fù)載電流（I = P/V）。由于我們希望在交流波形的兩個(gè)半周期（所有4個(gè)象限）中控制這個(gè)負(fù)載電流，我們將需要一個(gè)主開(kāi)關(guān)三端雙向可控硅。

BTA06是一個(gè)6安培（IT(RMS)）600伏的三端雙向可控硅，適用于交流負(fù)載的通用開(kāi)關(guān)，但任何類似的6到8安培額定三端雙向可控硅都可以。此外，這個(gè)開(kāi)關(guān)三端雙向可控硅只需要50mA的柵極驅(qū)動(dòng)來(lái)開(kāi)始導(dǎo)通，這遠(yuǎn)低于MOC 3020光隔離器的1安培最大額定值。

考慮光隔離器的輸出三端雙向可控硅在120VRMS交流電源電壓的峰值（90度）處開(kāi)啟。這個(gè)峰值電壓的值為：120 x 1.414 = 170Vpk。如果光隔離三端雙向可控硅的最大電流（ITSM）為1安培峰值，則所需的最小串聯(lián)電阻值為170/1 = 170Ω，或180Ω到最近的首選值。這個(gè)180Ω的值將保護(hù)光耦合器輸出三端雙向可控硅，以及在120VAC電源上的BTA06三端雙向可控硅的柵極。

如果光隔離器的三端雙向可控硅在120VRMS交流電源電壓的零交叉值（0度）處開(kāi)啟，則提供所需50mA柵極驅(qū)動(dòng)電流迫使開(kāi)關(guān)三端雙向可控硅導(dǎo)通所需的最小電壓為：180Ω x 50mA = 9.0伏。然后，當(dāng)正弦波柵極到MT1電壓大于9伏時(shí)，三端雙向可控硅觸發(fā)導(dǎo)通。

因此，在交流波形的零交叉點(diǎn)之后所需的最小電壓為9伏峰值，這個(gè)串聯(lián)柵極電阻中的功率耗散非常小，因此可以安全地使用180Ω、0.5瓦額定電阻?？紤]下面的電路。

交流SSR電路

交流SSR電路

這種類型的光耦合器配置構(gòu)成了非常簡(jiǎn)單的固態(tài)繼電器應(yīng)用的基礎(chǔ)，可用于控制任何交流電源負(fù)載，如燈和電機(jī)。這里我們使用了MOC 3020，它是一個(gè)隨機(jī)開(kāi)關(guān)隔離器。

MOC 3041光隔離三端雙向可控硅具有相同的特性，但具有內(nèi)置的零交叉檢測(cè)功能，允許負(fù)載在切換感性負(fù)載時(shí)獲得全功率而不會(huì)產(chǎn)生重涌入電流。

二極管D1防止由于輸入電壓的反向連接而造成的損壞，而56歐姆電阻（R3）在三端雙向可控硅關(guān)閉時(shí)分流任何di/dt電流，消除誤觸發(fā)。它還將柵極端子連接到MT1，確保三端雙向可控硅完全關(guān)閉。

如果與脈寬調(diào)制（PWM）輸入信號(hào)一起使用，對(duì)于交流負(fù)載，開(kāi)關(guān)頻率應(yīng)設(shè)置為最大10Hz以下，否則這個(gè)固態(tài)繼電器電路的輸出切換可能無(wú)法跟上。