固態(tài)繼電器的應(yīng)用淺析

2.固態(tài)繼電器分類（按輸出負(fù)載電源分）

　　2.1交流固態(tài)繼電器
　　2.1.1按開(kāi)關(guān)方式分
　　a.電壓過(guò)零導(dǎo)通型（簡(jiǎn)稱過(guò)零型）b.電壓隨機(jī)導(dǎo)通型（簡(jiǎn)稱隨機(jī)型）
　　2.1.2按輸出開(kāi)關(guān)元件分
　　a.雙向可控硅輸出型b.單向可控硅反并聯(lián)型（增強(qiáng)型）
　　2.1.3按安裝方式分
　　a.焊針式：線路板用，一般為小電流規(guī)格B.裝置式：可配置散熱器安裝固定在金屬底板上，大電流規(guī)格
　　2.2直流固態(tài)繼電器
　　2.2.1按輸入端分
　　a.光隔離型　　b.高頻磁隔離，變壓器耦合
　　2.2.2按輸出端分
　　a.大功率三極管　　b.功率場(chǎng)效應(yīng)管
　　2.3交直流固態(tài)繼電器
　　a.光伏耦合器　　b.磁隔離

3. 典型交直流固態(tài)繼電器原理分析

　　3.1 交流固態(tài)繼電器（過(guò)零型）原理分析

　　固態(tài)繼電器由三部分組成：輸入電路、隔離（耦合）和輸出電路組成，在輸入電路控制端加入信號(hào)后，IC1光電耦合器內(nèi)光敏三極管呈導(dǎo)通狀態(tài)，R1串接電阻對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行限流，以保證光耦合器不致?lián)p壞。LED發(fā)光二極管指示輸入端控制信號(hào)，VD1可防止當(dāng)輸入信號(hào)正負(fù)極性接反時(shí)以保護(hù)光耦I(lǐng)C1。

　　V1 在線路中起到交流電壓檢測(cè)作用，使固態(tài)繼電器在電壓過(guò)零時(shí)開(kāi)啟、負(fù)載電流過(guò)零時(shí)關(guān)斷。當(dāng)IC1光敏三極管截止時(shí)(控制端無(wú)信號(hào)輸入時(shí))，V1通過(guò)R2獲得基極電流使之飽和導(dǎo)通,從而使 SCR可控硅門(mén)極觸發(fā)電壓UGT被箝在低電位而處于關(guān)斷狀態(tài)，最終導(dǎo)致BTA雙向可控硅在門(mén)極控制端R6上無(wú)觸發(fā)脈沖而處于關(guān)斷狀態(tài)。

　　當(dāng)IC1光敏三極管導(dǎo)通時(shí)( 控制端有信號(hào)輸入時(shí)) ，SCR可控硅的工作狀態(tài)由交流電壓零點(diǎn)檢測(cè)三極管V1來(lái)確定其工作狀態(tài) 。如電源電壓經(jīng)R2與R3分壓，A處電壓大于過(guò)零電壓時(shí)(VA＞VBE1)，V1處飽和導(dǎo)通狀態(tài)，SCR、BTA可控硅都處于關(guān)斷狀態(tài)；如電源電壓經(jīng)R2與R3分壓，A處電壓小于過(guò)零電壓時(shí)（VA＞VBE1）V1處截止?fàn)顟B(tài)，SCR可控硅通過(guò)R4獲得觸發(fā)信號(hào)而導(dǎo)通 ,從而使 BTA在R6上也獲得觸發(fā)信號(hào)也呈導(dǎo)通狀態(tài),對(duì)負(fù)載電源進(jìn)行關(guān)斷控制。如此時(shí)控制端信號(hào)關(guān)斷后,負(fù)載電流也隨之減小至BTA雙向可控硅的維持電流IH時(shí)可自行關(guān)斷,切斷負(fù)載電源。

　　交流過(guò)零型固態(tài)繼電器，因有其電壓過(guò)零時(shí)開(kāi)啟，負(fù)載電流過(guò)零時(shí)關(guān)斷的特性。它的最大接通、關(guān)斷時(shí)間是半個(gè)電源周期，在負(fù)載上可得到一個(gè)完整的正弦波形。也相應(yīng)的減少了對(duì)負(fù)載的沖擊。而在相應(yīng)的控制回路中產(chǎn)生的射頻干擾也大大減少。過(guò)零型與隨機(jī)型的工作波形圖分別見(jiàn)圖2和圖3。

　　在輸入控制回路中，電阻R1串接在IC1光電耦合器輸入端對(duì)其發(fā)光管進(jìn)行限流保護(hù)，發(fā)光管LED對(duì)輸入控制信號(hào)給予指示，VD1對(duì)輸入端的反偏電壓進(jìn)行保護(hù)。當(dāng)控制端無(wú)信號(hào)輸入時(shí)，IC1光電耦合器中的光敏三極管呈截止高阻狀態(tài) ，V1通過(guò)R2獲得其基極電流使之飽和導(dǎo)通,從而導(dǎo)致 V2、V3、V4均處在截止?fàn)顟B(tài)，使其固態(tài)繼電器呈關(guān)斷狀態(tài)。

　　當(dāng)控制端有信號(hào)輸入時(shí)，IC1中光敏三極管導(dǎo)通，使 V1呈截止?fàn)顟B(tài)，從而使V2、V3、V4導(dǎo)通使其固態(tài)繼電器呈接通狀態(tài)，并將電源加至負(fù)載上，直流固態(tài)繼電器的輸出端隨著輸入端信號(hào)的加入而導(dǎo)通，信號(hào)的消失而關(guān)斷。

　　另外，大功率低電壓的直流固態(tài)繼電器的輸出開(kāi)關(guān)普遍采用功率場(chǎng)效應(yīng)管來(lái)替代功率三極管,以此來(lái)降低輸入功率。

4.選型使用時(shí)應(yīng)注意事項(xiàng)

　　4.1在選用小電流規(guī)格印刷電路板使用的固態(tài)繼電器時(shí)，因引線端子為高導(dǎo)熱材料制成,焊接時(shí)應(yīng)在溫度小于250℃、時(shí)間小于10S的條件下進(jìn)行，如考慮周?chē)鷾囟鹊脑?，必要時(shí)可考慮降額使用，一般將負(fù)載電流控制在額定值的 1/2以內(nèi)使用。

　　4.2各種負(fù)載浪涌特性對(duì)SSR的選擇

　　許多被控負(fù)載在接通瞬間會(huì)產(chǎn)生很大的浪涌電流，由于熱量來(lái)不及散發(fā)，很可能使SSR內(nèi)部可控硅損壞,所以用戶在選用繼電器時(shí)應(yīng)對(duì)被控負(fù)載的浪涌特性進(jìn)行分析,然后再選擇繼電器。使繼電器在保證穩(wěn)態(tài)工作前提下能夠承受這個(gè)浪涌電流，選擇時(shí)可參考表2各種負(fù)載時(shí)的降額系數(shù)(常溫下)。

　　如所選用的繼電器需在工作較頻繁、壽命以及可靠性要求較高的場(chǎng)合工作時(shí)，則應(yīng)在表2的基礎(chǔ)上再乘以0.6以確保工作可靠。

　　一般在選用時(shí)遵循上述原則，在低電壓要求信號(hào)失真小可選用采用場(chǎng)效應(yīng)管作輸出器件的直流固態(tài)繼器；如對(duì)交流阻性負(fù)載和多數(shù)感性負(fù)載，可選用過(guò)零型繼電器，這樣可延長(zhǎng)負(fù)載和繼電器壽命，也可減小自身的射頻干擾。如作為相位輸出控制時(shí)，應(yīng)選用隨機(jī)型固態(tài)繼電器。

　　4.3 使用環(huán)境溫度的影響

　　固態(tài)繼電器的負(fù)載能力受環(huán)境溫度和自身溫升的影響較大，在安裝使用過(guò)程中,應(yīng)保證其有良好的散熱條件，額定工作電流在10A以上的產(chǎn)品應(yīng)配散熱器，100A 以上的產(chǎn)品應(yīng)配散熱器加風(fēng)扇強(qiáng)冷 。在安裝時(shí)應(yīng)注意繼電器底部與散熱器的良好接觸 ，并考慮涂適量導(dǎo)熱硅脂以達(dá)到最佳散熱效果。

　　如繼電器長(zhǎng)期工作在高溫狀態(tài)下(40℃~80℃)時(shí)，用戶可根據(jù)廠家提供的最大輸出電流與環(huán)境溫度曲線數(shù)據(jù)，考慮降額使用來(lái)保證正常工作。

　　4.4 過(guò)流、過(guò)壓保護(hù)措施

　　在繼電器使用時(shí)，因過(guò)流和負(fù)載短路會(huì)造成SSR內(nèi)部輸出可控硅永久損壞 ,可考慮在控制回路中增加快速熔斷器和空氣開(kāi)關(guān)予以保護(hù)型(選擇繼電器應(yīng)選擇產(chǎn)品輸出保護(hù),內(nèi)置壓敏電阻吸收回路和RC緩沖器,可吸收浪涌電壓和提高dv/dt耐量）；也可在繼電器輸出端并接 RC吸收回路和壓敏電阻(MOV)來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出保護(hù)。選用原則是220V選用500V-600V壓敏電阻，380V時(shí)可選用800V-900V壓敏電阻。

　　4.5 繼電器輸入回路信號(hào)

　　在使用時(shí)因輸入電壓過(guò)高或輸入電流過(guò)大超出其規(guī)定的額定參數(shù)時(shí),可考慮在輸入端串接分壓電阻或在輸入端口并接分流電阻,以使輸入信號(hào)不超過(guò)其額定參數(shù)值。

　　4.6 在具體使用時(shí),控制信號(hào)和負(fù)載電源要求穩(wěn)定，波動(dòng)不應(yīng)大于10%，否則應(yīng)采取穩(wěn)壓措施。

　　4.7 在安裝使用時(shí)應(yīng)遠(yuǎn)離電磁干擾,射頻干擾源，以防繼電器誤動(dòng)失控。

　　4.8 固態(tài)繼電器開(kāi)路且負(fù)載端有電壓時(shí),輸出端會(huì)有一定的漏電流，在使用或設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意。

　　4.9 固態(tài)繼電器失效更換時(shí),應(yīng)盡量選用原型號(hào)或技術(shù)參數(shù)完全相同的產(chǎn)品，以便與原應(yīng)用線路匹配，保證系統(tǒng)的可靠工作。

參考文獻(xiàn)
1 李序葆編.電力電子器件及應(yīng)用.機(jī)械工業(yè)出版社，1996年