固態(tài)繼電器為什么叫固態(tài)
一、概述
固態(tài)繼電器（亦稱固體繼電器）英文名稱為Solid State Relay，簡稱SSR。
固態(tài)繼電器與機電繼電器相比，是一種沒有機械運動，不含運動零件的繼電器，但它具有與機電繼電器本質(zhì)上相同的功能。SSR是一種全部由固態(tài)電子元件組成的無觸點開關(guān)元件，他利用電子元器件的電，磁和光特性來完成輸入與輸出的可靠隔離，利用大功率三極管，功率場效應(yīng)管，單向可控硅和雙向可控硅等器件的開關(guān)特性，來達(dá)到無觸點，無火花地接通和斷開被控電路。
二、固態(tài)繼電器的組成
固態(tài)繼電器有三部分組成:輸入電路，隔離(耦合)和輸出電路。安輸入電壓的不同類別，輸入電路可分為直流輸入電路，交流輸入電路和交直流輸入電路三種。有些輸入控制電路還具有與TTL/CMOS兼容，正負(fù)邏輯控制和反相等功能。固態(tài)繼電器的輸入與輸出電路的隔離和耦合方式有光電耦合和變壓器耦合兩種。固態(tài)繼電器的輸出電路也可分為直流輸出電路，交流輸出電路和交直流輸出電路等形式。交流輸出時，通常使用兩個可控硅或一個雙向可控硅，直流輸出時可使用雙極性器件或功率場效應(yīng)管。
三、固態(tài)繼電器的優(yōu)缺點
1、固態(tài)繼電器的優(yōu)點
（1）高壽命，高可靠:SSR沒有機械零部件，有固體器件完成觸點功能，由于沒有運動的零部件，因此能在高沖擊，振動的環(huán)境下工作，由于組成固態(tài)繼電器的元器件的固有特性，決定了固態(tài)繼電器的壽命長，可靠性高。
（2）靈敏度高，控制功率小，電磁兼容性好:固態(tài)繼電器的輸入電壓范圍較寬，驅(qū)動功率低，可與大多數(shù)邏輯集成電路兼容不需加緩沖器或驅(qū)動器。
（3）快速轉(zhuǎn)換:固態(tài)繼電器因為采用固體器件，所以切換速度可從幾毫秒至幾微妙。
（4）電磁干擾小:固態(tài)繼電器沒有輸入"線圈"，沒有觸點燃弧和回跳，因而減少了電磁干擾。大多數(shù)交流輸出固態(tài)繼電器是一個零電壓開關(guān)，在零電壓處導(dǎo)通，零電流處關(guān)斷，減少了電流波形的突然中斷，從而減少了開關(guān)瞬態(tài)效應(yīng)。
2、固態(tài)繼電器的缺點
（1）導(dǎo)通后的管壓降大，可控硅或雙相控硅的正向降壓可達(dá)1~2V，大功率晶體管的飽和壓漿液災(zāi)1~2V之間，一般功率場效應(yīng)管的導(dǎo)通電祖也較機械觸點的接觸電阻大。
（2）半導(dǎo)體器件關(guān)斷后仍可有數(shù)微安至數(shù)毫安的漏電流，因此不能實現(xiàn)理想的電隔離。
（3）由于管壓降大，導(dǎo)通后的功耗和發(fā)熱量也大，大功率固態(tài)繼電器的體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于同容量的電磁繼電器，成本也較高。
（4）電子元器件的溫度特性和電子線路的抗干擾能力較差，耐輻射能力也較差，如不采取有效措施，則工作可靠性低。
（5）固態(tài)繼電器對過載有較大的敏感性，必須用快速熔斷器或RC阻尼電路對其進(jìn)行過在保護(hù)。固態(tài)繼電器的負(fù)載與環(huán)境溫度明顯有關(guān)，溫度升高，負(fù)載能力將迅速下降。
（6）主要不足是存在通態(tài)壓降（需相應(yīng)散熱措施），有斷態(tài)漏電流，交直流不能通用，觸點組數(shù)少，另外過電流、過電壓及電壓上升率、電流上升率等指標(biāo)差。
固態(tài)繼電器的工作
它是用半導(dǎo)體器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)電接點作為切換裝置的具有繼電器特性的無觸點開關(guān)器件，單相SSR為四端有源器件，其中兩個輸入控制端，兩個輸出端，輸入輸出間為光隔離，輸入端加上直流或脈沖信號到一定電流值后，輸出端就能從斷態(tài)轉(zhuǎn)變成通態(tài)。
交流固態(tài)繼電器按開關(guān)方式分有電壓過零導(dǎo)通型（簡稱過零型）和隨機導(dǎo)通型（簡稱隨機型）；
按輸出開關(guān)元件分有雙向可控硅輸出型（普通型）和單向可控硅反并聯(lián)型（增強型）；
按安裝方式分有印刷線路板上用的針插式（自然冷卻，不必帶散熱器）和固定在金屬底板上的裝置式（靠散熱器冷卻）；
另外輸入端又有寬范圍輸入（DC3－32V）的恒流源型和串電阻限流型等。
SSR固態(tài)繼電器以觸發(fā)形式,可分為零壓型(Z)和調(diào)相型(P)兩種。
在輸入端施加合適的控制信號VIN時,P型SSR立即導(dǎo)通。當(dāng)VIN撤銷后,負(fù)載電流低于雙向可控硅維持電流時(交流換向),SSR關(guān)斷。 Z型SSR內(nèi)部包括過零檢測電路,在施加輸入信號VIN時,只有當(dāng)負(fù)載電源電壓達(dá)到過零區(qū)時,SSR才能導(dǎo)通,并有可能造成電源半個周期的最大延時。Z型SSR關(guān)斷條件同P型,但由于負(fù)載工作電流近似正弦波,高次諧波干擾小,所以應(yīng)用廣泛。 先鋒公司電子廠SSR由于采用輸出器件不同,有普通型(S,采用雙向可控硅元件)和增強型(HS,采用單向可控硅元件)之分。當(dāng)加有感性負(fù)載時,在輸入信號截止t1之前,雙向可控硅導(dǎo)通,電流滯后電源電壓90O(純感時)。t1時刻,輸入控制信號撤銷,雙向可控硅在小于維持電流時關(guān)斷(t2),可控硅將承受電壓上升率dv/dt很高的反向電壓。這個電壓將通過雙向可控硅內(nèi)部的結(jié)電容,正反饋到柵極。如果超過雙向可控硅換向dv/dt指標(biāo)(典型值10V/ s,將引起換向恢復(fù)時間長甚至失敗。 單向可控硅(增強型SSR)由于處在單極性工作狀態(tài),此時只受靜態(tài)電壓上升率所限制(典型值200V/ s),因此 增強型固態(tài)繼電器HS系列比普通型SSR的換向dv/dt指標(biāo)提高了5 20倍。由于采用兩只大功率單向可控硅反并聯(lián),改變了電流分配和導(dǎo)熱條件,提高了SSR輸出功率。 增強型SSR在大功率應(yīng)用場合,無論是感性負(fù)載還是阻性負(fù)載,耐電壓、耐電流沖擊及產(chǎn)品的可靠性,均超過普通固態(tài)繼電器,并達(dá)到了進(jìn)口產(chǎn)品的基本指標(biāo),是替代普通固態(tài)繼電器的更新產(chǎn)品。
固態(tài)繼電器的應(yīng)用
S系列固態(tài)繼電器,HS系列增強型固態(tài)繼電器、可以廣泛用于:計算機外圍接口裝置,恒溫器和電阻爐控制、交流電機控制、中間繼電器和電磁閥控制、復(fù)印機和全自動洗衣機控制、信號燈交通燈和閃爍器控制、照明和舞臺燈光控制、數(shù)控機械遙控系統(tǒng)、自動消防和保安系統(tǒng)、大功率可控硅觸發(fā)和工業(yè)自動化裝置等。在應(yīng)用中需要考慮下述問題。
1.器件的發(fā)熱
SSR在導(dǎo)通時,元件將承受P耗=V有€譏有的熱耗散功率,其中V有效值和I有效值分別為飽和壓降和工作電流的有效值。此時,需依據(jù)實際工作環(huán)境條件,嚴(yán)格參照額定工作電流時允許的外殼溫升(75℃),合理選用散熱器尺寸或降低電流使用,否則將因過熱引起失控,甚至造成產(chǎn)品損壞。
在線路板上使用,連續(xù)負(fù)載電流2 3A時,可選用S€?3,S€?4產(chǎn)品,5A時,可選用S€?08W3封裝產(chǎn)品。10A以下,可采用散熱條件良好的儀器底板。10A以上,需配散熱器。30A以下,采用自然風(fēng)冷,連續(xù)負(fù)載電流大于30A時,需采用儀器風(fēng)扇強制風(fēng)冷。
2.封裝和安裝形式
臥式W型、立式L型,體積小適用于印制板直接焊接安裝。立式L2型,既能適合于線路板焊接安裝,也能適用于線路板上插接安裝。K型及F型,適合散熱器及儀器底板安裝。大功率SSR(K型和F型封裝)安裝時,應(yīng)注意散熱器接觸面應(yīng)平整,并需涂復(fù)導(dǎo)熱硅脂(先鋒T-50)。安裝力矩愈大,接觸熱阻愈小。大電流引出線,需配冷壓焊片,以減少引出線接點電阻。
3.輸入端驅(qū)動
SSR按輸入控制方式,可分為電阻型、恒流源和交流輸入控制型。目前主要提供的,是供5V TTL電平用電阻輸入型。使用其他控制電壓時,可相應(yīng)選用限流電阻。SSR輸入屬于電流型器件,當(dāng)輸入端光耦可控硅完全導(dǎo)通后(微秒數(shù)量級),觸發(fā)功率可控硅導(dǎo)通。當(dāng)激勵不足或斜波式的觸發(fā)電壓,有可能造成功率可控硅處于臨界導(dǎo)通邊緣,并造成主負(fù)載電流流經(jīng)觸發(fā)回路引起的損壞。
例如基本性能測試電路,輸入為可調(diào)電壓源,測試負(fù)載用100W燈泡,輸入觸發(fā)信號應(yīng)為階躍邏輯電平,強觸發(fā)方式。國外廠商提供的器件標(biāo)準(zhǔn)電流為10mA,考慮到全溫度工作范圍(-40 +70℃),發(fā)光效率穩(wěn)定和抗干擾能力,推薦最佳直流觸發(fā)工作電流在12 25mA之間。
SSR輸入端可并聯(lián)或串聯(lián)驅(qū)動。串聯(lián)使用時,一個SSR按4V電壓考慮,12V電壓可驅(qū)動3個SSR。
4.干擾問題
SSR產(chǎn)品也是一種干擾源,導(dǎo)通時會通過負(fù)載產(chǎn)生輻射或電源線的射頻干擾,干擾程度隨負(fù)載大小而不同。白熾燈電阻類負(fù)載產(chǎn)生的干擾較小,零壓型在交流電源的過零區(qū)(即零電壓)附近導(dǎo)通,因此干擾也較小。減少的方法是在負(fù)載串聯(lián)電感線圈。另外,信號線與功率線之間,也應(yīng)避免交叉干擾。
5.過流/過壓保護(hù)
快速熔斷器和空氣開關(guān),是通用的過電流保護(hù)方法。快速熔斷器可按額定工作電流的1.2倍選擇,一般小容量可選用保險絲。特別注意負(fù)載短路,是造成SSR產(chǎn)品損壞的主要原因。感性及容性負(fù)載,除內(nèi)部RC電路保護(hù)外,建議采用壓敏電阻并聯(lián)在輸出端,作為組合保護(hù)。金屬氧化鋅壓敏電阻(MOV)面積大小決定吸收功率,厚度決定保護(hù)電壓值。交流220V的SSR,選用MYH12、430V、 12的壓敏電阻;380V選用MYH12、750V壓敏電阻;較大容量的電機變壓器應(yīng)選用MYH20、24通流容量大的壓敏電阻。
6.關(guān)于負(fù)載的考慮
SSR對一般的負(fù)載應(yīng)是沒有問題的,但也必須考慮一些特殊的負(fù)載條件,以避免過大的沖擊電流和過電壓,對器件性能造成不必要的損壞。白熾燈、電爐等類的“冷阻”特性,造成開通瞬間的浪涌電流,超過額定工作電流值數(shù)倍。一般普通型SSR,可按電流值的2/3選用。增強型SSR,可按廠商提供的參數(shù)選用。在惡劣條件下的工業(yè)控制現(xiàn)場,建議留有足夠的電壓、電流余量。
某些類型的燈,在燒斷瞬間會出現(xiàn)低阻抗。氣化和放電通道以及容性負(fù)載,如切換電容器組或電容器電源,會造成類似短路狀態(tài)?？稍诰€路中進(jìn)一步串聯(lián)電阻或電感,作為限流措施。電機的開啟和關(guān)閉,也會產(chǎn)生較大的沖擊電流和電壓。中間繼電器、電磁閥吸合不可靠時引起的抖動,以及電容換向式電機換向時,電容電壓 和電源電壓的疊加會在SSR兩端產(chǎn)生二倍電源的浪涌電壓。
控制變壓器初級時,也應(yīng)考慮次級線路上的瞬態(tài)電壓對初級的影響。此外,變壓器也有可能因為兩個方向電流不對稱,造成飽和引起的浪涌電流異?，F(xiàn)象。上述情況,使SSR在特殊負(fù)載的應(yīng)用,多少變得有點復(fù)雜?？尚械霓k法,就是通過示波器去測量可能引起的浪涌電流和電壓,從而選用合適的SSR和保護(hù)措施。
應(yīng)用實例
1.調(diào)壓應(yīng)用
P型SSR調(diào)壓,可采用外配移相電路來實現(xiàn)。例如,TW-702控溫儀的觸發(fā)系統(tǒng),國產(chǎn)SDKC-05單電源調(diào)相集成電路(見圖2)。在計算機上,通常采用PIO經(jīng)驅(qū)動級的位控方式,利用50Hz電網(wǎng)電源的過零中斷,經(jīng)CTC計時,控制導(dǎo)通角,以達(dá)到調(diào)壓之目的。
2.交流調(diào)功應(yīng)用
“交流調(diào)功”是一種Z型SSR普遍采用的方法,也能實現(xiàn)PID調(diào)節(jié)。即在固定周期內(nèi),控制交流正弦電流半波個數(shù),達(dá)到調(diào)功目的。模擬電路常采用電壓比較器,將一個固定周期的鋸齒電壓和來自前級誤差電壓作比較,輸出方波實現(xiàn)調(diào)節(jié),如圖3所示。在計算機上采用計時算法,產(chǎn)生占空比可調(diào)的方波脈沖擊來實現(xiàn)。例如日本的SHIMADEW和OMRON公司的SR22、FD20、E5系列智能化控溫產(chǎn)品,配合Z型SSR,實現(xiàn)自適應(yīng)“自動翻轉(zhuǎn)”控制,即通過計算機產(chǎn)生擾動,算出最佳PID控制參數(shù)。
3.三相電流控制
HS系列SSR產(chǎn)品,可直接用于三相電機的控制。最簡單的方法,是采用2只SSR作電機通斷控制,4只SSR作電機換相控制,第三相不控制。
作為電機換向時應(yīng)注意,由于電機的運動慣性,必須在電機停穩(wěn)后才能換向,以避免產(chǎn)生類似電機堵轉(zhuǎn)情況,引起的較大沖擊電壓和電流。在控制電路設(shè)計上,要注意任何時刻都不應(yīng)產(chǎn)生換相SSR同時導(dǎo)通的可能性。上下電時序,應(yīng)采用先加后斷控制電路電源,后加先斷電機電源的時序。換向SSR之間,不能簡單地采用反相器連接方式,以避免在導(dǎo)通的SSR未關(guān)斷,另一相SSR導(dǎo)通引起的相間短路事故。此外,電機控制中的保險、缺相和溫度繼電器,也是保證系統(tǒng)正常工作的保護(hù)裝置。
固態(tài)繼電器術(shù)語解釋
環(huán)境溫度范圍:
固體繼電器正常工作時周圍空氣溫度極限，通常給出工作和貯存兩種條件下的溫度值，最大溫度還受散熱器和功率因素的限制。
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介質(zhì)耐壓(單位：V)
固體繼電器輸入端與輸出端，輸入端、輸出端散熱底板之間能承受的最大電壓值。注意：不允許測量同一輸入(或輸出)電路引出端之間的介質(zhì)耐壓，測量之前應(yīng)先將它們短路。
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絕緣電阻(單位：MΩ):
固體繼電器輸入端與輸出端，輸入端、輸出端散熱底板之間施加500VDC的電壓測量的電阻值。注意：不允許測量同一輸入(或輸出)電路引出端之間的絕緣電阻，測量之前應(yīng)先將它們短路。
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電氣系統(tǒng)峰值(單位：V)：
在規(guī)定的環(huán)境條件下，固體繼電器輸入端開路，在輸出端的額定輸出電壓之上迭加特定波形和能量的電壓，試驗一分鐘。試驗后固體繼電器仍符合規(guī)定。
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關(guān)斷時間(單位：ms):
從切除常開型固體繼電器輸入端電壓達(dá)到保證關(guān)斷電壓開始至輸出端電壓達(dá)到其電壓最終變化90%為止的時間間隔。
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導(dǎo)通時間(單位：ms):
從施加于常開型固體繼電器輸入端電壓達(dá)到保證接通電壓開始到輸出端電壓達(dá)到其電壓最終變化的90%為止的時間間隔。
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輸出端漏電流(單位：mA):
在輸入端沒有施加導(dǎo)通控制信號的情況下，流過輸出端之間最大(有效值)斷態(tài)漏電流。通常是指整個溫度范圍內(nèi)在最大的輸出額定電壓下的值。該值主要是輸出端緩沖器產(chǎn)生。
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最大通態(tài)電壓降(單位：V):
在規(guī)定的環(huán)境溫度下，輸出端滿負(fù)載電流跨于輸出端兩端所呈現(xiàn)的最大(峰值)電壓降。
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瞬態(tài)過壓(單位：PIV):
固體繼電器在維持其關(guān)斷狀態(tài)的同時，能夠承受而不致造成損壞或失誤的允許施加電壓的最大偏離。超過該瞬態(tài)電壓可以使固態(tài)繼電器導(dǎo)通，若滿足電流條件則是非破性的。瞬態(tài)持續(xù)時間一般不做規(guī)定，可以在幾秒的數(shù)量級，受內(nèi)部偏值網(wǎng)絡(luò)功耗或電容器額定值的限制。
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最小斷態(tài)dv/dt(靜態(tài))(單位：V/us):
在沒有施加導(dǎo)通控制信號時，固體繼電器輸出端(交流)能夠承受不致導(dǎo)通的電壓上升率。通常表達(dá)為最大額定電壓下的最小電壓上升率。
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最大重復(fù)性導(dǎo)通電壓峰值(單位；VRMS)：
在施加導(dǎo)通控制信號半周之后，在每一后續(xù)半周即要導(dǎo)通之前，跨于輸出端兩端所呈現(xiàn)的最大(峰值)斷態(tài)電壓。這一參數(shù)對具有或不具有“零導(dǎo)通”特點的固體繼電器同樣適用。
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最大過零導(dǎo)通電壓(單位：VRMS)(也稱過零電壓)：
在施加導(dǎo)通控制信號之后，在每一后續(xù)半周即要導(dǎo)通之前，跨于輸出端兩端所呈現(xiàn)的最大(峰值)斷態(tài)電壓。
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功耗(在額定電流下)(單位：W)：
主要由于輸出半導(dǎo)體有效電壓降(功耗)而產(chǎn)生的最大平均功耗。
最大I2t(選擇熔絲用)(單位：A2s)：
固體繼電器承受最大非重復(fù)性脈沖電流的能力，用于熔絲的選擇。
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最大過流(單位:A)：
在規(guī)定持續(xù)時間不允許流過的最大瞬時電流，通常以1秒的有效值來表述。
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最大浪涌電流(非重復(fù)性)(單位：A)：
在規(guī)定持續(xù)時間不允許流過的最大瞬時電流，持續(xù)時間的典型值為交流電的一個周期(10ms)通常規(guī)定為峰值以及電流對時間的曲線。
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最小負(fù)載電流(單位：mA)：
固體繼電器執(zhí)行規(guī)定工作所必須的最小負(fù)載電流。它一般與最大負(fù)載電流一并作為“工作電流范圍”列出。
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最大負(fù)載電流(單位：A)：
在規(guī)定的環(huán)境溫度下，固體繼電器的最大穩(wěn)態(tài)負(fù)載電流能力，它還受散熱器和環(huán)境溫度條件的散熱限制。
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輸出電壓范圍(單位：V)：
在規(guī)定的環(huán)境溫度下，施加于輸出端的電壓范圍，在該范圍固體繼電器繼續(xù)處于關(guān)斷或切換狀態(tài)，或換句話說執(zhí)行規(guī)定的狀態(tài)。線路的頻率值或包括在內(nèi)，或單位指明(交流)。
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最小輸入阻抗(單位:Ω)：
在給定電壓下的最小阻抗。作為輸入電流的替代或補充，它確定輸入功率要求。
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反極性電壓(僅適用于直流輸入)(單位；V)：
在規(guī)定的環(huán)境溫度下，能夠加在固體繼電器輸入端上而不致造成固體繼電器永久損壞的最大允許反向電壓。該值一般確定為輸入電壓的上限值。
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輸入電流(單位：mA)：
在規(guī)定的環(huán)境溫度下，施加規(guī)定的輸入電壓于固體繼電器輸入端，流入其輸入回路的電流值。
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保證關(guān)斷電壓(單位：V)：
在規(guī)定的環(huán)境溫度下，施加于輸入端，當(dāng)輸入在該值或該值之下時能保證輸出端處于關(guān)斷狀態(tài)的電壓。
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保證接通電壓(單位：V)：
在規(guī)定的環(huán)境溫度下，施加于輸入端，當(dāng)輸入在該值或該值之上時能保證輸出端處于導(dǎo)通狀態(tài)的電壓。
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輸入電壓范圍(單位；V)：
在規(guī)定的環(huán)境溫度下，施加在輸入端，使輸出端維持“導(dǎo)通”狀態(tài)的電壓范圍。一 般情況下直流輸入有：3-32VDC恒流輸入型和3-14VDC、10-40VDC阻性輸入型。交流輸入有：90-280VAC輸入型。輸入電壓的下限即為所謂的保證接通電壓，輸入電壓的上限即所謂的反極性電壓(僅適用于直流輸入)。