固態繼電器（Solid State Relay,縮寫SSR）,是由微電子電路，分立電子器件，電力電子功率器件組成的無觸點開關。用隔離器件實現了控制端與負載端的隔離。固態繼電器的輸入端用微小的控制信號，達到直接驅動大電流負載。對于控制電壓固定的控制信號，采用阻性輸入電路。控制電流保證再大于5mA。對于大的變化范圍的控制信號（如3-32V）則采用恒流電路，保證在整個電壓變化范圍內電流在大于5mA可靠工作。隔離驅動電路：隔離電路采用光-電耦合和高頻變壓器耦合（磁電耦合），光電耦合通常使用光電二極管—光電三極管，光電二極管—雙向光控可控硅，光伏電池，實現控制側與負載側隔離控制。高頻變壓器耦合是利用輸入的控制信號產生的自激高頻信號經耦合到次級，經檢波整流，邏輯電路處理形成驅動信號。SSR的功率開關直接接入電源與負載端，實現對負載電源的通斷切換。主要使用有大功率晶體三極管（開關管-Transistor）,單向可控硅（Thyristor或SCR），雙向可控硅（Triac）,功率場效應管（MOSFET）,絕緣柵型雙極晶體管（IGBT）.固態繼電器可以方便的與TTL,MOS邏輯電路連接。專用的固態繼電器可以具有短路保護，過載保護和過熱保護功能，與組合邏輯固化封裝就可以實現用戶需要的智能模塊，直接用于控制系統中。
交流固態繼電器按開關方式分有電壓過零導通型（簡稱過零型）和隨機導通型（簡稱隨機型）；
按輸出開關元件分有雙向可控硅輸出型（普通型）和單向可控硅反并聯型（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固態繼電器以觸發形式,可分為零壓型(Z)和調相型(P)兩種。
在輸入端施加合適的控制信號IN時,P型SSR立即導通。當IN撤銷后,負載電流低于雙向可控硅維持電流時(交流換向),SSR關斷。 Z型SSR內部包括過零檢測電路,在施加輸入信號IN時,只有當負載電源電壓達到過零區時,SSR才能導通,并有可能造成電源半個周期的最大延時。Z型SSR關斷條件同P型,但由于負載工作電流近似正弦波,高次諧波干擾小,所以應用廣泛。 北京靈通電子公司的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。當加有感性負載時,在輸入信號截止t1之前,雙向可控硅導通,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部的結電容,正反饋到柵極。如果超過雙向可控硅換向dv/dt指標(典型值10V/ s,將引起換向恢復時間長甚至失敗。 單向可控硅(增強型SSR)由于處在單極性工作狀態,此時只受靜態電壓上升率所限制(典型值200V/ s),因此 增強型固態繼電器HS系列比普通型SSR的換向dv/dt指標提高了5-20倍。由于采用兩只大功率單向可控硅反并聯,改變了電流分配和導熱條件,提高了SSR輸出功率。 增強型SSR在大功率應用場合,無論是感性負載還是阻性負載,耐電壓、耐電流沖擊及產品的可靠性,均超過普通固態繼電器,并達到了進口產品的基本指標,是替代普通固態繼電器的更新產品。
四、固態繼電器的分類
E系列：直流控制，交流過零導通，過零關斷
E 系列固態繼電器是直流輸入控制，交流過零導通，過零關斷輸出型無觸點繼電器，因此，具有di/dt 的比值小，啟動性能平穩，對電網輻射干擾小，關斷時可降低感性負載的反電動勢，對用電器和固態繼電器都有一定的保護作用等優點，是控制一般用電器，如電動機、加熱器、白熾燈的首選器件。AE系列：交流控制，交流過零導通，過零關斷
AE系列固態繼電器是交流輸入控制，交流過零導通，過零關斷輸出型無觸點繼電器。它方便于交流電源控制的設備中，直接采用交流控制固態繼電器，特點是從零電壓開始導通，啟動性能平穩，對電網輻射干擾小，關斷時可降低感性負載的反電動勢，對用電器和固態繼電器都有一定的保護作用，是控制一般用電器，如電動機、加熱器、白熾燈的首選器件，可廣泛應用于煤礦、石油、等工礦行業之中。3E系列：
直流控制，三項交流過零導通，過零關斷
3E系列固態繼電器是直流輸入控制，交流過零導通，過零關斷輸出型無觸點三相繼電器。可直接控制三相電動機、變壓器和加熱器等負載，具有開關速度快、無噪音、耐腐蝕、抗干擾等特點，用固態繼電器控制電器，時是從零電壓開始起動、零電流關斷，因此具有di/dt 的比值小，啟動性能平穩，對電網輻射干擾小，關斷時可降低感性負載的反電動勢，對用電器和固態繼電器都有一定的保護作用等優點，并且能與計算機系統，自動控制裝置直接接口，可以廣泛用于軍事，工企自動化等各個領域。3AE系列：
交流控制，三相交流過零導通，過零關斷
3AE 系列固態繼電器是交流輸入控制，三相交流過零導通過零關斷輸出型無觸點繼電器。它方便于交流電源控制的設備中，直接采用交流控制電器如三相電動機、變壓器和加熱器等負載，具有用固態繼電器控制電器，時是從零電壓開始起動、零電流關斷，因此具有di/dt 的比值小，啟動性能平穩，對電網輻射干擾小，關斷時可降低感性負載的反電動勢，對用電器和固態繼電器都有一定的保護作用等優點，并且能與計算機系統，自動控制裝置直接接口，可以廣泛用于軍事，工企自動化等各個領域。D系列：直流控制 直流輸出
D 系列固態繼電器為直流輸入，直流輸出型，可以實現直流電平轉換、隔離和控制，能夠方便地與計算機和各種數字電路接口。它廣泛應用于工業自動化領域中對各種直流供電執行機構的控制，如照明設備、小型直流電動機、直流電源、各種電磁裝置及智能儀表等，也可作為各種大功率輸出器件的推動級。使用方便，特別適用于腐蝕、潮濕和要求防爆等惡劣場合。
長時間工作在額定電流狀態時，應安裝散熱器；環境溫度較高時，應降額使用；控制容性負載時，應限制其浪涌電流；控制感性負載時，應限制其瞬時過壓。P系列：直流控制，交流隨機導通，過零關斷
P系列固態繼電器是控制端為直流或方脈沖波輸入，輸出端為交流隨機型，特點是隨著控制端直流或方脈沖波的輸入，受控制端無論在任何相位上都即時導通。適合于要求導通時間短、開關速度快的控制系統中。當過零型固態繼電器用于如變壓器這類感性負載時，會引起很大的浪涌電流，使用隨機開啟固態繼電器是解決的方法之一。它可以在第一個半周內的任意時刻使輸出器件導通，這種開啟方式，顯著減少了惡劣條件下的開啟機會，提高了固態繼電器的使用壽命。尤其對三相電機等三相負載，為使執行控制的多個固態繼電器同時接通，采用隨機型交流固態繼電器更為合適。同時具有零電流關斷，關斷時可降低了感性負載的反電動勢，對用電器和固態繼電器都有一定的保護作用等優點。并且可與移相觸發器匹配使用，具有移相調壓功能。五、固態繼電器的應用
S系列固態繼電器,HS系列增強型固態繼電器、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、數控機械遙控系統、自動消防和保安系統、大功率可控硅觸發和工業自動化裝置等。在應用中需要考慮下述問題。
1.器件的發熱
SSR在導通時,元件將承受P=V（管壓降）×I（負載）的耗散功率,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,需依據實際工作環境條件,嚴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,甚至造成產品損壞。
在線路板上使用,連續負載電流2-3A時,可選用S?3,S?4產品,5A時,可選用S?08W3封裝產品。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,采用自然風冷,連續負載電流大于30A時,需采用儀器風扇強制風冷。
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,應注意散熱器接觸面應平整,并需涂復導熱硅脂(美寶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,可相應選用限流電阻。SSR輸入屬于電流型器件,當輸入端光耦可控硅完全導通后(微秒數量級),觸發功率可控硅導通。當激勵不足或斜波式的觸發電壓,有可能造成功率可控硅處于臨界導通邊緣,并造成主負載電流流經觸發回路引起的損壞。
例如：基本性能測試電路,輸入為可調電壓源,測試負載用100W燈泡,輸入觸發信號應為階躍邏輯電平,強觸發方式。國外廠商提供的器件標準電流為10mA,考慮到全溫度工作范圍(-40~+70℃),發光效率穩定和抗干擾能力,推薦最佳直流觸發工作電流在12~25mA之間。
SSR輸入端可并聯或串聯驅動。串聯使用時,一個SSR按4V電壓考慮,12V電壓可驅動3個SSR。
4.干擾問題
SSR產品也是一種干擾源,導通時會通過負載產生輻射或電源線的射頻干擾,干擾程度隨負載大小而不同。白熾燈電阻類負載產生的干擾較小,零壓型在交流電源的過零區(即零電壓)附近導通,因此干擾也較小。減少的方法是在負載串聯電感線圈。另外,信號線與功率線之間,也應避免交叉干擾。
5.過流/過壓保護
快速熔斷器和空氣開關,是通用的過電流保護方法?？焖偃蹟嗥骺砂搭~定工作電流的1.2倍選擇,一般小容量可選用保險絲。特別注意負載短路,是造成SSR產品損壞的主要原因。感性及容性負載,除內部RC電路保護外,建議采用壓敏電阻并聯在輸出端,作為組合保護。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選用MYH20、24通流容量大的壓敏電阻。
6.關于負載的考慮
SSR對一般的負載應是沒有問題的,但也必須考慮一些特殊的負載條件,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選用。在惡劣條件下的工業控制現場,建議留有足夠的電壓、電流余量。
某些類型的燈,在燒斷瞬間會出現低阻抗。氣化和放電通道以及容性負載,如切換電容器組或電容器電源,會造成類似短路狀態。可在線路中進一步串聯電阻或電感,作為限流措施。電機的開啟和關閉,也會產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兩端產生二倍電源的浪涌電壓。
控制變壓器初級時,也應考慮次級線路上的瞬態電壓對初級的影響。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象。上述情況,使SSR在特殊負載的應用,多少變得有點復雜。可行的辦法,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和保護措施。應用實例
1.調壓應用
P型SSR調壓,可采用外配移相電路來實現。例如,TW-702控溫儀的觸發系統,國產SDKC-05單電源調相集成電路(見圖2)。在計算機上,通常采用PIO經驅動級的位控方式,利用50Hz電網電源的過零中斷,經CTC計時,控制導通角,以達到調壓之目的。
2.交流調功應用
“交流調功”是一種Z型SSR普遍采用的方法,也能實現PID調節。即在固定周期內,控制交流正弦電流半波個數,達到調功目的。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,輸出方波實現調節,如圖3所示。在計算機上采用計時算法,產生占空比可調的方波脈沖擊來實現。例如日本的SHIMADEW和OMRON公司的SR22、FD20、E5系列智能化控溫產品,配合Z型SSR,實現自適應“自動翻轉”控制,即通過計算機產生擾動,算出最佳PID控制參數。
3.三相電流控制
HS系列SSR產品,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。
作為電機換向時應注意,由于電機的運動慣性,必須在電機停穩后才能換向,以避免產生類似電機堵轉情況,引起的較大沖擊電壓和電流。在控制電路設計上,要注意任何時刻都不應產生換相SSR同時導通的可能性。上下電時序,應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,以避免在導通的SSR未關斷,另一相SSR導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,也是保證系統正常工作的保護裝置。固態繼電器術語解釋
環境溫度范圍:
固態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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介質耐壓(單位：V)
固態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耐壓，測量之前應先將它們短路。
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絕緣電阻(單位：MΩ):
固態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，測量之前應先將它們短路。
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電氣系統峰值(單位：V)：
在規定的環境條件下，固態繼電器輸入端開路，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。試驗后固態繼電器仍符合規定。
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關斷時間(單位：ms):
從切除常開型固態繼電器輸入端電壓達到保證關斷電壓開始至輸出端電壓達到其電壓最終變化90%為止的時間間隔。
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導通時間(單位：ms):
從施加于常開型固態繼電器輸入端電壓達到保證接通電壓開始到輸出端電壓達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通控制信號的情況下，流過輸出端之間最大(有效值)斷態漏電流。通常是指整個溫度范圍內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生。
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最大通態電壓降(單位：V):
在規定的環境溫度下，輸出端滿負載電流跨于輸出端兩端所呈現的最大(峰值)電壓降。
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瞬態過壓(單位：PIV):
固態繼電器在維持其關斷狀態的同時，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。超過該瞬態電壓可以使固態繼電器導通，若滿足電流條件則是非破性的。瞬態持續時間一般不做規定，可以在幾秒的數量級，受內部偏值網絡功耗或電容器額定值的限制。
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最小斷態dv/dt(靜態)(單位：V/us):
在沒有施加導通控制信號時，固體繼電器輸出端(交流)能夠承受不致導通的電壓上升率。通常表達為最大額定電壓下的最小電壓上升率。
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最大重復性導通電壓峰值(單位；VRMS)：
在施加導通控制信號半周之后，在每一后續半周即要導通之前，跨于輸出端兩端所呈現的最大(峰值)斷態電壓。這一參數對具有或不具有“零導通”特點的固態繼電器同樣適用。
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最大過零導通電壓(單位：VRMS)(也稱過零電壓)：
在施加導通控制信號之后，在每一后續半周即要導通之前，跨于輸出端兩端所呈現的最大(峰值)斷態電壓。
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功耗(在額定電流下)(單位：W)：
主要由于輸出半導體有效電壓降(功耗)而產生的最大平均功耗。
最大I2t(選擇熔絲用)(單位：A2s)：
固態繼電器承受最大非重復性脈沖電流的能力，用于熔絲的選擇。
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最大過流(單位:A)：
在規定持續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(非重復性)(單位：A)：
在規定持續時間不允許流過的最大瞬時電流，持續時間的典型值為交流電的一個周期(10ms)通常規定為峰值以及電流對時間的曲線。
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最小負載電流(單位：mA)：
固態繼電器執行規定工作所必須的最小負載電流。它一般與最大負載電流一并作為“工作電流范圍”列出。
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最大負載電流(單位：A)：
在規定的環境溫度下，固態繼電器的最大穩態負載電流能力，它還受散熱器和環境溫度條件的散熱限制。
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輸出電壓范圍(單位：V)：
在規定的環境溫度下，施加于輸出端的電壓范圍，在該范圍固態繼電器繼續處于關斷或切換狀態，或換句話說執行規定的狀態。線路的頻率值或包括在內，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)：
在規定的環境溫度下，能夠加在固態繼電器輸入端上而不致造成固態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)：
在規定的環境溫度下，施加規定的輸入電壓于固態繼電器輸入端，流入其輸入回路的電流值。
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保證關斷電壓(單位：V)：
在規定的環境溫度下，施加于輸入端，當輸入在該值或該值之下時能保證輸出端處于關斷狀態的電壓。
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保證接通電壓(單位：V)：
在規定的環境溫度下，施加于輸入端，當輸入在該值或該值之上時能保證輸出端處于導通狀態的電壓。
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輸入電壓范圍(單位；V)：
在規定的環境溫度下，施加在輸入端，使輸出端維持“導通”狀態的電壓范圍。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)。
浙公網安備33010602010414號