固態(tài)繼電器及在應用中一些問題的探討
1固態(tài)繼電器的原理及結(jié)構(gòu)
SSR按使用場合可以分成交流型和直流型兩大類，它們分別在交流或直流電源上做負載的開關(guān)，不能混用。
下面以交流型的SSR為例來說明它的工作原理，圖1是它的工作原理框圖，圖1中的部件①-④構(gòu)成交流SSR的主體，從整體上看，SSR只有兩個輸入端(A和B)及兩個輸出端(C和D)，是一種四端器件。工作時只要在A、B上加上一定的控制信號，就可以控制C、D兩端之間的“通”和“斷”，實現(xiàn)“開關(guān)”的功能，其中耦合電路的功能是為A、B端輸入的控制信號提供一個輸入/輸出端之間的通道，但又在電氣上斷開SSR中輸入端和輸出端之間的(電)聯(lián)系， 以防止輸出端對輸入端的影響，耦合電路用的元件是“光耦合器”，它動作靈敏、響應速度高、輸入/輸出端間的絕緣(耐壓)等級高；由于輸入端的負載是發(fā)光二極管，這使SSR的輸入端很容易做到與輸入信號電平相匹配，在使用可直接與計算機輸出接口相接，即受“1”與“0”的邏輯電平控制。觸發(fā)電路的功能是產(chǎn)生合乎要求的觸發(fā)信號，驅(qū)動開關(guān)電路④工作，但由于開關(guān)電路在不加特殊控制電路時，將產(chǎn)生射頻干擾并以高次諧波或尖峰等污染電網(wǎng)，為此特設“過零控制電路”。所謂“過零”是指，當加入控制信號，交流電壓過零時，SSR即為通態(tài)；而當斷開控制信號后，SSR要等待交流電的正半周與負半周的交界點(零電位)時，SSR才為斷態(tài)。這種設計能防止高次諧波的干擾和對電網(wǎng)的污染。吸收電路是為防止從電源中傳來的尖峰、浪涌(電壓)對開關(guān)器件雙向可控硅管的沖擊和干擾(甚至誤動作)而設計的，一般是用“R-C”串聯(lián)吸收電路或非線性電阻(壓敏電阻器)。圖2是一種典型的交流型SSR的電原理圖。 
圖1
圖2圖3
直流型的SSR與交流型的SSR相比，無過零控制電路，也不必設置吸收電路，開關(guān)器件一般用大功率開關(guān)三極管，其它工作原理相同。不過，直流型SSR在使用時應注意：①負載為感性負載時，如直流電磁閥或電磁鐵，應在負載兩端并聯(lián)一只二極管，極性如圖3所示，二極管的電流應等于工作電流，電壓應大于工作電壓的4倍。②SSR工作時應盡量把它靠近負載，其輸出引線應滿足負荷電流的需要。③使用電源屬經(jīng)交流降壓整流所得的，其濾波電解電容應足夠大。圖4給出了幾種國內(nèi)、外常見的SSR的外形。
圖4
固態(tài)繼電器的特點
SSR成功地實現(xiàn)了弱信號(Vsr)對強電(輸出端負載電壓)的控制。由于光耦合器的應用，使控制信號所需的功率極低(約十余毫瓦就可正常工作)，而且Vsr所需的工作電平與TTL、HTL、CMOS等常用集成電路兼容，可以實現(xiàn)直接聯(lián)接。這使SSR在數(shù)控和自控設備等方面得到廣泛應用。在相當程度上可取代傳統(tǒng)的“線圈—簧片觸點式”繼電器(簡稱“MER”)。
SSR由于是全固態(tài)電子元件組成，與MER相比，它沒有任何可動的機械部件，工作中也沒有任何機械動作；SSR由電路的工作狀態(tài)變換實現(xiàn)“通”和“斷”的開關(guān)功能，沒有電接觸點，所以它有一系列MER不具備的優(yōu)點，即工作高可靠、長壽命(有資料表明SSR的開關(guān)次數(shù)可達108-109次，比一般MER的106高幾百倍)；無動作噪聲；耐振耐機械沖擊；安裝位置無限制；很容易用絕緣防水材料灌封做成全密封形式，而且具有良好的防潮防霉防腐性能；在防爆和防止臭氧污染方面的性能也極佳。這些特點使SSR可在軍事(如飛行器、火炮、艦船、車載武器系統(tǒng))、化工、井下采煤和各種工業(yè)民用電控設備的應用中大顯身手，具有超越MER的技術(shù)優(yōu)勢。
交流型SSR由于采用過零觸發(fā)技術(shù)，因而可以使SSR安全地用在計算機輸出接口上，不必為在接口上采用MER而產(chǎn)生的一系列對計算機的干擾而煩惱。
此外，SSR還有能承受在數(shù)值上可達額定電流十倍左右的浪涌電流的特點。
表1
| ? |
參數(shù)名稱(單位) |
參數(shù)值 | ||
|
最小 |
典型 |
最大 | ||
|
輸入端 |
直流控制電壓(V) |
3.2 |
? |
14 |
| 輸入電流(mA) | ? |
20 |
? | |
| 接通電壓(V) |
3.2 |
? | ? | |
| 關(guān)斷電壓(V) | ? | ? |
1.5 | |
| 反極向保護電壓(V) | ? |
15 | ||
| 絕緣電阻(Ω) |
109 |
? | ? | |
| 介質(zhì)耐壓(V) |
1500 |
? | ? | |
|
輸出端 |
額定輸出電壓(V) |
25 |
? |
250 |
| 額定輸出電流(A) | ? | ? |
10 | |
| 浪涌電流(A) | ? | ? |
100 | |
| 過零電壓(V) | ? | ? |
±15 | |
| 輸出壓降(V) | ? | ? |
2.0 | |
| 輸出漏電流(mA) | ? | ? |
10 | |
| 接通電間(mS） | ? | ? |
10 | |
| 關(guān)斷時間(mS) | ? | ? |
10 | |
| 工作頻率(Hz) |
47 |
? |
70 | |
| 功率損耗(W) | ? |
1.5 |
? | |
| 關(guān)斷dV/dt(V/μs) | ? |
200 |
? | |
| 晶閘管結(jié)溫℃ | ? | ? |
110 | |
| 工作溫度(℃) |
-20 |
? |
+80 | |
三、主要參數(shù)與選用
功率固態(tài)繼電器的特性參數(shù)包括輸入和輸出參數(shù)，下面以北京科通繼電器總廠生產(chǎn)的GX-10F繼電器為例，列出輸入、輸出參數(shù)，詳見表1，根據(jù)輸入電壓參數(shù)值大小，可確定工作電壓大小。如采用TTL或CMOS等邏輯電平控制時，最好采用有足夠帶載能力的低電平驅(qū)動，并盡可能使“0”電平低于0.8 V。如在噪聲很強的環(huán)境下工作，不能選用通、斷電壓值相差小的產(chǎn)品，必需選用通、斷電壓值相差大的產(chǎn)品，(如選接通電壓為8 V或12 V的產(chǎn)品)這樣不會因噪聲干擾而造成控制失靈 。
輸出參數(shù)的項目較多，現(xiàn)對主要幾個參數(shù)說明如下：
1、額定輸入電壓
它是指定條件下能承受的穩(wěn)態(tài)阻性負載的最大允許電壓有效值。如果受控負載是非穩(wěn)態(tài)或非阻性的，必需考慮所選產(chǎn)品是否能承受工作狀態(tài)或條件變化時(冷熱轉(zhuǎn)換、靜動轉(zhuǎn)換、感應電勢、瞬態(tài)峰值電壓、變化周期等) 所產(chǎn)生的最大合成電壓。例如負載為感性時，所選額定輸出電壓必須大于兩倍電源電壓值，而且所選產(chǎn)品的阻斷(擊穿)電壓應高于負載電源電壓峰值的兩倍。如在電源電壓為交流220V、一般的小功率非阻性負載的情況下，建議選用額定電壓為400V—600V的SSR產(chǎn)品；但對于頻繁啟動的單相或三相電機負載，建議選用額定電壓為660V—800V的SSR產(chǎn)品。