固态继电器（共4篇）
固态继电器 篇1
0 引言
固态继电器(SOLIDSTATE RELAYS,以下简写成“SSR”),是一种全部由固态电子元件组成的新型无触点开关器件,它利用电子元件(如开关三极管、双向可控硅等半导体器件)的开关特性,可达到无触点无火花地接通和断开电路的目的,因此又被称为“无触点开关”。 固态继电器是一种四端有源器件,其中两个端子为输入控制端,另外两端为输出受控端.它既有放大驱动作用,又有隔离作用,很适合驱动大功率开关式执行机构,较之电磁继电器可靠性更高,且无触点、寿命长、速度快,对外界的干扰也小,已被得到广泛应用。
1 固态继电器的原理及结构
SSR按使用场合可以分成交流型和直流型两大类,它们分别在交流或直流电源上做负载的开关,不能混用。
下面以交流型的SSR为例来说明它的工作原理,图1是它的工作原理框图,图1中的部件①～④构成交流SSR的主体,从整体上看,SSR只有两个输入端(A和B)及两个输出端(C和D),是一种四端器件。
工作时只要在A、B上加上一定的控制信号,就可以控制C、D两端之间的“通”和“断”,实现“开关”的功能,其中耦合电路的功能是为A、B端输入的控制信号提供一个输入/输出端之间的通道,但又在电气上断开SSR中输入端和输出端之间的(电)联系, 以防止输出端对输入端的影响,耦合电路用的元件是“光耦合器”,它动作灵敏、响应速度高、输入/输出端间的绝缘(耐压)等级高;由于输入端的负载是发光二极管,这使SSR的输入端很容易做到与输入信号电平相匹配,在使用时可直接与计算机输出接口相接,即受“1”与“0”的逻辑电平控制。触发电路的功能是产生合乎要求的触发信号,驱动开关电路④工作,但由于开关电路在不加特殊控制电路时,将产生射频干扰并以高次谐波或尖峰等污染电网,为此特设“过零控制电路”。 所谓“过零”是指,当加入控制信号,交流电压过零时,SSR即为通态;而当断开控制信号后,SSR要等待交流电的正半周与负半周的交界点(零电位)时,SSR才为断态。这种设计能防止高次谐波的干扰和对电网的污染。吸收电路是为防止从电源中传来的尖峰、浪涌(电压)对开关器件双向可控硅管的冲击和干扰(甚至误动作)而设计的,一般是用“R-C”串联吸收电路或非线性电阻(压敏电阻器)。
2 固态继电器的特点
(1) SSR内部无机械部件,结构上采用了灌注全密封方式,因此,SSR具有耐振、耐腐蚀、长寿命及高可靠等优点,其开关寿命高达1010次;
(2) 低噪声:交流型SSR采用了过零触发技术,因此在线路上有效地降低了电压上升速率dv/dt和电流上升速率di/dt值,使SSR长期工作时对市电的干扰极小;
(3) 开关时间短,约为10 ms,可应用在频率较高的场合;
(4) 输入电路与输出电路之间采用光电隔离,绝缘电压2 500 V以上;
(5) 输入功耗很低,与TTL,COMS电路兼容;
(6) 输出端有保护电路;
(7) 负载能力强。
3 固态继电器的分类
固态继电器分为直流负载适配的单向直流固态继电器(DC SSR)和交流负载适配的双向直流固态继电器(AC SSR)。AC SSR又有过零触发器(Z型)和调相型(P型)之分。
其中,AC SSR中的过零型(Z型)具有零电压开启、零电流关断特性;而随机开启型(P型)具有快速开启性能。图2为这两种AC SSR组成方框图。
SSR通常要有保护电路,常用快速熔断丝和空气开关作为过流保护措施。过压保护可用压敏电阻,其阀值可按电源电压有效值的1.6倍～1.9倍选取。对于随机开启型交流固态继电器,在其输入端加上合适的控制信号VI时,输出端立即导通,只有在VI撤消后,当负载电流低于双向可控硅的维持电流时输出才关断。随机型交流固态继电器带动大功率负载时,有可能对电网造成污染,并导致局域供电系统发生波形畸变。
而对于过零型交流固态继电器来说,在其输入端加上控制电压后,有等到交流电压过零时才能导通,所以有可能造成最大半个市电周期的延迟,如50 Hz的市电,最大延迟为10 ms。
4 固态继电器的应用
4.1 SSR的输入控制
由于SSR的输入电路与TTL,COMS电路相兼容,所以其输入控制十分方便,任何可以给出TTL电平的开关电路都可以用来驱动SSR,例如,晶体管开关电路、按键开关电路及各种采用+5 V工作电源的TTL或COMS数字逻辑芯片。如图3所示。
(1) 图3(a)中输入端4接地电平,输入端3接控制信号,控制信号为高电平,则SSR导通,控制信号为低电平则SSR关断。
(2) 图3(b)中输入端3接正电源,输入端4接控制信号,控制信号为高电平,则SSR关断,控制信号为低电平则SSR导通。
4.2 SSR的输出负载
4.2.1 小电流负载
用于低容量的负载时要注意固态继电器的两个特点:(1) 最小负载电流;(2) 关断状态下电流。由图4可见,SSR的内部除输入电路外,所有其他电路都由输出端供电,即使在输出端关断的状态,SSR仍然会维持一个关断状态电流。所以为使负载有效地关断,一般固态继电器的开启电流至少为关断状态电流的10倍。如果负载电流低于这个值,负载上需要并联一个电阻,以提高继电器的开启电流。
4.2.2 直流感应负载
用于直流感应负载时,负载两端必须并联续流二极管,否则直流固态继电器将可能被烧坏。这是由于SSR在关闭时 的瞬间,通过电感式负载的电流不可能发生突变,电感两端产生的感应电压可能超过直流SSR的最大耐压值,使SSR烧坏,如图5所示。
4.2.3 交流感应负载及尖峰电压保护
用于交流负载时,必须采用AC SSR,此时同样存在电感式负载在关断时出现的感应电压过大,而可能烧坏SSR的问题,所以在其输出端需要并联上一个压敏电阻,以保护SSR的安全。压敏电阻的阀值电压可以按电源电压有效值的1.6倍～1.9倍选取,它不但为电感式负载的感应电流提供一个通道,而且可以避免工频电源夹杂的尖峰电压施加在固态继电器的输出端上。我们知道,工频市电中夹杂着很频繁的尖峰电压,虽然这些尖峰电压,如图6所示,在宽度上很窄,可其幅度高时可能达到上千伏。当尖峰电压的幅度超过了SSR的阻断电压,或尖峰的变化速度超过SSR在关闭状态下的dv/dt特性时,就会造成SSR在并没有被选通的情况下开启,这是在实际应用中必须避免的误动作。
4.2.4 容性负载
对于低阻抗的容性负载要确保不超过SSR的di/dt限制,如果没有外加阻抗限制,放电时di/dt值在理论上可以为无穷大,显然,这种情况对SSR和电路中的其它器件都是非常不利的。因此,必须选用“零压”导通的SSR来限制di/dt值。
4.2.5 电机负载
电机在启动时往往有很大的启动电流,而在断开时会产生很高的电压。因此在用电机作为负载时一定要慎重选择固态继电器,以保证其在固态继电器的浪涌电流的限额之内。此外,电机可能在短时间内反复启动,对SSR的热工作点有一定的影响以及电机转子失速造成驱动电流大于正常值等,所以必须选用安全系数很大的SSR或用保险丝保护。
总之,固态继电器具有独特的特性,特别是在同机电设备、变压器结合使用时,不能像对待普通开关器件那样,必须正确地理解和慎重使用才能发挥出优于普通继电器的功能。
5 结束语
由前述可以看到SSR的性能与电磁式继电器相比有着很多的优越性,特别易于实现计算机的编程控制,因此使得控制的实现更加方便、灵活。但它也存在一些弱点,如:导通电阻(几Ω～几十Ω)、通态压降(小于2 V)、断态漏电流(5 mA～10 mA)等的存在,易发热损坏;截止时存在漏电阻,不能使电路完全分开;易受温度和辐射的影响,稳定性差;灵敏度高,易产生误动作;在需要联锁、互锁的控制电路中,保护电路的增设,使得成本上升、体积增大。因此,对于SSR具有的独特性能,必须正确的理解和谨慎使用,方能发挥其独特的性能,并确保SSR无故障的工作。
摘要：固态继电器是由固体元件组成的无触点开关元件,与电磁继电器相比有很多优点,因而具有很宽的应用领域。本文阐述了固态继电器的原理、结构、特点及在实际中的应用和注意事项。
关键词：固态继电器,原理,结构,特点,应用
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固态继电器 篇2
固态继电器(亦称固体继电器)英文名称为Solid State Relay，简称SSR。它是用半导体器件代替传统电接点作为切换装Z的具有继电器特性的无触点开关器件，单相SSR为四端有源器件，其中两个输入控制端，两个输出端，输入输出间为光隔离，输入端加上直流或脉冲信号到一定电流值后，输出端就能从断态转变成通态。
固态继电器工作可靠，寿命长，无噪声，无火花，无电磁干扰，开关速度快，抗干扰能力强，且体积小，耐冲击，耐振荡，防爆、防潮、防腐蚀、能与TTL、DTL、HTL等逻辑电路兼容，以微小的控制信号达到直接驱动大电流负载。主要不足是存在通态压降(需相应散热措施)，有断态漏电流，交直流不能通用，触点组数少，另外过电流、过电压及电压上升率、电流上升率等指标差。
2. 固态继电器可应用于哪些场合?
固态继电器目前已广泛应用于计算机外围接口装Z，电炉加热恒温系统，数控机械，遥控系统、工业自动化装Z;信号灯、闪烁器、照明舞台灯光控制系统;仪器仪表、医疗器械、复印机、自动洗衣机;自动消防，保安系统，以及作为电网功率因素补偿的电力电容的切换开关等等，另外在化工、煤矿等需防爆、防潮、防腐蚀场合中都有大量使用。
3.固态继电器可分为哪些类型?
交流固态继电器按开关方式分有电压过零导通型(简称过零型)和随机导通型(简称随机型);按输出开关元件分有双向可控硅输出型(普通型)和单向可控硅反并联型(增强型);按安装方式分有印刷线路板上用的针插式(自然冷却，不必带散热器)和固定在金属底板上的装Z式(靠散热器冷却);另外输入端又有宽范围输入(DC3-32V)的恒流源型和串电阻限流型等。
5.过零型SSR与随机型SSR在用途上有什么区别?
过零型SSR用作“开关”切换(从“开关”切换功能而言即等同于普通的继电器或接触器)，我们通常讲的固态继电器多数都为过零型(过零型SSR只能“开关”不能“调压”)。
固态继电器 篇3
纽迪希亚制药厂有两台包装机, 其加热电路采用的是交流接触器控制。触摸屏HMI上设定加热参数 (温度) , 温度值由热电偶TC1测定并传送给PLC的输入模块KL3314 (见图1) , PLC将温度实际值与HMI中的设定值比较后将结果传给其输出模块KL2408 (见图2) 。当温度未达到设定值时, KL2408输出端O1输出高电平 (+24 V) , 此时接触器线圈两端获得24 V电压, 其串联在主加热电路中的3对常开触点闭合, 加热单元开始工作;当温度达到目标值时, KL2408输出端O1输出低电平 (0 V) , 3对常开触点复位, 加热电路停止工作。加热主电路见图3。由于温度设定只允许在±5 ℃内变化, 交流接触器K的3对主触点频繁通断, 加之生产任务繁重, 包装机基本处于每周6 d、每天22 h工作, 所以对应加热单元的3个交流接触器平均每半年需更换一次, 与之相关故障时有发生, 对生产造成了很大的影响。
2交流接触器与固态继电器
2.1 交流接触器
交流接触器主要由4部分组成:①电磁系统, 包括吸引线圈、动铁芯和静铁芯;②触头系统, 包括3副主触头和2个常开、2个常闭辅助触头, 它们与动铁芯联动;③灭弧装置, 一般容量较大的交流接触器都设有灭弧装置, 以便迅速切断电弧, 保护主触头;④绝缘外壳及附件, 包括弹簧、传动机构、短路环和接线柱等。
其工作原理为:当线圈得电时, 静铁芯产生的电磁力吸引动铁芯, 动铁芯带动与其联动的动触片, 使触点闭合, 从而接通电路;当断电时, 线圈失电, 电磁力消失, 动铁芯依靠弹簧作用力使触点分断, 电路断开。接触器主要用于频繁通断的交、直流电路, 具有控制容量大、可远距离操作的特点, 配合继电器可实现定时控制、联锁控制、矢量控制、失压及欠压保护。其主要的控制对象是电机, 在电热器、照明、电焊机、电容器等电力负载上也有广泛应用。
2.2 固态继电器
固态继电器SSR (Solid State Relay) , 是全部由固态电子元件组成的新型无触点开关器件, 它是利用电子元件 (如开关三极管、双向可控硅等半导体器件) 的开关特性, 达到无触点、无火花接通和断开电路的目的, 实现了弱信号对强电 (输出端负载电压) 的控制。图4为固态继电器工作原理示意图。
以交流型为例, 其工作原理如下:SSR有2个输入端 (A、B) 及2个输出端 (C、D) , 是一种4端元器件。工作时只要在A、B端加控制信号, 就可以控制C、D端之间“通”、“断”, 实现开关功能。它主要包括耦合电路、触发电路、过零控制电路、开关电路和吸收电路。
耦合电路为A、B端输入的控制信号提供输入/输出通道, 并且采用“光耦合”在电气上断开输入/输出之间的电联系, 防止输出端对输入端的影响。触发电路产生标准触发信号, 驱动开关电路。过零控制电路是在加入控制信号、交流电压过零时, 固态继电器为通态;当控制信号断开, 继电器要等待正弦交流电正半周与负半周交界点 (即零电位) 时, 继电器才断开, 其目的在于防止开关电路产生的射频干扰。吸收电路是为了防止从电源中传来的尖峰、浪涌对双向可控硅管产生冲击和干扰, 一般采用RC电路。
3电路改造
SSR由固态电子元件组成, 没有任何可动的机械部件, 工作中也没有任何机械动作, 由电路的工作状态变换实现“通”和“断”的开关功能, 没有电接触点, 所以与交流接触器相比, 具有很多优点:工作可靠、寿命长 (其开关次数可达108次～109次, 而传统的交流接触器为106次) ;无动作噪声;抗震、耐机械冲击。此外, SSR还能承受最大10倍额定电流的浪涌电流。但是, 固态继电器对温度的敏感性很强, 工作温度超过允许值后, 必须降热或外加散热器。
选择固态继电器时, 所选额定输出电压必须大于两倍电源电压值, 而且所选产品的击穿电压应高于负载电源电压峰值的两倍。对于额定输出电流, 一般生产厂家都提供热降额曲线 (见图5) , 如周围温度上升, 应按曲线作降额使用。图5中共2条曲线, 4种类型的固态继电器 (曲线下方) 符合其中一条曲线, 另外4种类型的固态继电器 (曲线右上方) 符合另一条曲线。
根据原电路, 我们采用欧姆龙G3PB-545B-3N-VD双振幅三相加热器用固态继电器, 其相关参数见表1。
改造时, 只需将原来接在交流接触器线圈两端的导线分别接至SSR输入电路端子即可。实践证明, 换用固态继电器后的加热系统运行良好, 一年中再没出现一次相关故障。
摘要：交流接触器是利用线圈得失电时电磁力的有无来吸合、释放衔铁, 并联动其主触点相应动作, 从而达到通、断主电路的目的, 在一般的控制电路中应用十分广泛。但是对于触点通断过于频繁的电路, 交流接触器常会出现机械动作不可靠、触点打火烧毁等故障。利用固态继电器无机械触点、闭合次数高达109的特性来取代交流接触器, 并在实际应用中得到了验证。
关键词：交流接触器,固态继电器,包装机,加热系统
参考文献
固态继电器 篇4
固态继电器(Solid State Relay,SSR)是一种具有隔离功能的无触点电子开关,在开关过程中无机械接触部件,输入控制电路和输出回路间具有电的隔离,并且输出回路的通断受输入信号的控制。与传统的电磁继电器(EMR)相比,固态继电器不但具有和电磁继电器相当的转换功能,还具有驱动功率小、噪声低、可靠性高、抗干扰能力强、开关速度快、体积小、寿命长、使用方便、与TTL、HTL、CMOS 电路兼容等优点。固态继电器分为交流固态继电器和直流固态继电器2种[1]。直流固态继电器主要由输入回路、光电耦合器和输出回路组成,其中光电耦合器起到光电隔离的作用,输出部分相当于一个常开开关。随着现代电子技术的发展,对于隔离驱动、隔离切换电路的场合,已经形成了光电隔离固态继电器广泛应用的局面。
文献[2]利用大功率场效应管构成互补型MOS管对,从而形成具有3个输出端的电子开关电路,模拟单刀双掷功能,构成大功率单刀双掷固态继电器。文献[3]公开了一种多功能限流保护式固态继电器,包括低压控制部分和高压开关部分,设置了高低压组合指示和限流带复位保护部分。文献[4]设计了一种20 A的1 500 V的大功率高速直流固态继电器,具有良好的开关特性。目前广泛应用的直流固态继电器的导通电压与截止电压近似相等,当输入在临界值附近时,继电器会出现抖动,无法正常动作。本文提出一种新的设计方法,将继电器导通电压与截止电压分离。为了验证所设计电路的有效性与正确性,对其进行了数值仿真,并对实际电路运行参数进行测试。
1 硬件电路设计
本文直流固态继电器采用四端设计方式,电路原理如图1所示。
1.1 输入电路
输入回路主要由电阻R1,R2、R3,稳压管D1,D2,开关管T1,T2组成。其中NPN型开关管T1和PNP型开关管T2构成正反馈回路,使光电耦合器导通电压和截止电压分离。
1.1.1 导通与截止过程
如图1所示,输入电压范围为0～24 V,初始值为0 V。此时光耦合器处于关断状态,电路不导通。电阻R2与电阻R1构成开关管输入分压回路,③点电压为稳压管D2上电压,基本恒定不变。逐渐增大输入电压,当②点电压超过③点电压时(忽略开关管压降),三极管T1导通,继而三极管T2导通。接着光耦中的发光二极管被触发导通,光耦合器将发光二极管发出的光由光敏三极管转换成光电流,光耦导通,从而将电路导通。继电器返回时,逐渐降低输入电压,此时D2两端电压等于T2、D1以及光耦中二极管三个元件的电压的总和。随着电压的降低,③点电压比②点电压略高0.7 V时,此时电压为临界电压。当电压降到临界值以下时,三极管T1就会截止,三极管T1截止后,光耦合器中发光二极管也随之截止,从而使整个电路处于截止状态。
1.1.2 动作值、返回值和返回系数的计算
由图1列出电路导通和关断时的数学表达式:
导通时:
关断时:
式中:Uin为导通(关断)时电路输入电压(动作电压与返回电压); U1为二极管D2 两端电压; U3为二极管D1和三极管T2 两端电压;假定设计电路的相对动作值达到75%,相对返回值达到40%,因而R1和R2的阻值分别选取为1 kΩ和1.5 kΩ。经计算如下:
动作电压:Uin=17.7 V动作值:
返回电压:Uin=10.2 V返回值:
返回系数:
从以上计算可见,继电器导通时输入电压为17.7 V,动作值为73.8%,继电器截止时输入电压为10.2 V,动作值为42.5%,继电器导通电压和截止电压之间留有充分的裕度,保证了继电器在临界值能够准确动作。
1.2 隔离电路
本文采用光电耦合器(Optical Coupler,OC)作为继电器的隔离电路,光电耦合器是一种半导体光电器件,它具有体积小、寿命长、抗干扰能力强、工作温度宽及无触点输入与输出、在电气上完全隔离等特点。本设计选用型号为TLP127的光耦合器,该芯片适用于表面贴装。TLP127由砷化镓红外发光二极管,光耦合到达林顿光敏三极管与一个不可分割的基地发射电阻器组成,广泛应用于可编程控制器、直流输出模块、电信等方面。
1.3 输出电路
输出电路由开关管T3,T4组成的两级放大电路和续流二极管D3组成,输出电路的通断完全由输入电路控制,输入电压使光电耦合器导通则输出回路导通,即继电器导通,反之则截止。可见,该继电器的输出稳定在一定值,不受负载的影响,端口相对独立。
从以上的各部分电路原理分析可以看出,上述设计方案从理论上讲,可以以小电流控制大电流,同时能够分离继电器的导通电压和截止电压,具备固态继电器的开关功能。
2 电路仿真与参数测试
考虑到系统的可实现性,本文利用Multisim进行仿真。Multisim是加拿大Interactive Image Technologies公司推出的Windows环境下的电路仿真软件,不仅具有电路瞬态分析和稳态分析、时域和频域分析、噪声分析和直流分析等基本功能,而且还提供了离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析和电路容差分析等电路分析方法。由于仿真软件与现实元器件之间的差别,仿真实验只对电路设计做定性分析,具体参数在实物电路板上进行测试。
2.1 电路仿真
按照设计方案在Multisim中搭建电路原理图,输入为线性电压源,电压范围是0～24 V。仿真电路中用24 V直流电源与电阻R模拟受控回路连接在继电器输出端。输入电压上升过程中,当电路导通时,输出端电压会迅速下降;在输入电压下降过程中,当电路截止时,输出端电压会迅速上升。输入电压上升过程和下降过程波形分别如图2、图3所示。
分析图2、图3可以得出当输入电压从0 V逐渐增加到24 V时,电路动作电压值约为17.887 V,而当电压从24 V逐渐减小到0 V时,电路电压返回值约为10.212 V。仿真动作值与上述计算动作值相近,考虑到仿真误差,二者的结果吻合。
2.2 电路参数测量
在实物电路板上进行参数测量,主要进行通断电压测量和导通时间测量。实物电路板如图4所示。
2.2.1 输入/输出电压特性
根据测量继电器输入电压与输出电压参数的结果,绘制出其输入/输出电压特性如图5所示,从图5中可以看出动作结果与计算值一致,继电器的导通电压与截止电压分离,且留有足够的动作裕度,实现了继电器的滞回功能。
2.2.2 导通时间测量
导通时间是指,从施加于常开型固体继电器输入端电压,达到保证接通电压开始,到输出端电压达到其电压最终值90%为止的时间间隔。导通时间是衡量继电器动作的准确性和可靠性的重要指标,所以试验中通过测量继电器的导通时间来检验继电器动作是否准确。实验中分别对输入电压18 V、20 V和24 V三个电压的导通时间进行测量,测量数据如表1所示,示波器波形图分别如图6～图8所示。
从表1和以上波形图可以看出,随着输入电压的降低,导通时间随之升高。总体上输入电压超过动作电压后,继电器能够在极短的时间内导通,动作准确,实现了理想的开关功能。
电路的仿真分析与参数测量结果表明,本文提出的新型直流固态继电器的设计方案能够实现继电器的基本功能,同时滞回特性设计使继电器在临界电压可以准确动作,是一种比较理想的方案。
3 结 语
本文提出的直流固态继电器设计方案较为新颖,通过在控制电路设置正反馈回路来实现继电器导通电压和截止电压的分离。仿真结果和参数测量结果表明该方案完全可行,继电器具有良好、可调的滞回特性,能够防止临界抖动,准确动作,同时继电器输出不受负载的影响,输入、输出端口相对独立,这是本文所述设计方案的最大优点。总体上,该电路结构简单,功能完备,在实际工程中运行良好,市场前景比较广阔。
摘要：提出一种新型的直流固态继电器设计方案。为了使继电器具有滞回特性,采用在控制电路中引入正反馈回路的方法来实现继电器的导通电压和截止电压分离,防止临界抖动的现象发生。同时继电器输出不受负载的影响,输入、输出端口相对独立,提高了继电器的工作稳定性。以电路仿真软件Multisim为平台对所设计电路进行了原理仿真,并测试了实际继电器的运行参数。结果表明,该设计方案的继电器能够准确动作,具有良好、可调的滞回特性。
关键词：直流固态继电器,滞回特性,正反馈,Multisim
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