直流固態繼電器原理圖
發布者:admin 點擊:1358 發表時間:2013-11-28

一、概述 固態繼電器(亦稱固體繼電器)英文名稱為solid state relay,簡稱ssr。 固態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上相同的功能。ssr是一種全部由固態電子元件組成的無觸點開關元件,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,功率場效應管,單向可控硅和雙向可控硅等器件的開關特性,來達到無觸點,無火花地接通和斷開被控電路。 二、固態繼電器的組成 固態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,正負邏輯控制和反相等功能。固態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管。 三、固態繼電器的優缺點 1、固態繼電器的優點 (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,振動的環境下工作,由于組成固態繼電器的元器件的固有特性,決定了固態繼電器的壽命長,可靠性高。 (2)靈敏度高,控制功率小,電磁兼容性好:固態繼電器的輸入電壓范圍較寬,驅動功率低,可與大多數邏輯集成電路兼容不需加緩沖器或驅動器。 (3)快速轉換:固態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。大多數交流輸出固態繼電器是一個零電壓開關,在零電壓處導通,零電流處關斷,減少了電流波形的突然中斷,從而減少了開關瞬態效應。 2、固態繼電器的缺點 (1)導通后的管壓降大,可控硅或雙相控硅的正向降壓可達1~2v,大功率晶體管的飽和壓漿液災1~2v之間,一般功率場效應管的導通電祖也較機械觸點的接觸電阻大。 (2)半導體器件關斷后仍可有數微安至數毫安的漏電流,因此不能實現理想的電隔離。 (3)由于管壓降大,導通后的功耗和發熱量也大,大功率固態繼電器的體積遠遠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阻尼電路對其進行過在?;?。固態繼電器的負載與環境溫度明顯有關,溫度升高,負載能力將迅速下降。 (6)主要不足是存在通態壓降(需相應散熱措施),有斷態漏電流,交直流不能通用,觸點組數少,另外過電流、過電壓及電壓上升率、電流上升率等指標差。 固態繼電器的工作  它是用半導體器件代替傳統電接點作為切換裝置的具有繼電器特性的無觸點開關器件,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,輸出端就能從斷態轉變成通態。 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vin時,p型ssr立即導通。當vin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vin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。 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。  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??叵低?、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(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?;?nbsp; 快速熔斷器和空氣開關,是通用的過電流?;し椒???燜偃鄱掀骺砂炊疃üぷ韉緦韉?.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?;ね?建議采用壓敏電阻并聯在輸出端,作為組合?;?。金屬氧化鋅壓敏電阻(mov)面積大小決定吸收功率,厚度決定?;さ繆怪?。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??稍諳唄分薪徊醬繾杌虻綹?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常現象。上述情況,使ssr在特殊負載的應用,多少變得有點復雜??尚械陌旆?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?;ご朧?。  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?;幌騭sr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?;ぷ爸?。[編輯本段]固態繼電器術語解釋 環境溫度范圍: 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。