固态,继电器,的原理及应用,探讨,

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导读:关键词,:固态,继电器的原理固态继电器,的,结构,固态继电器的特点固态继电器的,应用。当,输入,为“1”时,三极管BG导通,SSR1输入端,有输入,电压,输出端接通,此时A点虽有电压,但UA-UDW,的电压值,已不能使,SSR2的输,出端接通而处于,断开状态,因而达到了“单刀双掷控制电路”的功能,(,★注意☆危险信号★:选择稳压,二极管DW的稳压值时,应保证在导通,的,SSR1“”端的电压,不会使SSR2导通,同时,又要,兼顾到SSR1截止,时期,“,”,端的,电压,能使SSR2导通,),。

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固态继电器,及其,在应用中★一些☆yī xiē★★问题☆wèn tí★的,探讨

来源:网络 作者:未知

摘 要,:阐述了固态继电器,的原理,结构,特点及,交流,直流固态继电器的适用范围,并针对交流固态,继电器,提出了,根据它的几个,关键参数来,合理选择固态,继电器的方法,应用电路,在,设,计上,需要★注意☆zhù yì★的★一些☆yī xiē★★问题☆wèn tí★以及给,出了相应与,计算机驳接的,接口电路。

关键词,:固态继电器的,原理 固态,继电器的结构 固态继电器的特点 固态继电器的应用

         固态,继电器(,SOLIDSTATE RELAYS,),简写成“SSR”,是★一种☆yī zhǒng★,★全部☆quán bù★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☆ yīn cǐ★,又被称为“无触点开关”,它问世于,70年代,★由于☆yóu yú★它的无触点,★工作☆gōng zuò★,特性,使其在★许多☆xǔ duō★,领域,的电控及,计算机控制方面,得到日益广范的,应用。

     一,固态继电器的原理及结构

     SSR按使用,场合,★可以☆ kě yǐ★,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☆gōng zuò★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☆yī zhǒng★四,端,器件。

固态,继电器的原理及,应用,探讨的图片1

图1

     工作,时,只要在A,B上加上一定的控制信号,就★可以☆ kě yǐ★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☆lián xì★, 以防止,输出端,对输入端的★影响☆yǐng xiǎng★,耦合,电路用的元件是“光耦合器”,它动作,灵敏,响应速★度☆ dù★高,输入/输,出端间的绝缘(耐压,)等级高;★由于☆yóu yú★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)。图2是一种典型的交流型SSR的,电原理图。

固态,继电器的原理及应用探讨的图片2

图2

     直流,型的SSR,与交流型的SSR,相比,无过零控制电路,也不必,设置,吸收,电路,开关器件,一般用,大功率开关三极管,★其它☆other★工作原理相同。不过,直流型SSR在使用时,应★注意☆zhù yì★:①负载为★感☆gǎn★性负载时,如直流,电磁阀或,电磁铁,应在负载两端,并联,一只二极管,极性如图3所示,二极管,的电流应等于,工作电流,电压应大于工作电压的4倍。②,SSR工作,时应尽量把它靠近负载,其输出引线,应★满足☆mǎn zú★,负荷电流的需要。,③,使用电源属经,交流降压整流所得的,其滤波,电解电容,应,足,够大。

固态继电器的原理及,应用探讨的图片,3

图,3

     图4 给出了几种国内,外★常见☆cháng jiàn★的,SSR的外形。

固态继电器的,原理及应用探讨的图片4

图4

     二,固态,继电器的特点

     SSR★成功☆chéng gōng★地实现了,弱信号,(,Vst)对,强电(,输出端,负载电压)的,控制。由于光耦合器,的,应用,使控制,信号所需的功率极低(约十余毫瓦,就可正常工作),★而且☆ér qiě★Vst所需,的,工作电平,与TTL,HTL,CMOS等,常用集成电路兼容,可以实现,直接,联接。这使SSR,在数控和自控设备等方面得到广泛应用,。在相当,程★度☆ dù★上可取代传统的,“,线圈―簧片,触点式,”,继电器(简称“MER”)。

     SSR由于是全,固态电子元件,组成,与MER相比,它没有任何,可动的,机械,部件,工作中也没有任何机械动作;SSR,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,所以它有一系列MER不具备的优点,即,工作高可靠,长,寿命(有,资料表明SSR的开关次数可达108-109次,比,一般MER的106高几,百倍);无动作噪声;耐振耐机械冲击;安装★位置☆wèi zhi★无限制;很,容易用绝缘防水材料灌,封做成全密封★形式☆xíng shì★,★而且☆ér qiě★,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极佳。★这些☆zhè xie★特点使,SSR,可在★军事☆jūn shì★,(,如飞行器,火炮,舰船,车载★武器☆wǔ qì★系统,),化工,井下,采煤,和各种,工业民用,电控设备的应用,中大显身手,具有超越MER的,技术优势。

     交流型SSR,由于,采用过,零,触发技术,因而可以使SSR,★安全☆ān quán★地用在,计算机输出,接口,上,不必为,在,接口上采用MER而,产生的一系列对计算机的干扰而烦恼。,

     此外,SSR,还有能承受,在,数值上,可达额定电流十倍左右的浪涌电流的特点。

     三,★主要☆zhǔ yào★参数,与选用,

     功率,固态,继电器的,特性参数★包括☆bāo kuò★输入和输出参数,下面以北京,科,通继电器,总厂,生产的,GX-10F继电器,为例,列出输入,输出,参数,详见表1,根据,输入电压参数值大小,可确定,工作电压大小。如,采用,TTL或CMOS等逻辑电平控制时,最好,采用,有足够带,载,能力的低电平,驱动,并尽★可能☆kě néng★使“,0”电平低于0.8 V。如在,噪声很强的环境,下工作,不能选用,通,断电压,值相差,小的★产品☆chǎn pǐn★,必需选用通,断电压值相差,大的,★产品☆chǎn pǐn★,(如选接通电压为8 V,或12 V的,产品,)★这样☆zhè yàng★不会,因噪声干扰,而造成控制,失灵。

固态继电器的原理及应用探讨的图片5

     输出参数的,项目较多,现对★主要☆zhǔ yào★几个参数说明如下:

     1,额定输入电压

     它是指定,条件下能承受,的稳态阻性负载的,★最大☆zuì dà★★允许☆yǔn xǔ★电压★有效☆yǒu xiào★值。如果受控负载是非,稳态或非,阻性的,必需考虑所选产品,是否能承受工作状态或条件,变化时(冷热,转换,静,动,转换,★感☆gǎn★应电势,瞬态峰值电压,变化周期,等,) 所产生的★最大☆zuì dà★合成电压,。,例如负载为感性时,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,的阻断,(击穿)电压应高于负载,电源,电压峰值,的,两倍。如在电源电压,为交流220V,一般的小功率非阻性负载,的,情况下,★建议☆jiàn yì★,选用额定电压为,400V―,600V,的,SSR产品;但对于,频繁,启动的单相或三相,电机负载,★建议☆jiàn yì★选用额定电压为660V―,800V的SSR产品。

     2,额定输出电流和,浪涌电流,

     额定输出电流是,指在给定条件下(,环境温度,额定电压,功率因素,有无散热器等)所能,承受,的电流最大的★有效☆yǒu xiào★值。一般,生产厂家,都,提供热降额曲线。,如周围温度上升,应按曲线作降,额,使用。

     浪涌电流是,指在,给定条件下,(室温,额定电压,额定电流,和持续,的时间等,)不会造成永久性损坏所★允许☆yǔn xǔ★,的最大非重复性,峰值电流,。,交流继电器,的浪,涌电流为,额定,电流的5-10倍(,一个周期),直流,产品为,额定,电流的1.5-5倍(一秒)。,在选用时,如,负载为,稳态阻性,SSR可全额或,降额10%使用,。对于,电加热器,接触器等,初始接通瞬间,★出现☆chū xiàn★的,浪,涌电流可达,3倍的稳态,电流,★因此☆ yīn cǐ★,SSR降额20%-30%使用。对于,白织灯类,负载,SSR应按,降额50%使用,并且还应加上适当的★保护☆bǎo hù★电路。对于变压器负载,所选,产品的,额定,电流必须高于负载,工作电流的两倍。对于负载为感应电机,所选SSR的,额定电流值应为电机运转电,流的,2―4倍,SSR,的浪涌,电流,值,应为额定电流的,10倍。

     固态,继电器对,温度的敏感性很强,工作温度,超过标称,值后,必须降热或,外加散热器,例如额定电流为10A的JGX―,10F产品,不加散热器时的,允许工作电流,只有10A。

     四,应用,电路

     1,基本单元电路

     如图5a所示为,稳定的阻性负载,为了防止输入电压超过额定值,需,设置一限流电阻Rx;当负载为非稳定性,负载或感性,负载时,在输出回路,中还应附加一个,瞬态抑制电路,如图,5b所示,目的是★保护☆bǎo hù★固态,继电器。通常措施是在继电器输,出端加装RC吸收,回路,(例如:R=150 Ω,C=0.5 μ,F或R=39 Ω,C,=0.1 μF),它可以有效的抑制加至继电器的瞬,态电压和电压指数,上升率,dv/dt。在设计,电路时,建议用户,根据负载的有关参数,和环境条件,认真,计算和试验RC回路的选值。另一个常用的措施是在继电器输出端接入具有特定钳,位,电压的,电压控制器件,如双向稳压,二极管或,压敏,电阻(,MOV,)。压,敏电阻电流值,应,按下式计算,:

     Imov=(Vmax-Vmov)/ZS

     其中,ZS为负载,阻抗,电源阻抗,以及,线路阻抗,之和,Vmax,Vmov分别为最高瞬态,电压,压敏电阻的标称电压,对于常规的220V和380V的交流,电源,推荐的,压敏,电阻,的标称电压,值分别为440-470V和760-810V。,

     在交流感性负载上,并联,RC,电路或电容,也,可抑制加至SSR输出端,的瞬态电压和电压指数上升率。

     但,实验表明,RC吸收,回路,特别是并,联在SSR输出端的,RC吸收回路,如果和感性负载组合不当,容易导致,振荡,在负载,电源,上电,或继电器切换,时,加大继电器输出端,的,瞬变电压峰值,增大,SSR误导通,的★可能☆kě néng★性,所以,对具体应用,电路应先进行试验,选用合适,的RC,参数,甚至有时不用RC吸收,电路更有利。

     对于容性负载,引起,的浪涌电流可用感性元件抑制,如在电路,中,引入磁干扰滤波器,扼流圈等,以,限制快速上升的峰值电流,。,

     另外,如果输出端电流,上升变化率(di/dt)★很大☆的JJ★,可以在输出端,串联,一个具有高磁导,率的软化,磁芯的电感器加以限制。

固态继电器的原理及应用,探讨的图片,6

图,5

     通常SSR均设计为,“常开”状态,即,无控制,信号输入时,输出端是,开路,的,但在,自动化控制设备,中经常,需要“,常闭”式的,SSR,这时可在,输入端外接一组,简单的电路,如图,5c所示,这时,即为,常,闭式,SSR。

     2,多功能控制电路

     图6a为多,组输出电路,当,输入,为“,0”时,三极管BG截止,SSR1,SSR2,SSR3的输入端无,输入电压,各自的,输,出端断开;当输入为,“1”时,三极管BG导通,SSR1,SSR2,SSR3的输入端有输入电压,各自的输出端,接通,因而达到了,由,一个,输入,端口控制多个,输,出端,“通”,“断”的目的。

     图6b为单刀双,掷控制电路,当输入为“0”时,三极管BG截止,SSR1输入端无输入电压,输出端,断开,此时,A点,电压,加到SSR2的输入端上,(,UA-UDW,应使,SSR2输出端可靠接通),SSR2的输出端接通;当,输入,为“,1”时,三极管,BG导通,SSR1输入端有,输入电压,输出端接通,此时,A点虽有电压,但UA-UDW的,电压值已不能使,SSR2的输出端接通而处于断开状态,因而达到了“单刀双,掷控制电路,”的,功能(,注意:选择,稳压二极管DW,的稳压值,时,应,保证,在导通,的,SSR1“ ”端的电压,不会使SSR2导通,同时又要,兼顾,到,SSR1截止时期“ ”,端的,电压能使SSR2导通)。

固态继电器的,原理及应用,探讨的,图片,7

图6

     3,用计算机控制电机,正,反转的,接口及驱动电路

     图7计算机控制单相交流电机正反转的,接口及驱动电路,在换向控制,时,正反转之间的,停滞时间应,大于交流电源,的,1.5个周期(,用,一个,“下降沿延时”电路来完成),以免换向,太快而造成线间短路。电路,中继电器,要,选用阻断电压高于600 V,和,额定电压为380 V,以上的交流,固态继电器。

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图7 计算机控制单相交流电机正反转的接口,及,驱动电路,

     为了限制电机换向时,电容器,的放电电流,应在各回路中外加一只限流,电阻Rx,其,阻值,和功率可,按下式计算:

     Rx=0.2?VP/IR(,Ω,),。P=Im2Rx

     其中:VP,―电源峰值电压(,V);IR―,固态继电器,额定电流(A);Im―电机运转,电流(A,);P,―限流电阻功率(W),

     图8计算机,控制三相交流电机正反转,的接口,及驱动电路,图中采用了4个与非门,用,二个信号,通道,分别控制电动机的起动,停止和,正转,反转。当改变电动机转动方向,时,给出指令,信号的顺序,应是,“,停止―,反转,―,起动”或,“停止―,正转―,起动”。延时电路的★最小☆zuì xiǎo★,延时不小于1.5个交流电源,周期,。其中RD1,RD2,RD3为熔断器,。,当电机允许时,可以在,R1-R4★位置☆wèi zhi★,接入限流,电阻,以防止当万一两线间的任意二,只继电器,均,误接通,时,限制产,生的半周线间短路电流不超过继电器所能承受的浪,涌电流,从而避免烧毁继电器等事故,确保★安全☆ān quán★性;但副作用是正常工作时电阻,上将,产生,压,降和,功耗。该电路,建议采用额定,电压,为660 V或更高一点,的SSR,产品。

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图,8 计算机,控制,三相交流电机正反转的接口及驱动,电路,

     五,★结束☆jié shù★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―,10mA)等,的存在,易,发热损坏;截止时存在漏电阻,不能使电路★完全☆wán quán★分开;易受温度和辐射,的★影响☆yǐng xiǎng★,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☆chéng běn★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。 

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