固态继电器介绍

　　固态继电器是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，因此固态继电器除具有与电磁继电器一样的功能外，还具有逻辑电路兼容，耐振耐机械冲击，安装位置无限制，具有良好的防潮防霉防腐蚀性能，在防爆和防止臭氧污染方面的性能也极佳，输入功率小，灵敏度高，控制功率小，电磁兼容性好，噪声低和工作频率高等特点。固态继电器专用的固态继电器可以具有短路保护，过载保护和过热保护功能，与组合逻辑固化封装就可以实现用户需要的智能模块，直接用于控制系统中。固态继电器目前已广泛应用于计算机外围接口设备、恒温系统、调温、电炉加温控制、电机控制、数控机械，遥控系统、工业自动化装置；信号灯、调光、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。[1]

　　组成

　　固态继电器由三部分组成：输入电路，隔离（耦合）和输出电路。

　　1、输入电路

　　按输入电压的不同类别，输入电路可分为直流输入电路，交流输入电路和交直流输入电路三种。有些输入控制电路还具有与TTL/CMOS兼容，正负逻辑控制和反相等功能，可以方便的与TTL,MOS逻辑电路连接。

　　对于控制电压固定的控制信号，采用阻性输入电路。控制电流保证在大于5mA。对于大的变化范围的控制信号（如3~32V）则采用恒流电路，保证在整个电压变化范围内电流在大于5mA可靠工作。

　　2、隔离（耦合）

　　固态继电器的输入与输出电路的隔离和耦合方式有光电耦合和变压器耦合两种：光电耦合通常使用光电二极管—光电三极管，光电二极管—双向光控可控硅，光伏电池，实现控制侧与负载侧隔离控制；高频变压器耦合是利用输入的控制信号产生的自激高频信号经耦合到次级，经检波整流，逻辑电路处理形成驱动信号。

　　3、输出电路

　　SSR的功率开关直接接入电源与负载端，实现对负载电源的通断切换。主要使用有大功率晶体三极管（开关管-Transistor），单向可控硅（Thyristor或SCR），双向可控硅（Triac），功率场效应管（MOSFET），绝缘栅型双极晶体管（IGBT）。固态继电器的输出电路也可分为直流输出电路，交流输出电路和交直流输出电路等形式。按负载类型，可分为直流固态继电器和交流固态继电器。直流输出时可使用双极性器件或功率场效应管，交流输出时通常使用两个可控硅或一个双向可控硅。而交流固态继电器又可分为单相交流固态继电器和三相交流固态继电器。交流固态继电器，按导通与关断的时机，可分为随机型交流固态继电器和过零型交流固态继电器。

　　工作原理

　　它是用半导体器件代替传统电接点作为切换装置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

　　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置式（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。

　　SSR固态继电器以触发形式，可分为零压型（Z）和调相型（P）两种。

　　在输入端施加合适的控制信号IN时，P型SSR立即导通。当IN撤销后，负载电流低于双向可控硅维持电流时（交流换向），SSR关断。Z型SSR内部包括过零检测电路，在施加输入信号IN时，只有当负载电源电压达到过零区时，SSR才能导通，并有可能造成电源半个周期的最大延时。Z型SSR关断条件同P型，但由于负载工作电流近似正弦波，高次谐波干扰小，所以应用广泛。北京灵通电子公司的SSR由于采用输出器件不同，有普通型（S，采用双向可控硅元件）和增强型（HS，采用单向可控硅元件）之分。当加有感性负载时，在输入信号截止t1之前，双向可控硅导通，电流滞后电源电压90O（纯感时）。t1时刻，输入控制信号撤销，双向可控硅在小于维持电流时关断（t2），可控硅将承受电压上升率dv/dt很高的反向电压。这个电压将通过双向可控硅内部的结电容，正反馈到栅极。如果超过双向可控硅换向dv/dt指标（典型值10V/ s，将引起换向恢复时间长甚至失败。单向可控硅（增强型SSR）由于处在单极性工作状态，此时只受静态电压上升率所限制（典型值200V/　s），因此 增强型固态继电器HS系列比普通型SSR的换向dv/dt指标提高了5~20倍。由于采用两只大功率单向可控硅反并联，改变了电流分配和导热条件，提高了SSR输出功率。增强型SSR在大功率应用场合，无论是感性负载还是阻性负载，耐电压、耐电流冲击及产品的可靠性，均超过普通固态继电器。

　　固态继电器的优缺点

　　1、优点

　　（1）高寿命，高可靠：固态继电器没有机械零部件，有固体器件完成触点功能，由于没有运动的零部件，因此能在高冲击，振动的环境下工作，由于组成固态继电器的元器件的固有特性，决定了固态继电器的寿命长，可靠性高。

　　固态继电器

　　（2）灵敏度高，控制功率小，电磁兼容性好：固态继电器的输入电压范围较宽，驱动功率低，可与大多数逻辑集成电路兼容不需加缓冲器或驱动器。

　　（3）快速转换：固态继电器因为采用固体器件，所以切换速度可从几毫秒至几微妙。

　　（4）电磁干扰小：固态继电器没有输入“线圈”，没有触点燃弧和回跳，因而减少了电磁干扰。大多数交流输出固态继电器是一个零电压开关，在零电压处导通，零电流处关断，减少了电流波形的突然中断，从而减少了开关瞬态效应。

　　2、缺点

　　（1）导通后的管压降大，可控硅或双向控硅的正向降压可达1~2V，大功率晶体管的饱和压降也在1~2V之间，一般功率场效应管的导通电阻也较机械触点的接触电阻大。（2）半导体器件关断后仍可有数微安至数毫安的漏电流，因此不能实现理想的电隔离。

　　（3）由于管压降大，导通后的功耗和发热量也大，大功率固态继电器的体积远远大于同容量的电磁继电器，成本也较高。

　　（4）电子元器件的温度特性和电子线路的抗干扰能力较差，耐辐射能力

　　固态继电器

　　也较差，如不采取有效措施，则工作可靠性低。

　　（5）固态继电器对过载有较大的敏感性，必须用快速熔断器或RC阻尼电路对其进行过载保护。固态继电器的负载与环境温度明显有关，温度升高，负载能力将迅速下降。

　　（6）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。

　　注意事项

　　1、封装和安装形式

　　卧式W型、立式L型，体积小适用于印制板直接焊接安装。立式L2型，既能适合于线路板焊接安装，也能适用于线路板上插接安装。在选用小电流规格印刷电路板使用的固态继电器时，因引线端子为高导热材料制成，焊接时应在温度小于250℃、时间小于10S的条件下进行，如考虑周围温度的原因，必要时可考虑降额使用，一般将负载电流控制在额定值的1/2以内使用。

　　K型及F型，适合散热器及仪器底板安装。大功率SSR(K型和F型封装）安装时，应注意散热器接触面应平整，并需涂复导热硅脂（美宝T-50）。安装力矩愈大,接触热阻愈小。大电流引出线，需配冷压焊片，以减少引出线接点电阻。

　　2、负载与SSR的选择

　　SSR对一般的负载应是没有问题的，但也必须考虑一些特殊的负载条件，以避免过大的冲击电流和过电压，对器件性能造成不必要的损坏。白炽灯、电炉等类的“冷阻”特性，造成开通瞬间的浪涌电流，超过额定工作电流值数倍。一般普通型SSR，可按电流值的2/3选用。增强型SSR，可按厂商提供的参数选用。在恶劣条件下的工业控制现场，建议留有足够的电压、电流余量。

　　某些类型的灯，在烧断瞬间会出现低阻抗。气化和放电通道以及容性负载，如切换电容器组或电容器电源，会造成类似短路状态。可在线路中进一步串联电阻或电感，作为限流措施。电机的开启和关闭，也会产生较大的冲击电流和电压。中间继电器、电磁阀吸合不可靠时引起的抖动，以及电容换向式电机换向时，电容电压 和电源电压的叠加会在SSR两端产生二倍电源的浪涌电压。

　　控制变压器初级时，也应考虑次级线路上的瞬态电压对初级的影响。此外，变压器也有可能因为两个方向电流不对称，造成饱和引起的浪涌电流异常现象。上述情况，使SSR在特殊负载的应用，多少变得有点复杂。可行的办法，就是通过示波器去测量可能引起的浪涌电流和电压，从而选用合适的SSR和保护措施。

　　被控负载在接通瞬间会产生很大的浪涌电流，由于热量来不及散发，很可能使SSR内部可控硅损坏，所以用户在选用继电器时应对被控负载的浪涌特性进行分析，然后再选择继电器。使继电器在保证稳态工作前提下能够承受这个浪涌电流，选择时可参考表2各种负载时的降额系数（常温下）。

　　如所选用的继电器需在工作较频繁、寿命以及可靠性要求较高的场合工作时，则应在表2的基础上再乘以0.6以确保工作可靠。

　　一般在选用时遵循上述原则，在低电压要求信号失真小可选用采用场效应管作输出器件的直流固态继电器；如对交流阻性负载和多数感性负载，可选用过零型继电器，这样可延长负载和继电器寿命，也可减小自身的射频干扰。如作为相位输出控制时，应选用随机型固态继电器。

　　3、过热问题

　　SSR在导通时，元件将承受P=V（管压降）×I（负载）的耗散功率，其中V有效值和I有效值分别为饱和压降和工作电流的有效值。固态继电器的负载能力受环境温度和自身温升的影响较大，需依据实际工作环境条件，严格参照额定工作电流时允许的外壳温升（75℃），合理选用散热器尺寸或降低电流使用，在安装使用过程中,应保证其有良好的散热条件，否则将因过

　　固态继电器

　　热引起失控，甚至造成产品损坏。

　　一般而言，10A以下，可采用散热条件良好的仪器底板，额定工作电流在10A以上的产品应配散热器，30A以下，采用自然风冷，连续负载电流大于30A时，需采用仪器风扇强制风冷，100A以上的产品应配散热器加风扇强冷。在安装时应注意继电器底部与散热器的良好接触 ，并考虑涂适量导热硅脂以达到最佳散热效果。如继电器长期工作在高温状态下（40℃~80℃）时，用户可根据厂家提供的最大输出电流与环境温度曲线数据，考虑降额使用来保证正常工作。

　　固态继电器发热原因：

　　固态继电器即在正常工作的时候，在其内部芯片上存在一定的功率损耗，这个损耗功率主要由固态继电器输出电压降与负载电流乘积决定，以发热的形式消耗掉。因此散热的好坏直接影响到固态继电器工作的可靠性，优良的热学设计可避免由于散热不良造成的失败和损坏。

　　4、过流、过压保护

　　在继电器使用时，因过流和负载短路会造成SSR固态继电器内部输出可控硅永久损坏，可考虑在控制回路中增加快速熔断器和空气开关予以保护型（选择继电器应选择产品输出保护，内置压敏电阻吸收回路和RC缓冲器，可吸收浪涌电压和提高dv/dt耐量）；快速熔断器和空气开关，是通用的过电流保护方法。快速熔断器可按额定工作电流的1.2倍选择，一般小容量可选用保险丝。特别注意负载短路，是造成SSR产品损坏的主要原因。

　　感性及容性负载，除内部RC电路保护外，建议采用压敏电阻并联在输出端，作为组合保护。金属氧化锌压敏电阻（MOV）面积大小决定吸收功率，厚度决定保护电压值。交流220V的SSR，选用MYH12-430V的压敏电阻；380V选用MYH12-750V压敏电阻；较大容量的电机变压器应选用MYH20或MYH2024通流容量大的压敏电阻。选用原则是220V选用500V-600V压敏电阻，380V时可选用800V-900V压敏电阻。

　　5、输入回路

　　SSR按输入控制方式，可分为电阻型、恒流源和交流输入控制型。目前主要提供的，是供5V TTL电平用电阻输入型。使用其他控制电压时，可相应选用限流电阻。SSR输入属于电流型器件，当输入端光耦可控硅完全导通后（微秒数量级），触发功率可控硅导通。当激励不足或斜波式的触发电压，有可能造成功率可控硅处于临界导通边缘，并造成主负载电流流经触发回路引起的损坏。 在使用时因输入电压过高或输入电流过大超出其规定的额定参数时，可考虑在输入端串接分压电阻或在输入端口并接分流电阻，以使输入信号不超过其额定参数值。

　　例如：基本性能测试电路，输入为可调电压源，测试负载用100W灯泡，输入触发信号应为阶跃逻辑电平，强触发方式。国外厂商提供的器件标准电流为10mA，考虑到全温度工作范围（-40~+70℃），发光效率稳定和抗干扰能力，推荐最佳直流触发工作电流在12~25mA之间。

　　SSR输入端可并联或串联驱动。串联使用时，一个SSR按4V电压考虑，12V电压可驱动3个SSR。在具体使用时，控制信号和负载电源要求稳定，波动不应大于10%，否则应采取稳压措施。

　　6、干扰

　　在安装使用时应远离电磁干扰，射频干扰源，以防继电器误动失控。SSR产品也是一种干扰源，导通时会通过负载产生辐射或电源线的射频干扰，干扰程度随负载大小而不同。白炽灯电阻类负载产生的干扰较小，零压型在交流电源的过零区（即零电压）附近导通，因此干扰也较小。减少的方法是在负载串联电感线圈。另外，信号线与功率线之间，也应避免交叉干扰。

　　7、安全及其他

　　固态继电器开路且负载端有电压时，输出端会有一定的漏电流，在使用或设计时应注意防止触电。固态继电器失效更换时，应尽量选用原型号或技术参数完全相同的产品，以便与原应用线路匹配，保证系统的可靠工作。[2]

　　应用实例

　　1、调压应用

　　SSR，TSR调压型模块，可采用外配模拟量信号来触发模块就可实现线性可调输出电压。例如，PLC或控温仪输出模拟量信号：1-5V，4-20mA的触发系统。国产单相三相可控硅触发板，配合可控硅，也可以外配模拟量信号来调节触发板，触发板再触发模块就可实现线性可调输出电压，控制可控硅导通角，以达到调压之目的。

　　2、交流调功应用

　　“交流调功”是一种Z型SSR普遍采用的方法，也能实现PID调节。即在固定周期内，控制交流正弦电流半波个数，达到调功目的。模拟电路常采用电压比较器，将一个固定周期的锯齿电压和来自前级误差电压作比较，输出方波实现调节，如图3所示。在计算机上采用计时算法，产生占空比可调的方波脉冲击来实现。例如日本的SHIMADEW和OMRON公司的SR22、FD20、E5系列智能化控温产品，配合Z型SSR，实现自适应“自动翻转”控制，即通过计算机产生扰动，算出最佳PID控制参数。

　　3、三相电流控制

　　HS系列SSR产品，可直接用于三相电机的控制。最简单的方法，是采用2只SSR作电机通断控制，4只SSR作电机换相控制，第三相不控制。

　　作为电机换向时应注意，由于电机的运动惯性，必须在电机停稳后才能换向，以避免产生类似电机堵转情况，引起的较大冲击电压和电流。在控制电路设计上，要注意任何时刻都不应产生换相SSR同时导通的可能性。上下电时序，应采用先加后断控制电路电源，后加先断电机电源的时序。换向SSR之间，不能简单地采用反相器连接方式，以避免在导通的SSR未关断，另一相SSR导通引起的相间短路事故。此外，电机控制中的保险、缺相和温度继电器，也是保证系统正常工作的保护装置。