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固态继电器的分类与工作原理

文/ 发布于2017-09-28 浏览次数:28

  固态继电器(Solid State Relays,缩写SSR)是一种无触点电子开关,由分立元器件、膜固定电阻网络和芯片,采用混合工艺组装来实现控制回路(输入电路)与负载回路(输出电路)的电隔离及信号耦合,由固态器件实现负载的通断切换功能,内部无任何可动部件。尽管市场上的固态继电器型号规格繁多,但它们的工作原理基本上是相似的。主要由输入(控制)电路,驱动电路和输出(负载)电路三部分组成。

  固态继电器的输入电路是为输入控制信号提供一个回路,使之成为固态继电器的触发信号源。固态继电器的输入电路多为直流输入,个别的为交流输入。直流输入电路又分为阻性输入和恒流输入。阻性输入电路的输入控制电流随输入电压呈线性的正向变化。恒流输入电路,在输入电压达到一定值时,电流不再随电压的升高而明显增大,这种继电器可适用于相当宽的输入电压范围。

  固态继电器的驱动电路可以包括隔离耦合电路、功能电路和触发电路三部分。隔离耦合电路,目前多采用光电耦合器和高频变压器两种电路形式。常用的光电耦合器有光-三极管、光-双向可控硅、光-二极管阵列(光-伏)等。高频变压器耦合,是在一定的输入电压下,形成约10MHz的自激振荡,通过变压器磁芯将高频信号传递到变压器次级。功能电路可包括检波整流、过零、加速、保护、显示等各种功能电路。触发电路的作用是给输出器件提供触发信号。

  固态继电器的输出电路是在触发信号的控制下,实现固态继电器的通断切换。输出电路主要由输出器件(芯片)和起瞬态抑制作用的吸收回路组成,有时还包括反馈电路。目前,各种固态继电器使用的输出器件主要有晶体三极管(Transistor)、单向可控硅(Thyristor或SCR)、双向可控硅(Triac)、MOS场效应管(MOSFET)、绝缘栅型双极晶体管(IGBT)等。

  固态继电器原理固态继电器(Solidstate Relay,SSR)是一种由固态电子组件组成的新型无触点开关,利用电子组件(如开关三极管、双向可控硅等半导体组件)的开关特性,达到无触点、无火花、而能接通和断开电路的目的,因此又被称为“无触点开关”。相对于以往的“线圈—簧片触点式”继电器(Electromechanical Relay,EMR),SSR没有任何可动的机械零件,工作中也没有任何机械动作,具有超越EMR的优势,如反应快、可靠度高、寿命长(SSR的开关次数可达 108“109次,比一般EMR的106高出百倍)、无动作噪声、耐震、耐机械冲击、具有良好的防潮防霉防腐特性。这些特点使SSR在军事、化工、和各种工业民用电控设备中均有广泛应用。固态继电器的控制信号所需的功率极低,因此可以用弱信号控制强电流。同时交流型的SSR采用过零触发技术,使SSR可以安全地用在计算机输出接口,不会像EMR那样产生一系列对计算机的干扰,甚至会导致严重当机。比较常用的是DIP封装的型式。控制电压和负载电压按使用场合可以分成交流和直流两大类,因此会有DC-AC、DC-DC、AC-AC、AC-DC四种型式,它们分别在交流或直流电源上做负载的开关,不能混用。

  按负载电源的类型不同可将SSR分为交流固态继电器(AC—SSR)和直流固态继电器(DC—SSR)。AC—SSR是以双向晶闸管作为开关器件,用来接通或断开交流负载电源的固态继电器。AC—SSR的控制触发方式不同,又可分为过零触发型和随机导通型两种。过零触发型AC—SSR是当控制信号输入后,在交流电源经过零电压附近时导通,故干扰很小。随机导通型AC—SSR则是在交流电源的任一相位上导通或关断,因此在导通瞬间可能产生较大的干扰。

  工作原理

  过零触发型AC—SSR为四端器件,其内部电路如图1所示。1、2为输入端,3、4为输出端。R0为限流电阻,光耦合器将输入与输出电路在电气上隔离开,V1构成反相器,R4、R5、V2和晶闸管V3组成过零检测电路,UR为双向整流桥,由V3和UR用以获得使双向晶闸管V4开启的双向触发脉冲,R3、R7为分流电阻,分别用来保护V3和V4,R8和C组成浪涌吸收网络,以吸收电源中带有的尖峰电压或浪涌电流,防止对开关电路产生冲击或干扰。

  当输入端未加电压信号时,光耦合器的光敏晶体管因未接收光而截止,V1饱和,V3和V4因无触发电压而截止,此时SSR关闭。当加入输入信号时,光耦合器中的发光二极管发光,光敏晶体管饱和,使V1截止。此时若V3两端电压在-(10~25)V或10~25V范围内时,只要适当选择分压电阻R4和R5,就可使V2截止,这样使V3触发导通,从而使V 4的控制极上得到从R6→UR→V 3→UR→R7或反方向的触发脉冲,而使V4导通,使负载接通交流电源。而若交流电压波形在图2中的Ⅲ区内时,则因V2饱和而抑制V3和V4的导通,而使 SSR被抑制,从而实现了过零触发控制。由于10~25V幅值与电源电压幅值相比可近似看作“零”。因此,一般就将过零电压粗略地定义为0~±25V,即认为在此区域内,只要加入输入信号,过零触发型AC—SSR都能导通。

  当输入端电压信号撤除后,光耦合器中的光敏晶体管截止,V1饱和,V3截止,但此时V4仍保持导通,直到负载电流随电源电压减小到小于双向晶闸管的维持电流时,SSR才转为截止。

  SSR的输出端器件可分为双向晶闸管和两只单向晶闸管反并联形式。若负载为电动机一类的感性负载,则其静态电压上升率dv/dt是一个重要参数。由于单向晶闸管静态电压上升率(200V/μs)大大高于双向晶闸管的换向指标(10V/μs),因此若采用两只大功率单向晶闸管反并联代替双向晶闸管,一方面可提高输出功率;另一方面也可提高耐浪涌电流的冲击能力,这种SSR称为增强型SSR。

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