交流固態(tài)繼電器在自動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

0 概述
　　固態(tài)繼電器（SSR）是一種全部由固態(tài)電子元件組成的新型無觸點開關(guān)器件，它利用電子元件（如開關(guān)三極管、雙向可控硅等半導(dǎo)體器件）的開關(guān)特性，可達(dá)到無觸點無火花地接通和斷開電路的目的，因此又被稱為“無觸點開關(guān)”。它問世于20世紀(jì)70年代。由于它的無觸點工作特性，使其在許多領(lǐng)域的電控及計算機(jī)控制方面得到日益廣范的應(yīng)用。
1 交流固態(tài)繼電器的結(jié)構(gòu)與工作原理
　　交流固態(tài)繼電器可分為過零輸出和非過零（隨機(jī)）輸出2種類型，下面以過零輸出型為例介紹交流固態(tài)繼電器的結(jié)構(gòu)與工作原理。
　　過零輸出型交流固態(tài)繼電器的內(nèi)部電路原理圖如圖1所示。

　　固態(tài)繼電器由三部分組成：輸入電路、隔離（耦合）電路和輸出電路。在輸入電路控制端加入信號后，IC1光電耦合器內(nèi)光敏三極管呈導(dǎo)通狀態(tài)，R1串接電阻對輸入信號進(jìn)行限流，以保證光耦合器不致?lián)p壞。LED發(fā)光二極管指示輸入端控制信號，VD1可防止當(dāng)輸入信號正負(fù)極性接反時以保護(hù)光耦I(lǐng)C1。
　　V1在線路中起到交流電壓檢測作用，使固態(tài)繼電器在電壓過零時開啟、負(fù)載電流過零時關(guān)斷。當(dāng)IC1光敏三極管截止時（控制端無信號輸入時），V1通過R2獲得基極電流使之飽和導(dǎo)通，從而使SCR可控硅門極觸發(fā)電壓被箝在低電位而處于關(guān)斷狀態(tài)，最終導(dǎo)致BTA雙向可控硅在門極控制端R6上無觸發(fā)脈沖而處于關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)IC1光敏三極管導(dǎo)通時（控制端有信號輸入時），SCR可控硅的工作狀態(tài)由交流電壓零點檢測三極管V1來確定其工作狀態(tài)。如電源電壓經(jīng)R2與R3分壓，A處電壓大于過零電壓（ ）時，V1處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，SCR、BTA可控硅都處于關(guān)斷狀態(tài)。如電源電壓經(jīng)R2與R3分壓，A處電壓小于過零電壓（）時，V1處于截止?fàn)顟B(tài)，SCA可控硅通過R4獲得觸發(fā)信號而導(dǎo)通，從而使BTA在R6上也獲得觸發(fā)信號而呈導(dǎo)通狀態(tài)，對負(fù)載電源進(jìn)行關(guān)斷控制。如此時控制端信號關(guān)斷后，負(fù)載電流也隨之減小至BTA雙向可控硅的維持電流時可自行關(guān)斷，切斷負(fù)載電源。
　　交流過零型固態(tài)繼電器，因有其電壓過零時開啟、負(fù)載電流過零時關(guān)斷的特性，它的最大接通、關(guān)斷時間是半個電源周期，在負(fù)載上可得到一個完整的正弦波形，也相應(yīng)地減少了對負(fù)載的沖擊。而在相應(yīng)的控制回路中產(chǎn)生的射頻干擾也大大減少。過零型與隨機(jī)型的工作波形如圖2所示。

2 固態(tài)繼電器的特點
　　（1）輸入控制電壓低（3～14 V），驅(qū)動電流小（3～15 mA），輸入控制電壓與TTL、DTL、HTL電平兼容，直流或脈沖電壓均能作輸入控制電壓；
　　（2）輸出與輸入之間采用光電隔離，可實現(xiàn)在以弱控強(qiáng)的同時，做到強(qiáng)電與弱電完全隔離，兩部分之間的安全絕緣電壓大于2 kV，符合國際電氣標(biāo)準(zhǔn)；
　　（3）輸出無觸點、無噪音、無火花、開關(guān)速度快；
　　（4）輸出部分內(nèi)部一般含有RC過壓吸收電路，以防止瞬間過壓而損壞固態(tài)繼電器；
　　（5）有多種規(guī)格可選擇：輸入有電阻限流直流、恒流直流和交流等類型。輸出有直流輸出方式和交流輸出方式。輸出額定電壓有（220～380 V）交流電壓及（30～180 V）直流電壓。交流輸出中有過零觸發(fā)型和非過零觸發(fā)型（隨機(jī)型）；
　　（6）過零觸發(fā)型固態(tài)繼電器對外界的干擾非常小；
　　（7）采用環(huán)氧樹脂全灌封裝，具有防塵、耐濕、壽命長等優(yōu)點。
3 交流固態(tài)繼電器在自控系統(tǒng)中的應(yīng)用實例
（1）多組輸出電路
　　多組輸出電路如圖3所示。當(dāng)輸人為“0”時。三極管BG截止，SSRl、SSR2、SSR3的輸入端無輸入電壓，各自的輸出端斷開；當(dāng)輸人為“1”時，三極管BG導(dǎo)通，SSRl、SSR2、SSR3的輸人端有輸入電壓，各自的輸出端接通，因而達(dá)到了由一個輸入端口控制多個輸出端“通”、“斷”的目的。

（2）單刀雙擲控制電路
　　單刀雙擲控制電路如圖4所示。當(dāng)輸人為“0”時，三極管BG截止，SSRl輸入端無輸入電壓，輸出端斷開，此時A點電壓加到SSR2的輸入端上（）應(yīng)使SSR,輸出端可靠接通），SSR2的輸出端接通。當(dāng)輸人為“1”時，三極管BG導(dǎo)通，SSR。輸入端有輸入電壓，輸出端接通，此時A點雖有電壓，但的電壓值已不能使SSR2的輸出端接通而處于斷開狀態(tài)，因而達(dá)到了“單刀雙擲控制電路”的功能。

　　值得注意的是，選擇穩(wěn)壓二極管DW 的穩(wěn)壓值時，應(yīng)保證在導(dǎo)通的SSR1“+”端的電壓不會使SSR2導(dǎo)通，同時又要兼顧到SSR1截止時“+”端的電壓能使SSR2導(dǎo)通。
（3）溫度控制電路
　　由單片機(jī)和交流固態(tài)繼電器控制的溫度控制電路如圖5所示。

　　該電路采用周波控制法，調(diào)節(jié)負(fù)載功率而達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的。調(diào)功原理為：
設(shè)電網(wǎng)連接N個完整的正弦波（周期）為一個控制周期T，則

　　式中f——電網(wǎng)頻率，Hz。
　　設(shè)在設(shè)定的周期T內(nèi)控制加到SSR輸入端的n（n≤N個完整的正弦波周期數(shù)，則負(fù)載功率

式中 U—— 電網(wǎng)電壓有效值；
Rs—負(fù)載有效電阻。
　　可見，只要控制在設(shè)定周期T內(nèi)的周波數(shù)n，就可調(diào)節(jié)負(fù)載的功率。或者反過來說，可根據(jù)不同的功率要求，導(dǎo)算出n，將n轉(zhuǎn)換成時間，作為 的定時設(shè)定，每當(dāng)T0溢出，在中斷服務(wù)程序中由P1．0來控制SSR的導(dǎo)通和截止，就可在設(shè)定的周期 內(nèi)控制加載到電熱器上的定額周期的正弦波，達(dá)到調(diào)控溫度的目的。
（4）單相交流電動機(jī)正反轉(zhuǎn)控制電路
　　單相交流電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制電路如圖6所示。電路中開關(guān)S分別置于“I”、“Ⅱ”位置時，電機(jī)分別為正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。圖中M為單相交流電動機(jī)，RC串聯(lián)組成外加吸收電路，RV為氧化鋅壓敏電阻，起過電壓保護(hù)作用。該電路工作效果的好壞，關(guān)鍵在于AC—SSR額定電壓的選取。由電路中運行電容C回路的工作特點可知，當(dāng)AC—SSR1或AC—SSR2中任何一個關(guān)斷時，關(guān)斷SSR輸出端的電壓約為交流電源電壓的2倍。因此在選用SSR額定電壓時，應(yīng)大于電源電壓的2倍，換向時間也必須有30ms以上的延時。

（5）計算機(jī)控制的三相交流電動機(jī)正反轉(zhuǎn)控制電路
　　計算機(jī)控制三相交流電動機(jī)正反轉(zhuǎn)控制電路如圖7所示。圖中采用了4個與非門，用2個信號通道分別控制電動機(jī)的起動、停止和正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)。當(dāng)改變電動機(jī)轉(zhuǎn)動方向時，給出指令信號的順序應(yīng)是“停止一反轉(zhuǎn)一起動”或“停止一正轉(zhuǎn)一起動”。延時電路的最小延時不小于1．5個交流電源周期。其中RD。、RD2、RD3為熔斷器。當(dāng)電機(jī)允許時，可以在R一R4位置接入限流電阻，以防止當(dāng)萬一兩線間的任意2只繼電器均誤接通時，限制產(chǎn)生的半周線間短路電流不超過繼電器所能承受的浪涌電流，從而避免燒毀繼電器等事故，確保安全性；但副作用是正常工作時電阻上將產(chǎn)生壓降和功耗。該電路建議采用額定電壓為66O V或更高一點的SSR產(chǎn)品。