固態繼電器的應用淺析

固態繼電器（Solid State Relay ,縮寫 SSR）是用分離的電子元器件、集成電路（或芯片）及混合微電路技術結合發展起來的一種具有繼電特性的無觸點式電子開關。具有壽命長、可靠性高、開關速度快、電磁干擾小、無噪聲、無火花等特點，可廣泛應用于航天、航海、家電、機床、通訊、化工、煤礦等工業自動化等領域。

　　與常規使用的電磁繼電器比較（見表1）；

2.固態繼電器分類（按輸出負載電源分）

　　2.1交流固態繼電器
　　2.1.1按開關方式分
　　a.電壓過零導通型（簡稱過零型）b.電壓隨機導通型（簡稱隨機型）
　　2.1.2按輸出開關元件分
　　a.雙向可控硅輸出型b.單向可控硅反并聯型（增強型）
　　2.1.3按安裝方式分
　　a.焊針式：線路板用，一般為小電流規格B.裝置式：可配置散熱器安裝固定在金屬底板上，大電流規格
　　2.2直流固態繼電器
　　2.2.1按輸入端分
　　a.光隔離型　　b.高頻磁隔離，變壓器耦合
　　2.2.2按輸出端分
　　a.大功率三極管　　b.功率場效應管
　　2.3交直流固態繼電器
　　a.光伏耦合器　　b.磁隔離

3. 典型交直流固態繼電器原理分析

　　3.1 交流固態繼電器（過零型）原理分析

　　固態繼電器由三部分組成：輸入電路、隔離（耦合）和輸出電路組成，在輸入電路控制端加入信號后，IC1光電耦合器內光敏三極管呈導通狀態，R1串接電阻對輸入信號進行限流，以保證光耦合器不致損壞。LED發光二極管指示輸入端控制信號，VD1可防止當輸入信號正負極性接反時以保護光耦IC1。

　　V1 在線路中起到交流電壓檢測作用，使固態繼電器在電壓過零時開啟、負載電流過零時關斷。當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通,從而使 SCR可控硅門極觸發電壓UGT被箝在低電位而處于關斷狀態，最終導致BTA雙向可控硅在門極控制端R6上無觸發脈沖而處于關斷狀態。

　　當IC1光敏三極管導通時（ 控制端有信號輸入時） ，SCR可控硅的工作狀態由交流電壓零點檢測三極管V1來確定其工作狀態 。如電源電壓經R2與R3分壓，A處電壓大于過零電壓時（VA＞VBE1），V1處飽和導通狀態，SCR、BTA可控硅都處于關斷狀態；如電源電壓經R2與R3分壓，A處電壓小于過零電壓時（VA＞VBE1）V1處截止狀態，SCR可控硅通過R4獲得觸發信號而導通 ,從而使 BTA在R6上也獲得觸發信號也呈導通狀態,對負載電源進行關斷控制。如此時控制端信號關斷后,負載電流也隨之減小至BTA雙向可控硅的維持電流IH時可自行關斷,切斷負載電源。

　　交流過零型固態繼電器，因有其電壓過零時開啟，負載電流過零時關斷的特性。它的最大接通、關斷時間是半個電源周期，在負載上可得到一個完整的正弦波形。也相應的減少了對負載的沖擊。而在相應的控制回路中產生的射頻干擾也大大減少。過零型與隨機型的工作波形圖分別見圖2和圖3。

　　在輸入控制回路中，電阻R1串接在IC1光電耦合器輸入端對其發光管進行限流保護，發光管LED對輸入控制信號給予指示，VD1對輸入端的反偏電壓進行保護。當控制端無信號輸入時，IC1光電耦合器中的光敏三極管呈截止高阻狀態 ，V1通過R2獲得其基極電流使之飽和導通,從而導致 V2、V3、V4均處在截止狀態，使其固態繼電器呈關斷狀態。

　　當控制端有信號輸入時，IC1中光敏三極管導通，使 V1呈截止狀態，從而使V2、V3、V4導通使其固態繼電器呈接通狀態，并將電源加至負載上，直流固態繼電器的輸出端隨著輸入端信號的加入而導通，信號的消失而關斷。

　　另外，大功率低電壓的直流固態繼電器的輸出開關普遍采用功率場效應管來替代功率三極管,以此來降低輸入功率。

4.選型使用時應注意事項

　　4.1在選用小電流規格印刷電路板使用的固態繼電器時，因引線端子為高導熱材料制成,焊接時應在溫度小于250℃、時間小于10S的條件下進行，如考慮周圍溫度的原因，必要時可考慮降額使用，一般將負載電流控制在額定值的 1/2以內使用。

　　4.2各種負載浪涌特性對SSR的選擇

　　許多被控負載在接通瞬間會產生很大的浪涌電流，由于熱量來不及散發，很可能使SSR內部可控硅損壞,所以用戶在選用繼電器時應對被控負載的浪涌特性進行分析,然后再選擇繼電器。使繼電器在保證穩態工作前提下能夠承受這個浪涌電流，選擇時可參考表2各種負載時的降額系數（常溫下）。

　　如所選用的繼電器需在工作較頻繁、壽命以及可靠性要求較高的場合工作時，則應在表2的基礎上再乘以0.6以確保工作可靠。

　　一般在選用時遵循上述原則，在低電壓要求信號失真小可選用采用場效應管作輸出器件的直流固態繼器；如對交流阻性負載和多數感性負載，可選用過零型繼電器，這樣可延長負載和繼電器壽命，也可減小自身的射頻干擾。如作為相位輸出控制時，應選用隨機型固態繼電器。

　　4.3 使用環境溫度的影響

　　固態繼電器的負載能力受環境溫度和自身溫升的影響較大，在安裝使用過程中,應保證其有良好的散熱條件，額定工作電流在10A以上的產品應配散熱器，100A 以上的產品應配散熱器加風扇強冷 。在安裝時應注意繼電器底部與散熱器的良好接觸 ，并考慮涂適量導熱硅脂以達到最佳散熱效果。

　　如繼電器長期工作在高溫狀態下（40℃～80℃）時，用戶可根據廠家提供的最大輸出電流與環境溫度曲線數據，考慮降額使用來保證正常工作。

　　4.4 過流、過壓保護措施

　　在繼電器使用時，因過流和負載短路會造成SSR內部輸出可控硅永久損壞 ,可考慮在控制回路中增加快速熔斷器和空氣開關予以保護型（選擇繼電器應選擇產品輸出保護,內置壓敏電阻吸收回路和RC緩沖器,可吸收浪涌電壓和提高dv/dt耐量）；也可在繼電器輸出端并接 RC吸收回路和壓敏電阻（MOV）來實現輸出保護。選用原則是220V選用500V-600V壓敏電阻，380V時可選用800V-900V壓敏電阻。

　　4.5 繼電器輸入回路信號

　　在使用時因輸入電壓過高或輸入電流過大超出其規定的額定參數時,可考慮在輸入端串接分壓電阻或在輸入端口并接分流電阻,以使輸入信號不超過其額定參數值。

　　4.6 在具體使用時,控制信號和負載電源要求穩定，波動不應大于10%，否則應采取穩壓措施。

　　4.7 在安裝使用時應遠離電磁干擾,射頻干擾源，以防繼電器誤動失控。

　　4.8 固態繼電器開路且負載端有電壓時,輸出端會有一定的漏電流，在使用或設計時應注意。

　　4.9 固態繼電器失效更換時,應盡量選用原型號或技術參數完全相同的產品，以便與原應用線路匹配，保證系統的可靠工作。