【E課堂】固態(tài)繼電器的分類(lèi)與工作原理

　　固態(tài)繼電器(Solid State Relays,縮寫(xiě)SSR)是一種無(wú)觸點(diǎn)電子開(kāi)關(guān)，由分立元器件、膜固定電阻網(wǎng)絡(luò )和芯片，采用混合工藝組裝來(lái)實(shí)現控制回路(輸入電路)與負載回路(輸出電路)的電隔離及信號耦合，由固態(tài)器件實(shí)現負載的通斷切換功能，內部無(wú)任何可動(dòng)部件。盡管市場(chǎng)上的固態(tài)繼電器型號規格繁多，但它們的工作原理基本上是相似的。主要由輸入(控制)電路，驅動(dòng)電路和輸出(負載)電路三部分組成。

　　固態(tài)繼電器的輸入電路是為輸入控制信號提供一個(gè)回路，使之成為固態(tài)繼電器的觸發(fā)信號源。固態(tài)繼電器的輸入電路多為直流輸入，個(gè)別的為交流輸入。直流輸入電路又分為阻性輸入和恒流輸入。阻性輸入電路的輸入控制電流隨輸入電壓呈線(xiàn)性的正向變化。恒流輸入電路，在輸入電壓達到一定值時(shí)，電流不再隨電壓的升高而明顯增大，這種繼電器可適用于相當寬的輸入電壓范圍。

　　固態(tài)繼電器的驅動(dòng)電路可以包括隔離耦合電路、功能電路和觸發(fā)電路三部分。隔離耦合電路，目前多采用光電耦合器和高頻變壓器兩種電路形式。常用的光電耦合器有光-三極管、光-雙向可控硅、光-二極管陣列(光-伏)等。高頻變壓器耦合，是在一定的輸入電壓下，形成約10MHz的自激振蕩，通過(guò)變壓器磁芯將高頻信號傳遞到變壓器次級。功能電路可包括檢波整流、過(guò)零、加速、保護、顯示等各種功能電路。觸發(fā)電路的作用是給輸出器件提供觸發(fā)信號。

　　固態(tài)繼電器的輸出電路是在觸發(fā)信號的控制下，實(shí)現固態(tài)繼電器的通斷切換。輸出電路主要由輸出器件(芯片)和起瞬態(tài)抑制作用的吸收回路組成，有時(shí)還包括反饋電路。目前，各種固態(tài)繼電器使用的輸出器件主要有晶體三極管(Transistor)、單向可控硅(Thyristor或SCR)、雙向可控硅(Triac)、MOS場(chǎng)效應管(MOSFET)、絕緣柵型雙極晶體管(IGBT)等。

　　固態(tài)繼電器原理 固態(tài)繼電器(Solidstate Relay, SSR)是一種由固態(tài)電子組件組成的新型無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)，利用電子組件(如開(kāi)關(guān)三極管、雙向可控硅等半導體組件)的開(kāi)關(guān)特性，達到無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)火花、而能接通和斷開(kāi)電路的目的，因此又被稱(chēng)為“無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)”。相對于以往的“線(xiàn)圈—簧片觸點(diǎn)式”繼電器(Electromechanical Relay, EMR)，SSR沒(méi)有任何可動(dòng)的機械零件，工作中也沒(méi)有任何機械動(dòng)作，具有超越EMR的優(yōu)勢，如反應快、可靠度高、壽命長(cháng)(SSR的開(kāi)關(guān)次數可達108"109次，比一般EMR的106高出百倍)、無(wú)動(dòng)作噪聲、耐震、耐機械沖擊、具有良好的防潮防霉防腐特性。這些特點(diǎn)使SSR在軍事、化工、和各種工業(yè)民用電控設備中均有廣泛應用。固態(tài)繼電器的控制信號所需的功率極低，因此可以用弱信號控制強電流。同時(shí)交流型的SSR采用過(guò)零觸發(fā)技術(shù)，使SSR可以安全地用在計算機輸出接口，不會(huì )像EMR那樣產(chǎn)生一系列對計算機的干擾，甚至會(huì )導致嚴重當機。比較常用的是DIP封裝的型式?？刂齐妷汉拓撦d電壓按使用場(chǎng)合可以分成交流和直流兩大類(lèi)，因此會(huì )有DC-AC、DC-DC、AC-AC、AC-DC四種型式，它們分別在交流或直流電源上做負載的開(kāi)關(guān)，不能混用.

　　按負載電源的類(lèi)型不同可將SSR分為交流固態(tài)繼電器(AC—SSR)和直流固態(tài)繼電器(DC—SSR)。AC—SSR是以雙向晶閘管作為開(kāi)關(guān)器件，用來(lái)接通或斷開(kāi)交流負載電源的固態(tài)繼電器。AC—SSR的控制觸發(fā)方式不同，又可分為過(guò)零觸發(fā)型和隨機導通型兩種。過(guò)零觸發(fā)型AC—SSR是當控制信號輸入后，在交流電源經(jīng)過(guò)零電壓附近時(shí)導通，故干擾很小。隨機導通型AC—SSR則是在交流電源的任一相位上導通或關(guān)斷，因此在導通瞬間可能產(chǎn)生較大的干擾。

　　1.2 工作原理

　　過(guò)零觸發(fā)型AC—SSR為四端器件。1、2為輸入端，3、4為輸出端。R0為限流電阻，光耦合器將輸入與輸出電路在電氣上隔離開(kāi)，V1構成反相器，R4、R5、V2和晶閘管V3組成過(guò)零檢測電路，UR為雙向整流橋，由V3和UR用以獲得使雙向晶閘管V4開(kāi)啟的雙向觸發(fā)脈沖，R3、R7為分流電阻，分別用來(lái)保護V3和V4，R8和C組成浪涌吸收網(wǎng)絡(luò )，以吸收電源中帶有的尖峰電壓或浪涌電流，防止對開(kāi)關(guān)電路產(chǎn)生沖擊或干擾。

　　要指出的是所謂“過(guò)零”并非真的必須是電源電壓波形的零處，而一般是指在10～25V或-(10～25)V區域內進(jìn)行觸發(fā)，如圖2所示。圖中交流電壓分三個(gè)區域，Ⅰ區為-10V～+10V范圍，稱(chēng)為死區，在此區域中加入輸入信號時(shí)不能使SSR導通。Ⅱ區為10～25V和-(10～25)V范圍，稱(chēng)為響應區，在此區域內只要加入輸入信號，SSR立即導通。Ⅲ區為幅值大于25V的范圍，稱(chēng)為抑制區在此區域內加入輸入信號，SSR的導通被抑制。

　　當輸入端未加電壓信號時(shí)，光耦合器的光敏晶體管因未接收光而截止，V1飽和，V3和V4因無(wú)觸發(fā)電壓而截止，此時(shí)SSR關(guān)閉。當加入輸入信號時(shí)，光耦合器中的發(fā)光二極管發(fā)光，光敏晶體管飽和，使V1截止。此時(shí)若V3兩端電壓在-(10～25)V或10～25V范圍內時(shí)，只要適當選擇分壓電阻R4和R5，就可使V2截止，這樣使V3觸發(fā)導通，從而使V 4的控制極上得到從R6→UR→V 3→UR→R7或反方向的觸發(fā)脈沖，而使V4導通，使負載接通交流電源。而若交流電壓波形在Ⅲ區內時(shí)，則因V2飽和而抑制V3和V4的導通，而使SSR被抑制，從而實(shí)現了過(guò)零觸發(fā)控制。由于10～25V幅值與電源電壓幅值相比可近似看作“零”。因此，一般就將過(guò)零電壓粗略地定義為0～±25V，即認為在此區域內，只要加入輸入信號，過(guò)零觸發(fā)型AC—SSR都能導通。

　　當輸入端電壓信號撤除后，光耦合器中的光敏晶體管截止，V1飽和，V3截止，但此時(shí)V4仍保持導通，直到負載電流隨電源電壓減小到小于雙向晶閘管的維持電流時(shí)，SSR才轉為截止。

　　SSR的輸出端器件可分為雙向晶閘管和兩只單向晶閘管反并聯(lián)形式。若負載為電動(dòng)機一類(lèi)的感性負載，則其靜態(tài)電壓上升率dv/dt是一個(gè)重要參數。由于單向晶閘管靜態(tài)電壓上升率(200V/μs)大大高于雙向晶閘管的換向指標(10V/μs)，因此若采用兩只大功率單向晶閘管反并聯(lián)代替雙向晶閘管，一方面可提高輸出功率;另一方面也可提高耐浪涌電流的沖擊能力，這種SSR稱(chēng)為增強型SSR。