固態(tài)繼電器

固態(tài)繼電器是機電繼電器的半導體等效物，可用于控制電氣負載而無(wú)需使用移動(dòng)部件。

與使用線(xiàn)圈、磁場(chǎng)、彈簧和各種機械觸點(diǎn)來(lái)控制和切換電源的標準機電繼電器和接觸器不同，固態(tài)繼電器（SSR）沒(méi)有移動(dòng)部件，而是利用固態(tài)半導體的電氣和光學(xué)特性來(lái)執行其輸入到輸出的隔離和切換功能。

就像普通的機電繼電器一樣，SSR在其輸入和輸出觸點(diǎn)之間提供完全的電氣隔離，其輸出類(lèi)似于傳統的電氣開(kāi)關(guān)，在不導通時(shí)（開(kāi)路）具有非常高的、幾乎無(wú)限的電阻，而在導通時(shí)（閉合）具有非常低的電阻。固態(tài)繼電器可以通過(guò)使用SCR、TRIAC或開(kāi)關(guān)晶體管輸出來(lái)設計為切換交流或直流電流，而不是通常的機械常開(kāi)（NO）觸點(diǎn)。

盡管固態(tài)繼電器和機電繼電器在低電壓輸入與切換和控制負載的輸出之間電氣隔離方面基本相似，但機電繼電器的觸點(diǎn)壽命有限，可能占用大量空間，并且切換速度較慢，尤其是大型功率繼電器和接觸器。固態(tài)繼電器沒(méi)有這些限制。

固態(tài)繼電器

因此，固態(tài)繼電器相對于傳統機電繼電器的主要優(yōu)勢在于它們沒(méi)有移動(dòng)部件會(huì )磨損，因此沒(méi)有觸點(diǎn)彈跳問(wèn)題，能夠比機械繼電器的銜鐵移動(dòng)速度快得多地切換“開(kāi)”和“關(guān)”，以及零電壓開(kāi)啟和零電流關(guān)閉，消除了電氣噪聲和瞬態(tài)。

固態(tài)繼電器可以以標準現貨供應的形式購買(mǎi)，輸出切換能力從幾伏或幾安培到數百伏和數百安培不等。然而，由于功率半導體和散熱要求，具有非常高額定電流（150A以上）的固態(tài)繼電器仍然太昂貴，因此仍然使用更便宜的機電接觸器。

類(lèi)似于機電繼電器，小的輸入電壓（通常為3至32伏直流）可用于控制更大的輸出電壓或電流。例如240V，10A。這使得它們非常適合微控制器、PIC和Arduino接口，因為來(lái)自微控制器或邏輯門(mén)的低電流5伏信號可用于控制特定的電路負載，這是通過(guò)使用光隔離器實(shí)現的。

固態(tài)繼電器輸入

固態(tài)繼電器（SSR）的主要組件之一是光隔離器（也稱(chēng)為光耦合器），它包含一個(gè)（或多個(gè)）紅外發(fā)光二極管或LED光源，以及一個(gè)光敏器件，全部封裝在一個(gè)外殼內。光隔離器將輸入與輸出隔離。

LED光源連接到SSR的輸入驅動(dòng)部分，并通過(guò)間隙提供光耦合到相鄰的光敏晶體管、達林頓對或三端雙向可控硅。當電流通過(guò)LED時(shí)，它會(huì )發(fā)光，其光線(xiàn)通過(guò)間隙聚焦到光敏晶體管/光敏三端雙向可控硅上。

因此，光耦合SSR的輸出通過(guò)激勵這個(gè)LED（通常使用低電壓信號）來(lái)“開(kāi)啟”。由于輸入和輸出之間的唯一連接是一束光，因此通過(guò)這種內部光隔離實(shí)現了高電壓隔離（通常為幾千伏）。

光隔離器不僅提供了更高程度的輸入/輸出隔離，還可以傳輸直流和低頻信號。此外，LED和光敏器件可以完全分開(kāi)，并通過(guò)光纖進(jìn)行光耦合。

SSR的輸入電路可能僅由一個(gè)與光隔離器LED串聯(lián)的限流電阻組成，或者由更復雜的電路組成，包括整流、電流調節、反極性保護、濾波等。

要激活或“開(kāi)啟”固態(tài)繼電器使其導通，必須在其輸入端子上施加大于其最小值（通常為3伏直流）的電壓（相當于機電繼電器的線(xiàn)圈）。這個(gè)直流信號可以來(lái)自機械開(kāi)關(guān)、邏輯門(mén)或微控制器，如圖所示。

固態(tài)繼電器直流輸入電路

SSR輸入

當使用機械觸點(diǎn)、開(kāi)關(guān)、按鈕、其他繼電器觸點(diǎn)等作為激活信號時(shí)，使用的電源電壓可以等于SSR的最小輸入電壓值，而當使用晶體管、門(mén)和微控制器等固態(tài)器件時(shí)，最小電源電壓需要比SSR的開(kāi)啟電壓高出一兩伏，以考慮開(kāi)關(guān)器件的內部電壓降。

但是，除了使用直流電壓（無(wú)論是吸收還是源出）來(lái)使固態(tài)繼電器導通外，我們還可以通過(guò)添加橋式整流器進(jìn)行全波整流和濾波電路到直流輸入來(lái)使用正弦波形，如圖所示。

固態(tài)繼電器交流輸入電路

交流輸入

橋式整流器將正弦電壓轉換為全波整流脈沖，頻率為輸入頻率的兩倍。這里的問(wèn)題是，這些電壓脈沖從零伏開(kāi)始和結束，這意味著(zhù)它們將低于SSR輸入閾值的最小開(kāi)啟電壓要求，導致輸出每半個(gè)周期“開(kāi)啟”和“關(guān)閉”。

為了克服這種不穩定的輸出觸發(fā)，我們可以通過(guò)在橋式整流器輸出端使用平滑電容器（C1）來(lái)平滑整流紋波。電容器的充電和放電效應將提高整流信號的直流分量，使其超過(guò)固態(tài)繼電器輸入的最大開(kāi)啟電壓值。因此，即使使用不斷變化的正弦電壓波形，SSR的輸入也會(huì )看到一個(gè)恒定的直流電壓。

降壓電阻R1和平滑電容器C1的值根據電源電壓（120伏交流或240伏交流）以及固態(tài)繼電器的輸入阻抗選擇。但大約40kΩ和10uF的值就可以了。

然后，通過(guò)添加這個(gè)橋式整流器和平滑電容器電路，可以使用交流或非極化直流電源來(lái)控制標準的直流固態(tài)繼電器。當然，制造商已經(jīng)生產(chǎn)和銷(xiāo)售交流輸入固態(tài)繼電器（通常為90至280伏交流）。

固態(tài)繼電器輸出

與輸入一樣，固態(tài)繼電器的輸出切換能力可以是交流或直流電壓。大多數標準固態(tài)繼電器的輸出電路配置為僅執行一種類(lèi)型的切換操作，提供類(lèi)似于機電繼電器的常開(kāi)、單極、單擲（SPST-NO）操作。

對于大多數直流SSR，常用的固態(tài)開(kāi)關(guān)器件是功率晶體管、達林頓和MOSFET。對于交流SSR，開(kāi)關(guān)器件是三端雙向可控硅或兩個(gè)反向并聯(lián)連接的硅控整流器（SCR），以允許雙向切換。請注意，三端雙向可控硅只不過(guò)是兩個(gè)反向并聯(lián)連接的SCR，它們的柵極連接在一起。

硅控整流器（晶閘管）通常因其高電壓和電流能力而受到青睞。單個(gè)SCR也可以用于橋式整流器電路中，如圖所示，以在所需的觸發(fā)角處短路橋。

固態(tài)繼電器輸出電路

固態(tài)繼電器輸出電路

固態(tài)繼電器最常見(jiàn)的應用是切換交流負載，無(wú)論是用于控制交流電源的開(kāi)關(guān)、調光、電機速度控制還是其他需要功率控制的應用，這些交流負載可以很容易地使用低電流直流電壓通過(guò)固態(tài)繼電器控制，提供長(cháng)壽命和高切換速度。

固態(tài)繼電器相對于機電繼電器的最大優(yōu)勢之一是它能夠在零負載電流點(diǎn)關(guān)閉交流負載，從而完全消除與傳統機械繼電器和感性負載相關(guān)的電弧、電氣噪聲和觸點(diǎn)彈跳。

這是因為交流切換固態(tài)繼電器使用SCR和TRIAC作為其輸出開(kāi)關(guān)器件，一旦輸入信號被移除，它們會(huì )繼續導通，直到通過(guò)器件的交流電流低于其閾值或保持電流值。因此，SSR的輸出永遠不會(huì )在正弦波峰值中間關(guān)閉。

零電流關(guān)閉是使用固態(tài)繼電器的主要優(yōu)勢，因為它減少了電氣噪聲和與感性負載切換相關(guān)的反電動(dòng)勢，這在機電繼電器的觸點(diǎn)中表現為電弧?？紤]下面典型交流固態(tài)繼電器的輸出波形圖。

固態(tài)繼電器輸出波形

固態(tài)繼電器輸出波形

在沒(méi)有輸入信號的情況下，沒(méi)有負載電流通過(guò)SSR，因為它實(shí)際上是關(guān)閉的（開(kāi)路），輸出端子看到完整的交流電源電壓。在施加直流輸入信號時(shí)，無(wú)論正弦波形的哪個(gè)部分（正或負）正在通過(guò)，由于SSR的零電壓切換特性，輸出僅在波形過(guò)零時(shí)開(kāi)啟。

隨著(zhù)電源電壓在正或負方向上增加，它達到使輸出晶閘管或三端雙向可控硅完全開(kāi)啟所需的最小值（通常小于約15伏）。SSR輸出端子上的電壓降是開(kāi)關(guān)器件的導通電壓降VT（通常小于2伏）。因此，與感性或燈負載相關(guān)的高涌入電流大大減少。

當直流輸入電壓信號被移除時(shí)，輸出不會(huì )突然關(guān)閉，因為一旦觸發(fā)導通，用作開(kāi)關(guān)器件的晶閘管或三端雙向可控硅會(huì )在剩余的半周期內保持開(kāi)啟，直到負載電流下降到器件的保持電流以下，此時(shí)它會(huì )關(guān)閉。因此，與在正弦波中間切換感性負載相關(guān)的高dv/dt反電動(dòng)勢大大減少。

因此，交流固態(tài)繼電器相對于機電繼電器的主要優(yōu)勢是其零交叉功能，當交流負載電壓接近零伏時(shí)開(kāi)啟SSR，從而抑制任何高涌入電流，因為負載電流總是從接近0V的點(diǎn)開(kāi)始，以及晶閘管或三端雙向可控硅固有的零電流關(guān)閉特性。因此，最大可能的關(guān)閉延遲（在移除輸入信號和移除負載電流之間）為半個(gè)周期。

相位調光固態(tài)繼電器

雖然固態(tài)繼電器可以執行直接的零交叉負載切換，但它們還可以通過(guò)數字邏輯電路、微處理器和存儲器執行更復雜的功能。固態(tài)繼電器的另一個(gè)出色應用是家庭或演出或音樂(lè )會(huì )中的燈調光應用。

非零（即時(shí)開(kāi)啟）切換固態(tài)繼電器在施加輸入控制信號后立即開(kāi)啟，而不是像上述零交叉SSR那樣等待交流正弦波的下一個(gè)零交叉點(diǎn)。這種隨機觸發(fā)切換用于電阻性應用，如燈調光和應用，這些應用只需要在交流周期的一小部分時(shí)間內為負載供電。

隨機切換輸出波形

SSR相位控制波形

雖然這允許對負載波形進(jìn)行相位控制，但隨機開(kāi)啟SSR的主要問(wèn)題是繼電器開(kāi)啟瞬間的初始負載涌入電流可能很高，因為SSR在電源電壓接近其峰值（90度）時(shí)切換電源。當輸入信號被移除時(shí)，當負載電流下降到晶閘管或三端雙向可控硅的保持電流以下時(shí)，它會(huì )停止導通，如圖所示。顯然，對于直流SSR，開(kāi)關(guān)動(dòng)作是瞬間的。

固態(tài)繼電器非常適合各種開(kāi)關(guān)應用，因為它們不像機電繼電器（EMR）那樣有移動(dòng)部件或觸點(diǎn)。有許多不同的商業(yè)類(lèi)型可供選擇，適用于交流和直流輸入控制信號以及交流和直流輸出切換，因為它們采用半導體開(kāi)關(guān)元件，如晶閘管、三端雙向可控硅和晶體管。

但是，通過(guò)結合使用良好的光隔離器和三端雙向可控硅，我們可以制作自己的廉價(jià)且簡(jiǎn)單的固態(tài)繼電器來(lái)控制交流負載，如加熱器、燈或螺線(xiàn)管。由于光隔離器只需要少量的輸入/控制功率來(lái)操作，控制信號可以來(lái)自PIC、Arduino、Raspberry PI或任何其他微控制器。

示例1

假設我們想要一個(gè)具有僅+5伏數字輸出端口信號的微控制器來(lái)控制120V交流、600瓦的加熱元件。為此，我們可以使用MOC 3020光隔離三端雙向可控硅，但內部三端雙向可控硅只能在120V交流電源的峰值處通過(guò)最大電流（ITSM）1安培，因此還必須使用額外的開(kāi)關(guān)三端雙向可控硅。

首先考慮MOC 3020光隔離器（其他光隔離三端雙向可控硅也可用）的輸入特性。光隔離器的數據表告訴我們，輸入發(fā)光二極管的正向電壓降（VF）為1.2伏，最大正向電流（IF）為50mA。

LED需要大約10mA才能合理明亮地發(fā)光，最大值為50mA。然而，微控制器的數字輸出端口只能提供最大30mA。因此，所需的電流值在10到30毫安之間。因此：

光隔離器MOC3020電阻

因此，可以使用值在126到380Ω之間的串聯(lián)限流電阻。由于數字輸出端口總是切換+5伏，并且為了減少通過(guò)光耦合器LED的功率耗散，我們將選擇240Ω的首選電阻值。這使得LED正向電流小于16mA。在這個(gè)例子中，任何在150Ω到330Ω之間的首選電阻值都可以。

加熱元件負載為600瓦電阻性。使用120V交流電源將給我們5安培的負載電流（I = P/V）。由于我們希望在交流波形的兩個(gè)半周期（所有4個(gè)象限）中控制這個(gè)負載電流，我們將需要一個(gè)主開(kāi)關(guān)三端雙向可控硅。

BTA06是一個(gè)6安培（IT(RMS)）600伏的三端雙向可控硅，適用于交流負載的通用開(kāi)關(guān)，但任何類(lèi)似的6到8安培額定三端雙向可控硅都可以。此外，這個(gè)開(kāi)關(guān)三端雙向可控硅只需要50mA的柵極驅動(dòng)來(lái)開(kāi)始導通，這遠低于MOC 3020光隔離器的1安培最大額定值。

考慮光隔離器的輸出三端雙向可控硅在120VRMS交流電源電壓的峰值（90度）處開(kāi)啟。這個(gè)峰值電壓的值為：120 x 1.414 = 170Vpk。如果光隔離三端雙向可控硅的最大電流（ITSM）為1安培峰值，則所需的最小串聯(lián)電阻值為170/1 = 170Ω，或180Ω到最近的首選值。這個(gè)180Ω的值將保護光耦合器輸出三端雙向可控硅，以及在120VAC電源上的BTA06三端雙向可控硅的柵極。

如果光隔離器的三端雙向可控硅在120VRMS交流電源電壓的零交叉值（0度）處開(kāi)啟，則提供所需50mA柵極驅動(dòng)電流迫使開(kāi)關(guān)三端雙向可控硅導通所需的最小電壓為：180Ω x 50mA = 9.0伏。然后，當正弦波柵極到MT1電壓大于9伏時(shí)，三端雙向可控硅觸發(fā)導通。

因此，在交流波形的零交叉點(diǎn)之后所需的最小電壓為9伏峰值，這個(gè)串聯(lián)柵極電阻中的功率耗散非常小，因此可以安全地使用180Ω、0.5瓦額定電阻?？紤]下面的電路。

交流SSR電路

交流SSR電路

這種類(lèi)型的光耦合器配置構成了非常簡(jiǎn)單的固態(tài)繼電器應用的基礎，可用于控制任何交流電源負載，如燈和電機。這里我們使用了MOC 3020，它是一個(gè)隨機開(kāi)關(guān)隔離器。

MOC 3041光隔離三端雙向可控硅具有相同的特性，但具有內置的零交叉檢測功能，允許負載在切換感性負載時(shí)獲得全功率而不會(huì )產(chǎn)生重涌入電流。

二極管D1防止由于輸入電壓的反向連接而造成的損壞，而56歐姆電阻（R3）在三端雙向可控硅關(guān)閉時(shí)分流任何di/dt電流，消除誤觸發(fā)。它還將柵極端子連接到MT1，確保三端雙向可控硅完全關(guān)閉。

如果與脈寬調制（PWM）輸入信號一起使用，對于交流負載，開(kāi)關(guān)頻率應設置為最大10Hz以下，否則這個(gè)固態(tài)繼電器電路的輸出切換可能無(wú)法跟上。