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固体继电器工作原理
更新时间:[2014-03-20] 浏览次数:4442次

  固态继电器SSR(solid state releys)是一种无触点通断电子开关,它利用电子元件(如开关三极管、双向可控硅等半导体器件)的开关特性,可达到无触点无火花地接通和断开电路的目的,为四端有源器件,其中两个端子为输入控制端,另外两端为输出受控端。为实现输入与输出之间的电气隔离,器件中采用了高耐压的专业光电耦合器。当施加输入信号后,其主回路呈导通状态,无信号时呈阻断状态。整个器件无可动部件及触点,可实现相当于常用电磁继电器一样的功能。其封装形式也与传统电磁继电器基本相同。它问世于70年代,由于它的无触点工作特性,使其在许多领域的电控及计算机控制方面得到日益广范的应用。

  由于固态继电器是由固体元件组成的无触点开关元件,所以它较之电磁继电器具有工作可靠、寿命长、对外界干扰小、能与逻辑电路兼容、抗干扰能力强、开关速度快和使用方便等一系列优点。因而具有很宽的应用领域,有逐步取代传统电磁继电器之势,并可进一步扩展到传统电磁继电器无法应用的领域。如计算机和可编程控制器的输入输出接口、计算机外围和终端设备、机械控制、过程控制、遥控及保护系统等。在一些要求耐振、耐潮、耐腐蚀、防爆等特殊工作环境中以及要求高可靠的工作场合,SSR都较之传统的电磁继电器有无可比拟的优越性。

  固态继电器有三部分组成:输入电路,隔离(耦合)和输出电路。安输入电压的不同类别,输入电路可分为直流输入电路,交流输入电路和交直流输入电路三种。有些输入控制电路还具有与TTL/CMOS兼容,正负逻辑控制和反相等功能。固态继电器的输入与输出电路的隔离和耦合方式有光电耦合和变压器耦合两种。固态继电器的输出电路也可分为直流输出电路,交流输出电路和交直流输出电路等形式。交流输出时,通常使用两个可控硅或一个双向可控硅,直流输出时可使用双极性器件或功率场效应管。SSR按使用场合可以分成交流型和直流型两大类,它们分别在交流或直流电源上做负载的开关,不能混用。

  固体继电器的工作原理

  尽管市场上的固体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。

  固体继电器的输入电路是为输入控制信号提供一个回路,使之成为固体继电器的触发信号源。固体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。

  固体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。

  固体继电器的输出电路是在触发信号的控制下,实现固体继电器的通断切换。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,各种固体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。

  固体继电器的主要优点是:

  (1)无运动零部件,无机械磨损,无动作噪声,无机械故障,可靠性高;

  (2) 无燃弧触点,无触点间的火花、电弧,无触点抖动和磨损,对外干扰小;

  (3) 开关速度迅速,动作时间可达10-3S以下;

  (4) 灵敏度高,控制功率小,可达10-3以下,能很好地与TTL、CMOS电路兼容;

  (5) 抗冲击振动性能优良,容易实现“零”压切换;

  (6) 一般用绝缘材料灌封成全封闭整体,所以具有良好的防潮、防霉、防腐性能,防爆性能也极佳;

  (7) 半导体器件作为开关工作,寿命长;

  (8) 易实现附加功能。

  固体继电器性能参数测试时应注意以下几点

  (1)测试直流SSR接通和关断电压时,输入电压不能长时间处于接通与关断之间,否则输出端功耗急剧上升,容易烧坏输出开关元件。

  (2)测试中不要随意加快动作速率(一般输入信号的一个周期长应为接通和关断时间之和的10倍以上),否则因动态开关损耗大无法工作,甚至烧坏输出开关元件。

  (3)测试时,首先要了解输出电流与壳温(环境温度)之间的关系曲线(壳温上升或不带散热器时额定输出电流会下降),避免过载引起永久性失效。

  (4)SSR在关断状态下输出两端不能实现完全的隔离,存在一定的漏电流,在较高电压下测试介质耐压和绝缘电阻在使用时,易发生触电事故。输出两端绝不可测试绝缘电阻或耐压。

  固体继电器使用中应注意的问题

  (1)在实际使用时,必须使产品的实际使用条件完全符合产品各项参数和特性曲线的要求。

  (2)SSR受温度影响较大,使用时要考虑好散热(一般负载电流>5A时应装散热片),当环境温度高时,SSR的负载能力必然相应下降,因此选用SSR时须留有一定的余量。

  (3)当继电器处于导通状态时,将承受P=V(管压降)×I(负载)的耗散功率。因此必须根据实际工作环境,合理选用散热器的尺寸或降低负载电流使用。


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