固态继电器原理应用

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1 固 态 继 电 器

固态继电器简介

固态继电器是具有隔离功能的无触点电子开关，在开关过程中无机械接触部件，因此固态继电器除具有与电磁继电器一样的功能外，还具有逻辑电路兼容，耐振耐机械冲击，安装位置无限制，具有良好的防潮、防霉、防腐蚀性能，在防爆和防止臭氧污染方面的性能也极佳，输入功率小，灵敏度高，控制功率小，电磁兼容性好，噪声低和工作频率高等特点。专用的固态继电器可以具有短路保护，过载保护和过热保护功能，与组合逻辑固化封装就可以实现用户需要的智能模块，直接用于控制系统中。固态继电器目前已广泛应用于计算机外围接口设备、恒温系统、调温、电炉加温控制、电机控制、数控机械、遥控系统、工业自动化装置；信号灯、调光、闪烁器、照明舞台灯光控制系统；仪器仪表、医疗器械、复印机、自动洗衣机；自动消防，保安系统，以及作为电网功率因素补偿的电力电容的切换开关等等，另外在化工、煤矿等需防爆、防潮、防腐蚀场合中都有大量使用。

1、如何选择SSR的型号规格

主要是选取适当的额定电流的固态继电器（SSR）除特别说明以外，整流、可控等功率模块亦然。

根据不同的负载类型来选用SSR的额定电流。阻性负载、感性负载和容性负载在刚起动时瞬时电流较大。即使是纯阻性，由于具有正温度系数，冷态时电阻值较小，因而有较大的起动电流。电炉刚接通时电流为稳定时的—倍。白炽灯接通时电流为稳态10倍。有些金属卤化物灯不但开启时间长达10分钟，而且有高达100倍稳态时的脉冲电流。

异步电动机起动电流为额定值的5—7倍，直流电动机起动电流还要大。不但如此，感性负载还具有较高的反电势。这是一个不定值，随L和di/dt（电流变化率）的不同而不同。通常为电源电压的1—2倍，这样和电源电压叠加。有高达三倍的电源电压。

容性负载具有更大的危险性，因为起动时，由于电容器两端的电压不能突变，电容器（负载）相当于短路。这种负载在选型时更要特别注意。

需要特别指出的是用户不要将SSR的浪涌电流值作为选择负载起动电流的依据。SSR的浪涌电流值是以晶闸管浪涌电流为标准的。它的前提条件是半个（或一个）电源周波。即10或20ms。而前述启动过程，少则几百毫秒、几分钟，多则高达10分钟。这点务必敬请高度注意。

固态继电器组成

固态继电器由三部分组成：输入电路，隔离（耦合）和输出电路。

1、输入电路

按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，可以方便的百度文库 - 让每个人平等地提升自我

2 与TTL/MOS逻辑电路连接。

对于控制电压固定的控制信号，采用阻性输入电路。控制电流保证在大于5mA。对于大的变化范围的控制信号（如3~32V）则采用恒流电路，保证在整个电压变化范围内电流在大于5mA可靠工作。

2、隔离（耦合）

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：光电耦合通常使用光电二极管—光电三极管，光电二极管—双向光控可控硅，光伏电池，实现控制侧与负载侧隔离控制；高频变压器耦合是利用输入的控制信号产生的自激高频信号经耦合到次级，经检波整流，逻辑电路处理形成驱动信号。

3、输出电路

SSR的功率开关直接接入电源与负载端，实现对负载电源的通断切换。主要使用有大功率晶体三极管（开关管-Transistor），单向可控硅（Thyristor或SCR），双向可控硅（Triac），功率场效应管（MOSFET），绝缘栅型双极晶体管（IGBT）。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。按负载类型，可分为直流固态继电器和交流固态继电器。直流输出时可使用双极性器件或功率场效应管，交流输出时通常使用两个可控硅或一个双向可控硅。而交流固态继电器又可分为单相交流固态继电器和三相交流固态继电器。交流固态继电器，按导通与关断的时机，可分为随机型交流固态继电器和过零型交流固态继电器。

4、如何保护SSR

A、过流保护。SSR是半导体功率器件，对温度变化极为敏感，过流会使SSR损坏，通常使用快速熔断器。但要了解它的保护特性，知道其熔断电流与时间的关系，正确选择与SSR标称电流相适应的快熔。

B、加RC吸收回路。加RC回路不但有防止过电压的作用，而且对改善dv/dt（电压变化率）有好处。建议R为20—100Ω，功率为2—5W，C为—,耐压为250—630v. SSR标称电流小R取上限100Ω，C取下限,反之，R取小值，C取大值。

C、过热保护

SSR过热，特性下降，轻则失控重则造成永久性损坏，建议在靠近SSR底板处加装温控开关，温控点在75到80℃.

D、在电感负载中串接电感L。在感应负载里，通常因电流变化率di/dt（电流变化率）高而使SSR损坏。L电感量多大，这要根据体积大小和成本高低而定。

固态继电器工作原理

它是用半导体器件代替传统电接点作为切换装置的具有继电器特性的无触点开关器件，单相SSR为四端有源器件，其中两个输入控制端，两个输出端，输入输出间为光隔离，输入端百度文库 - 让每个人平等地提升自我

3 加上直流或脉冲信号到一定电流值后，输出端就能从断态转变成通态。

交流固态继电器按开关方式分有电压过零导通型（简称过零型）和随机导通型（简称随机型）。

按输出开关元件分有双向可控硅输出型（普通型）和单向可控硅反并联型（增强型）。

按安装方式分有印刷线路板上用的针插式（自然冷却，不必带散热器）和固定在金属底板上的装置式（靠散热器冷却）。

另外输入端又有宽范围输入（DC3~32V）的恒流源型和串电阻限流型等。

SSR固态继电器以触发形式，可分为零压型（Z）和调相型（P）两种。

在输入端施加合适的控制信号IN时，P型SSR立即导通。当IN撤销后，负载电流低于双向可控硅维持电流时（交流换向），SSR关断。Z型SSR内部包括过零检测电路，在施加输入信号IN时，只有当负载电源电压达到过零区时，SSR才能导通，并有可能造成电源半个周期的最大延时。Z型SSR关断条件同P型，但由于负载工作电流近似正弦波，高次谐波干扰小，所以应用广泛。

SSR由于采用输出器件不同，有普通型(S采用双向可控硅元件)和增强型(HS采用单向可控硅元件)之分。当加有感性负载时，在输入信号截止t1之前，双向可控硅导通，电流滞后电源电压90O(纯感时)。t1时刻输入控制信号撤销，双向可控硅在小于维持电流时关断(t2)可控硅将承受电压上升率dv/dt（电压变化率）很高的反向电压。这个电压将通过双向可控硅内部的结电容，正反馈到栅极。如果超过双向可控硅换向dv/dt（电压变化率）指标(典型值10V/s）将引起换向恢复时间长甚至失败。单向可控硅(增强型SSR)由于处在单极性工作状态，此时只受静态电压上升率所限制(典型值200V/s)，因此增强型固态继电器HS系列比普通型SSR的换向dv/dt（电压变化率）指标提高了520倍。由于采用两只大功率单向可控硅反并联,改变了电流分配和导热条件，提高了SSR输出功率。增强型SSR在大功率应用场合，无论是感性负载还是阻性负载耐电压、耐电流冲击及产品的可靠性，均超过普通固态继电器，并达到了进口产品的基本指标，是替代普通固态继电器的更新产品。 百度文库 - 让每个人平等地提升自我

4 如何使用户的驱动电路与SSR的输入特性相匹配

一般来讲，SSR的输入控制电压为—32V。控制电流为5—30mA. 通常1—25A的SSR输入回路不是恒流源电路，输入控制电压为4—16V。控制电流为5—20mA.较大额定电流的SSR输入电路均接有恒流源电路。输入控制电压在—32V均可。在三相电路里，如果用户将三个SSR的输入端串联的话，那么希望提供大于12V的控制电压；如果将三个SSR的输入端并联使用的话，那么驱动电流要保证50mA。单个SSR使用，驱动电流不要设计在4—5mA 的临界状态下至少要大于6mA。

如何配用适当的散热器

除了额定电流1—5A直接安装在印刷线路板上的固态继电器以外，其余都应配置适当的散热器，而且SSR底板与散热器之间要涂上导热硅脂，两者紧密接触，用螺丝拧紧。

下面推荐一些规格SSR所用的散热器，给用户做参考。随着使用条件的不同，用户再

做适当的调整。

序号 类型 适应电流(A) 长度(mm) 宽度(mm) 高度(mm) 备注

1 适用单相固态 20A以下 50 80 50 立式

2 适用单相固态 40A以下 70 125 50 卧式

3 适用单相固态 60A以下 110 125 50 卧式

4 适用单相及工业级固态 80A以下 180 125 50 卧式

5 适用三相固态 30A以下 105 100 80 立式

6 适用三相固态 20A以下 150 88 35 卧式

7 适用三相固态 40A以下 150 100 80 立式

8 适用三相固态 80A以下 260 180 50 卧式

9 适用三相及工业级固态 100A以下 150 125 135 立式

10 适用三相及工业级固态 200A以下 200 125 135 立式

11 适用工业级固态 250A以下 300 125 135 立式

12 适用半导体模块 25-110A 110 125 50 卧式

13 适用半导体模块 25-110A 100 70 80 立式

14 适用三相桥模块 150-300A 150 100 80 立式

15 适用半导体模块 250A 150 125 135 立式

16 适用半导体模块 300-500A 200 125 135 立式

17 适用半导体模块 400-500A 150 141 135 立式

18 适用半导体模块 500-800A 200 125 135 立式

19 适用半导体模块 1000A 200 260 80 立式 百度文库

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5 固态继电器选型方法

1. 在选用小电流规格印刷电路板使用的固态继电器时，因引线端子为高导热材料制成,焊接时应在温度小于250℃、时间小于10S的条件下进行，如考虑周围温度的原因，必要时可考虑降额使用，一般将负载电流控制在额定值的 1/2以内使用。

2. 各种负载浪涌特性对固态继电器SSR的选择

被控负载在接通瞬间会产生很大的浪涌电流，由于热量来不及散发，很可能使SSR内部可控硅损坏,所以用户在选用继电器时应对被控负载的浪涌特性进行分析,然后再选择继电器。使继电器在保证稳态工作前提下能够承受这个浪涌电流，选择时可参考下表各种负载时的降额系数(常温下)。

负载类型 电阻 电热 白炽灯 交流电磁铁 变压器 单相电动机 三相电动机 电力补偿（电容投切）

降额系数 1 ~ ~

如所选用的继电器需在工作较频繁、寿命以及可靠性要求较高的场合工作时，则应在表2的基础上再乘以以确保工作可靠。

一般在选用时遵循上述原则，在低电压要求信号失真小可选用采用场效应管作输出器件的直流固态继器；如对交流阻性负载和多数感性负载，可选用过零型继电器，这样可延长负载和继电器寿命，也可减小自身的射频干扰。如作为相位输出控制时，应选用随机型固态继电器。