淺析繼電器的選型與應(yīng)用

1 概述

交流固態(tài)繼電器SSR(solid state reley)是一種無(wú)觸點(diǎn)通斷電子開(kāi)關(guān)，它利用電子元件(如開(kāi)關(guān)三極管、雙向可控硅等半導(dǎo)體器件)的開(kāi)關(guān)特性，可達(dá)到無(wú)觸點(diǎn)無(wú)火花地接通和斷開(kāi)電路的目的，為四端有源器件，其中兩個(gè)端子為輸入控制端，另外兩端為輸出受控端。為實(shí)現(xiàn)輸入與輸出之間的電氣隔離，器件中采用了高耐壓的專(zhuān)業(yè)光電耦合器。當(dāng)施加輸入信號(hào)后，其主回路呈導(dǎo)通狀態(tài)，無(wú)信號(hào)時(shí)，呈阻斷狀態(tài)。整個(gè)器件無(wú)可動(dòng)部件及觸點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)相當(dāng)于常用電磁繼電器一樣的功能。其封裝形式也與傳統(tǒng)電磁繼電器基本相同。它問(wèn)世于70年代，由于它的無(wú)觸點(diǎn)工作特性，使其在許多領(lǐng)域的電控及計(jì)算機(jī)控制方面得到日益廣泛的應(yīng)用。

　　由于固態(tài)繼電器是由固體元件組成的無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)元件，所以它較之電磁繼電器具有工作可靠、壽命長(zhǎng)、對(duì)外界干擾小、能與邏輯電路兼容、抗干擾能力強(qiáng)、開(kāi)關(guān)速度快和使用方便等一系列優(yōu)點(diǎn)。因而具有很寬的應(yīng)用領(lǐng)域，有逐步取代傳統(tǒng)電磁繼電器之勢(shì)，并可進(jìn)一步擴(kuò)展到傳統(tǒng)電磁繼電器無(wú)法應(yīng)用的領(lǐng)域。如計(jì)算機(jī)和可編程控制器的輸入輸出接口、計(jì)算機(jī)外圍和終端設(shè)備、機(jī)械控制，過(guò)程控制、遙控及保護(hù)系統(tǒng)等。在一些要求耐振、耐潮、耐腐蝕、防爆等特殊工作環(huán)境中以及要求高可靠的工作場(chǎng)合，SSR都較之傳統(tǒng)的電磁繼電器有無(wú)可比擬的優(yōu)越性。固態(tài)繼電器型號(hào)命名法如圖1所示。

2 固態(tài)繼電器的原理和結(jié)構(gòu)

　　固態(tài)繼電器有三部分組成：輸入電路，隔離(耦合)和輸出電路。按輸入電壓的不同類(lèi)別，輸入電路可分為直流輸入電路、交流輸入電路和交直流輸入電路三種。有些輸入控制電路還具有與TTL/CMOS兼容，正負(fù)邏輯控制和反相等功能。固態(tài)繼電器的輸入與輸出電路的隔離和耦合方式有光電耦合和變壓器耦合兩種。固態(tài)繼電器的輸出電路也可分為直流輸出電路、交流輸出電路和交直流輸出電路等形式。交流輸出時(shí)，通常使用兩個(gè)可控硅或一個(gè)雙向可控硅；直流輸出時(shí)可使用雙極性器件或功率場(chǎng)效應(yīng)管。SSR按使用場(chǎng)合可以分成交流型和直流型兩大類(lèi)，它們分別在交流或直流電源上做負(fù)載的開(kāi)關(guān)，不能混用。

圖1 固態(tài)繼電器型號(hào)命名

　　　　　　　　　　　　　圖2 固態(tài)繼電器工作原理框圖

　　以交流型的SSR為例來(lái)說(shuō)明它的工作原理。圖2是它的工作原理框圖，圖2中的部件1～4構(gòu)成交流SSR的主體，從整體上看，SSR只有兩個(gè)輸入端(A和B)及兩個(gè)輸出端(C和D)，是一種四端器件。工作時(shí)只要在A(yíng)、B上加上一定的控制信號(hào)，就可以控制C、D兩端之間的“通”和“斷”，實(shí)現(xiàn)“開(kāi)關(guān)”的功能，其中耦合電路的功能是為A、B端輸入的控制信號(hào)提供一個(gè)輸入/輸出端之間的通道，但又在電器上斷開(kāi)SSR中輸入端和輸出端之間的(電)聯(lián)系，以防止輸出端對(duì)輸入端的影響。耦合電路用的元件是“光耦合器”，它動(dòng)作靈敏，響應(yīng)速度高，輸入/輸出端間的絕緣(耐壓)等級(jí)高；由于輸入端的負(fù)載是發(fā)光二極管，使SSR的輸入端很容易做到與輸入信號(hào)電平相匹配，在使用時(shí)可直接與計(jì)算機(jī)輸出接口相接，即受“1”與“0”的邏輯電平控制。觸發(fā)電路的功能是產(chǎn)生合乎要求的觸發(fā)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)電路④工作，但由于開(kāi)關(guān)電路在不加特殊控制電路時(shí)，將產(chǎn)生射頻干擾并以高次諧波或尖峰等污染電網(wǎng)，為此特設(shè)“過(guò)零控制電路”。所謂“過(guò)零”是指，當(dāng)加入控制信號(hào)，交流電壓過(guò)零時(shí)，SSR即為通態(tài)；而當(dāng)斷開(kāi)控制信號(hào)后，SSR要等待交流電的正半周與負(fù)半周的交界點(diǎn)(零電位)時(shí)，SSR才為斷態(tài)。這種設(shè)計(jì)能防止高次諧波的干擾和對(duì)電網(wǎng)的污染。吸收電路是為防止從電源中傳來(lái)的尖峰、浪涌(電壓)對(duì)開(kāi)關(guān)器件雙向可控硅管的沖擊和干擾(甚至誤動(dòng)作)而設(shè)計(jì)的，一般是用“R—C”串聯(lián)吸收電路或非線(xiàn)性電阻(壓敏電阻器)。

　　直流型的SSR與交流型的SSR相比，無(wú)過(guò)零控制電路，也不必設(shè)置吸收電路，開(kāi)關(guān)器件一般用大功率開(kāi)關(guān)三極管，其它工作原理相同。不過(guò)，直流型SSR在使用時(shí)應(yīng)注意：

2.1 負(fù)載為感性負(fù)載時(shí)，如直流電磁閥或電磁鐵，應(yīng)在負(fù)載兩端并聯(lián)一只二極管，極性如圖3所示，二極管的電流應(yīng)等于工作電流，電壓應(yīng)大于工作電壓的4倍。

　　　　　　　　　　　　圖3 SSR并聯(lián)二極管圖

2.2 SSR工作時(shí)應(yīng)盡量把它靠近負(fù)載，其輸出引線(xiàn)應(yīng)滿(mǎn)足負(fù)荷電流的需要。

2.3 使用電源屬經(jīng)交流降壓整流所得的，其濾波電解電容應(yīng)足夠大。

　　固態(tài)繼電器(SSR)與機(jī)電繼電器相比，是一種沒(méi)有機(jī)械運(yùn)動(dòng)，不含運(yùn)動(dòng)零件的繼電器，但它具有與機(jī)電繼電器本質(zhì)上相同的功能。SSR是一種全部由固態(tài)電子元件組成的無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)元件，他利用電子元器件的電、磁和光特性來(lái)完成輸入與輸出的可靠隔離，利用大功率三極管、功率場(chǎng)效應(yīng)管、單向可控硅和雙向可控硅等器件的開(kāi)關(guān)特性，來(lái)達(dá)到無(wú)觸點(diǎn)，無(wú)火花地接通和斷開(kāi)被控電路。

3 固態(tài)繼電器的特點(diǎn)

　　SSR成功地實(shí)現(xiàn)了弱信號(hào)(V_sr)對(duì)強(qiáng)電(輸出端負(fù)載電壓)的控制。由于光耦合器的應(yīng)用，使控制信號(hào)所需的功率極低(約十余毫瓦就可正常工作)，而且V_sr所需的工作電平與TTL、HTL、CMOS等常用集成電路兼容，可以實(shí)現(xiàn)直接聯(lián)接。這使SSR在數(shù)控和自控設(shè)備等方面得到廣泛應(yīng)用。在相當(dāng)程度上可取代傳統(tǒng)的“線(xiàn)圈—簧片觸點(diǎn)式”繼電器(簡(jiǎn)稱(chēng)“MER”)。

　　SSR由于是全固態(tài)電子元件組成，與MER相比，它沒(méi)有任何可動(dòng)的機(jī)械部件，工作中也沒(méi)有任何機(jī)械動(dòng)作。SSR由電路的工作狀態(tài)變換實(shí)現(xiàn)“通”和“斷”的開(kāi)關(guān)功能，沒(méi)有電接觸點(diǎn)，所以它有一系列MER不具備的優(yōu)點(diǎn)，即工作高可靠、長(zhǎng)壽命(有資料表明SSR的開(kāi)關(guān)次數(shù)可達(dá)10⁸—10⁹次，比一般MER的10⁶高幾百倍)，無(wú)動(dòng)作噪聲，耐振耐機(jī)械沖擊，安裝位置無(wú)限制，很容易用絕緣防水材料灌封做成全密封形式，而且具有良好的防潮防霉防腐性能，在防爆和防止臭氧污染方面的性能也極佳。這些特點(diǎn)使SSR可在軍事(如飛行器、火炮、艦船、車(chē)載武器系統(tǒng))、化工，井下采煤和各種工業(yè)民用電控設(shè)備的應(yīng)用中大顯身手，具有超越MER的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

　　交流型SSR由于采用過(guò)零觸發(fā)技術(shù)，因而可以使SSR安全地用在計(jì)算機(jī)輸出接口上，不必為在接口上采用MER而產(chǎn)生的一系列對(duì)計(jì)算機(jī)的干擾而煩惱。此外，SSR還有能承受在數(shù)值上可達(dá)額定電流十倍左右的浪涌電流的特點(diǎn)。

3.1 固態(tài)繼電器的優(yōu)點(diǎn)

3.1.1 高壽命，高可靠：SSR沒(méi)有機(jī)械零部件，有固體器件完成觸點(diǎn)功能，由于沒(méi)有運(yùn)動(dòng)的零部件，因此能在高沖擊，振動(dòng)的環(huán)境下工作，由于組成固態(tài)繼電器的元器件的固有特性，決定了固態(tài)繼電器的壽命長(zhǎng)，可靠性高。

3.1.2 靈敏度高，控制功率小，電磁兼容性好：固態(tài)繼電器的輸入電壓范圍較寬，驅(qū)動(dòng)功率低，可與大多數(shù)邏輯集成電路兼容不需加緩沖器或驅(qū)動(dòng)器。

3.1.3 快速轉(zhuǎn)換：固態(tài)繼電器因?yàn)椴捎霉腆w其間，所以切換速度可從幾毫秒至幾微秒。

3.1.4 電磁干擾小：固態(tài)繼電器沒(méi)有輸入“線(xiàn)圈”，沒(méi)有觸點(diǎn)燃弧和回跳，因而減少了電磁干擾。大多數(shù)交流輸出固態(tài)繼電器是一個(gè)零電壓開(kāi)關(guān)，在零電壓處導(dǎo)通，零電流處關(guān)斷，減少了電流波形的突然中斷，從而減少了開(kāi)關(guān)瞬態(tài)效應(yīng)。

3.2 固態(tài)繼電器的缺點(diǎn)

3.2.1 導(dǎo)通后的管壓降大，可控硅或雙向可控硅的正向降壓可達(dá)1～2V，大功率晶體管的飽和壓降在1～2V之間，一般功率場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通電阻也較機(jī)械觸點(diǎn)的接觸電阻大。

3.2.2 半導(dǎo)體器件關(guān)斷后仍可有數(shù)微安至數(shù)毫安的漏電流，因此不能實(shí)現(xiàn)理想的電隔離。

3.2.3 由于管壓降大，導(dǎo)通后的功耗和發(fā)熱量也大，大功率固態(tài)繼電器的體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于同容量的電磁繼電器，成本也較高。

3.2.4 電子元器件的溫度特性和電子線(xiàn)路的抗干擾能力較差，耐輻射能力也較差，如不采取有效措施，則工作可靠性低。

3.2.5 固態(tài)繼電器對(duì)過(guò)載有較大的敏感性，必須用快速熔斷器或RC阻尼電路對(duì)其進(jìn)行過(guò)載保護(hù)。固態(tài)繼電器的負(fù)載與環(huán)境溫度有關(guān)，溫度升高，負(fù)載能力將迅速下降。

4 固態(tài)繼電器的技術(shù)參數(shù)及選用

4.1 固態(tài)繼電器的技術(shù)參數(shù)

4.1.1 輸入電壓范圍：在環(huán)境溫度25℃下，固態(tài)繼電器能夠工作的輸入電壓范圍。

4.1.2 輸入電流：在輸入電壓范圍內(nèi)某一特定電壓對(duì)應(yīng)的輸入電流值。

4.1.3 接通電壓：在輸入端加該電壓或大于該電壓值時(shí)，輸出端確保導(dǎo)通。

4.1.4 關(guān)斷電壓：在輸入端加該電壓或小于該電壓值時(shí)，輸出端確保導(dǎo)通。

4.1.5 反極性電壓：能夠加在繼電器輸入端上，而不應(yīng)起永久性破壞的最大允許反向電壓。

4.1.6 額定輸出電流：環(huán)境25℃時(shí)的最大穩(wěn)態(tài)工作電流。

4.1.7 額定輸出電壓：能夠承受的最大負(fù)載工作電壓。

4.1.8 輸出電壓降：當(dāng)繼電器處于導(dǎo)通時(shí)，在額定輸出電流下測(cè)得的輸出端電壓。

4.1.9 輸出漏電流：當(dāng)繼電器處于關(guān)斷狀態(tài)施加額定輸出電壓時(shí)，流經(jīng)負(fù)載的電流值。

4.1.10 接通時(shí)間：當(dāng)繼電器接通時(shí)，加輸入電壓到接通電壓開(kāi)始至輸出達(dá)到其電壓最終變化的90％為止之間的時(shí)間間隔。

4.1.11 關(guān)斷時(shí)間：當(dāng)繼電器關(guān)斷時(shí)，切除輸入電壓到關(guān)斷電壓開(kāi)始至輸出達(dá)到其電壓最終變化的10％為止之間的時(shí)間間隔。

4.1.12 過(guò)零電壓：對(duì)交流過(guò)零型固態(tài)繼電器，輸入端加入額定電壓，能使繼電器輸出端導(dǎo)通的最大起始電壓。

4.1.13 最大浪涌電壓：繼電器能承受的而不致造成永久性損壞的非重復(fù)浪涌(或過(guò)載)電流。

4.1.14 電器系統(tǒng)峰值：在繼電器工作狀態(tài)繼電器輸出端能夠承受的最大迭加的瞬時(shí)峰值擊穿電壓。

4.1.15 電壓指數(shù)上升率dv/dt：繼電器的輸出元件能夠承受的不使其導(dǎo)通的電壓上升率。

4.1.16 工作溫度：繼電器按規(guī)范安裝或不安裝散熱板時(shí)，其正常工作的環(huán)境溫度范圍。

4.2 固態(tài)繼電器的選用

　　功率固態(tài)繼電器的特性參數(shù)包括輸入和輸出參數(shù)，下面以北京科通繼電器總廠(chǎng)生產(chǎn)的GX—10F繼電器為例，列出輸入、輸出參數(shù)，詳見(jiàn)表1，根據(jù)輸入電壓參數(shù)值大小，可確定工作電壓大小。如采用TTL或CMOS等邏輯電平控制時(shí)，最好采用有足夠帶載能力的低電平驅(qū)動(dòng)，并盡可能使“0”電平低于0.8V。如在噪聲很強(qiáng)的環(huán)境下工作，不能選用通、斷電壓值相差小的產(chǎn)品，必須選用通、斷電壓值相差大的產(chǎn)品(如選接通電壓為8V或12V的產(chǎn)品)，這樣不會(huì)因噪聲干擾而造成控制失靈。輸出參數(shù)的項(xiàng)目較多，現(xiàn)對(duì)主要幾個(gè)參數(shù)說(shuō)明如下：

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4.2.1 額定輸入電壓：指定條件下能承受的穩(wěn)態(tài)阻性負(fù)載的最大允許電壓有效值。如果受控負(fù)載是非穩(wěn)態(tài)或非阻性的，必須考慮所選產(chǎn)品是否能承受工作狀態(tài)或條件變化時(shí)(冷熱轉(zhuǎn)換、靜動(dòng)轉(zhuǎn)換、感應(yīng)電勢(shì)、瞬態(tài)峰值電壓、變化周期等)所產(chǎn)生的最大合成電壓。例如負(fù)載為感性時(shí)，所選額定輸出電壓必須大于兩倍電源電壓值，而且所選產(chǎn)品的阻斷(擊穿)電壓應(yīng)高于負(fù)載電源電壓峰值的兩倍。如在電源電壓為交流220V，一般的小功率非阻性負(fù)載的情況下，建議選用額定電壓為400V～600V的SSR產(chǎn)品；但對(duì)于頻繁起動(dòng)的單相或三相電機(jī)負(fù)載，建議選用額定電壓為660V～800V的SSR產(chǎn)品。

4.2.2 額定輸出電流和浪涌電流：額定輸出電流是指在給定條件下(環(huán)境溫度、額定電壓、功率因數(shù)、有無(wú)散熱器等)所能承受的電流最大的有效值。一般生產(chǎn)廠(chǎng)家都提供熱降額曲線(xiàn)。如周?chē)鷾囟壬仙瑧?yīng)按曲線(xiàn)作降額使用。

　　浪涌電流是指在給定條件下(室溫、額定電壓、額定電流和持續(xù)的時(shí)間等)不會(huì)造成永久性損壞所允許的最大非重復(fù)性峰值電流。交流繼電器的浪涌電流為額定電流的5～10倍(一個(gè)周期)，直流產(chǎn)品為額定電流的1.5～5倍(1s)。在選用時(shí)，如負(fù)載為穩(wěn)態(tài)阻性，SSR可全額或降額10％使用。對(duì)于電加熱器、接觸器等，初始接通瞬間出現(xiàn)的浪涌電流可達(dá)3倍的穩(wěn)態(tài)電流，因此，SSR降額20％～30％使用。對(duì)于白熾燈類(lèi)負(fù)載，SSR應(yīng)按降額50％使用，并且還應(yīng)加上適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)電路。對(duì)于變壓器負(fù)載，所選產(chǎn)品的額定電流必須高于負(fù)載工作電流的兩倍。對(duì)于負(fù)載為感應(yīng)電機(jī)，所選SSR的額定電流值應(yīng)為電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)電流的2～4倍，SSR的浪涌電流值應(yīng)為額定電流的10倍。

　　固態(tài)繼電器對(duì)溫度的敏感性很強(qiáng)，工作溫度超過(guò)標(biāo)稱(chēng)值后，必須降熱或外加散熱器，例如額定電流為10A的JGX—10F產(chǎn)品，不加散熱器時(shí)的允許工作電流只有10A。

4.2.3 輸入特性

　　(1)為了保證固態(tài)繼電器的正常工作，必須考慮輸入條件，通常輸入電壓為階躍函數(shù)，然而，如果輸入電壓是斜坡，就會(huì)出現(xiàn)半周循環(huán)現(xiàn)象，出現(xiàn)這種現(xiàn)象是由于開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體器件在正、反觸發(fā)時(shí)不完全對(duì)稱(chēng)，因此，如果輸入電壓斜坡上升，這種開(kāi)關(guān)在負(fù)載為某一極性時(shí)就可能觸發(fā)，而當(dāng)負(fù)載電壓為反極性時(shí)就可能不觸發(fā)，而出現(xiàn)半周導(dǎo)通現(xiàn)象，這種現(xiàn)象將持續(xù)到輸入量足以使輸出完全導(dǎo)通為止。

(2)輸入端出現(xiàn)的瞬態(tài)，可以使繼電器誤動(dòng)，尤其是當(dāng)繼電器響應(yīng)時(shí)間等于或小于噪聲脈沖持續(xù)時(shí)間時(shí)，繼電器就會(huì)導(dǎo)通，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波有助于減少這種現(xiàn)象。

(3)當(dāng)反極性(反向輸入)電壓適用時(shí)，繼電器輸入端可以承受最大輸入電壓值或其它規(guī)定值的反極性電壓，超過(guò)該值，可能造成SSR的永久性破壞。當(dāng)反極性電壓不適用時(shí)，或繼電器規(guī)定不能反向施加輸入電壓時(shí)，使用時(shí)一定注意，不能使輸入電壓反向。

4.2.4 輸出特性

　　(1)SSR給出的最大額定輸出電流一般指常溫下或常溫到高溫下的最大額定輸出電流而且對(duì)大于10A的繼電器還指帶有規(guī)定散熱器時(shí)的最大額定輸出電流。對(duì)功率SSR，當(dāng)工作溫度上升或不帶散熱器時(shí)，最大輸出電流相應(yīng)下降。對(duì)此，各SSR均給出不帶散熱帶規(guī)定散熱器的輸出電流與環(huán)境溫度的關(guān)系曲線(xiàn)。這曲線(xiàn)又叫熱降額曲線(xiàn)如圖4所示。

　　　　　　　　　　　　　　圖4 某一典型繼電器的熱降額曲線(xiàn)

　　(2)當(dāng)負(fù)載很輕即負(fù)載電阻或阻抗很大時(shí)，接通時(shí)的輸出電流下降，該電流與關(guān)斷狀態(tài)下的漏電流之間的比值下降。對(duì)交流SSR，這時(shí)的漏電流可能會(huì)使接觸器嗡嗡作響，或使電機(jī)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)輸出電流小于最小額定電流時(shí)，SSR的直流失調(diào)電壓和波形失真都會(huì)超過(guò)規(guī)定值，輸出電流過(guò)小，也會(huì)使輸出可控硅不能在規(guī)定的零電壓范圍內(nèi)導(dǎo)通。為了改善這種狀況，可以在負(fù)載兩端并聯(lián)一定的電阻，RC或燈泡。

　　(3)SSR的許多負(fù)載如燈負(fù)載、電動(dòng)機(jī)負(fù)載、感性和容性負(fù)載，在接通時(shí)的過(guò)渡過(guò)程會(huì)形成浪涌電流，由于散熱不及，浪涌電流是使固態(tài)繼電器損壞的最常見(jiàn)的原因。為了適應(yīng)這種情況，SSR根據(jù)其內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)和輸出器件特性，通常均給出了過(guò)負(fù)載(或浪涌電流)參數(shù)建議額定輸出電流(最大值)的倍數(shù)，脈沖(浪涌)持續(xù)時(shí)間，循環(huán)周期和次數(shù)來(lái)表示。一般，直流SSR的過(guò)負(fù)載(浪涌)額定值遠(yuǎn)小于同功率的交流SSR。另外，SSR的性質(zhì)還與接通時(shí)的電流上升率di/dt密切相關(guān)。di/dt超過(guò)某一值會(huì)使SSR的可控硅輸出器件損壞。為避免上述浪涌電流對(duì)SSR的損壞，可不同程度的降額使用SSR，必要時(shí)，可在負(fù)載電路中串聯(lián)電阻，將浪涌電流和可能發(fā)生的短路電流限制在SSR所允許的過(guò)負(fù)載范圍內(nèi)，也可利用快速熔斷的保險(xiǎn)絲來(lái)保護(hù)SSR。

　　(4)對(duì)于SSR，特別對(duì)交流SSR，電壓指數(shù)上升率是一個(gè)重要參數(shù)。這是因?yàn)楫?dāng)SSR關(guān)斷時(shí)，若輸出端電壓上升率超過(guò)SSR規(guī)定的dv/dt，可能使SSR誤接通，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成SSR的損壞，一般SSR規(guī)定的dv/dt為100V/μs，也有的達(dá)200V/μs。交流SSR多在電流過(guò)零時(shí)判斷，對(duì)感性和容性負(fù)載，在電流達(dá)零并關(guān)斷時(shí)，線(xiàn)電壓并不為零。功率因數(shù)cosφ越小，這個(gè)電壓越大，在關(guān)斷時(shí)，這一較大的電壓將以較大的上升率加在SSR的輸出端。另外，SSR關(guān)斷時(shí)，感性負(fù)載上會(huì)產(chǎn)生反電勢(shì)，該反電勢(shì)同電壓一起形成的過(guò)電壓將加在SSR的輸出端。在使用SSR反轉(zhuǎn)電容分相電機(jī)和反接未停轉(zhuǎn)的三相電機(jī)時(shí)，都可能在SSR的輸出端產(chǎn)生二倍于線(xiàn)電壓的過(guò)壓效應(yīng)。dv/dt和過(guò)電壓是使SSR失效的重要模式，因此要認(rèn)真對(duì)待。一般，在可能產(chǎn)生二倍線(xiàn)電壓效應(yīng)的場(chǎng)合應(yīng)選擇最大額定輸出電壓高于二倍線(xiàn)電壓的SSR。在dv/dt和過(guò)電壓嚴(yán)重的線(xiàn)路中，一般也應(yīng)使SSR的最大額定輸出電壓高于二倍線(xiàn)電壓。

　　對(duì)一般的感性負(fù)載，SSR的最大額定輸出電壓也應(yīng)為線(xiàn)電壓的1.5倍。另外，可以在SSR輸出端并聯(lián)RC吸收回路或其它瞬態(tài)抑制回路。

5 固態(tài)繼電器在應(yīng)用中一些問(wèn)題的探討

5.1 基本單元電路

　　如圖5a所示為穩(wěn)定的阻性負(fù)載，為了防止輸入電壓超過(guò)額定值，需設(shè)置一限流電阻Rx；當(dāng)負(fù)載為非穩(wěn)定性負(fù)載或感性負(fù)載時(shí)，在輸出回路中還應(yīng)附加一個(gè)瞬態(tài)抑制電路，如圖5b所示，目的是保護(hù)固態(tài)繼電器。通常措施是在繼電器輸出端加裝RC吸收回路(例如：R＝150Ω，C＝0.5μF或R＝39Ω，C＝0.1μF)，它可以有效的抑制加至繼電器的瞬態(tài)電壓和電壓指數(shù)上升率dv/dt。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，建議用戶(hù)根據(jù)負(fù)載的有關(guān)參數(shù)和環(huán)境條件，認(rèn)真計(jì)算和試驗(yàn)RC回路的選值。另一個(gè)常用的措施是在繼電器輸出端接入具有特定鉗位電壓的電壓控制器件，如雙向穩(wěn)壓二極管或壓敏電阻(MOV)。壓敏電阻電流值應(yīng)按下式計(jì)算：

　　　　　　　　　　　　I_mov=(V_max－V_mov)/Zs

　　其中Zs為負(fù)載阻抗、電源阻抗以及線(xiàn)路阻抗之和，V_max、V_mov分別為最高瞬態(tài)電壓、壓敏電阻的標(biāo)稱(chēng)電壓，對(duì)于常規(guī)的220V和380V的交流電源，推薦的壓敏電阻的標(biāo)稱(chēng)電壓值分別為440～470V和760～810V。

　　在交流感性負(fù)載上并聯(lián)RC電路或電容，也可抑制加至SSR輸出端的瞬態(tài)電壓和電壓指數(shù)上升率。

　　但實(shí)驗(yàn)表明，RC吸收回路，特別是并聯(lián)在SSR輸出端的RC吸收回路，如果和感性負(fù)載組合不當(dāng)，容易導(dǎo)致振蕩，在負(fù)載電源上電或繼電器切換時(shí)，加大繼電器輸出端的瞬變電壓峰值，增大SSR誤導(dǎo)通的可能性，所以，對(duì)具體應(yīng)用電路應(yīng)先進(jìn)行試驗(yàn)，選用合適的RC參數(shù)，甚至有時(shí)不用RC吸收電路更有利。

　　對(duì)于容性負(fù)載引起的浪涌電流可用感性元件抑制，如在電路中引入磁干擾濾波器、扼流圈等，以限制快速上升的峰值電流。

　　另外，如果輸出端電流上升變化率(di/dt)很大，可以在輸出端串聯(lián)一個(gè)具有高磁導(dǎo)率的軟化磁芯的電感器加以控制。

　　　　　　　　　　圖5 SSR連接負(fù)載圖

　　通常SSR均設(shè)計(jì)為“常開(kāi)”狀態(tài)，即無(wú)控制信號(hào)輸入時(shí)，輸出端是開(kāi)路的，但在自動(dòng)化控制設(shè)備中經(jīng)常需要“常閉”式的SSR，這時(shí)可在輸入端外接一組簡(jiǎn)單的電路，如圖5c所示，這時(shí)即為常閉式SSR。

5.2 多功能控制電路

　　圖6a為多組輸出電路，當(dāng)輸入為“0”時(shí)，三極管BG截止，SSR1、SSR2、SSR3的輸入端無(wú)輸入電壓，各自的輸出端斷開(kāi)；當(dāng)輸入為“1”時(shí)，三極管BG導(dǎo)通，SSR1、SSR2、SSR3的輸入端有輸入電壓，各自的輸出端接通，因而達(dá)到了由一個(gè)輸入端口控制多個(gè)輸出端“通”、“斷”的目的。

　　圖6b為單刀雙擲控制電路，當(dāng)輸入為“0”時(shí)，三極管BG截止，SSR1輸入端無(wú)輸入電壓，輸出端斷開(kāi)，此時(shí)A點(diǎn)電壓加到SSR2的輸入端上(U_A—U_DW應(yīng)使SSR2輸出端可靠接通)，SSR2的輸出端接通；當(dāng)輸入為“1”時(shí)，三極管BG導(dǎo)通，SSR1輸入端有輸入電壓，輸出端接通，此時(shí)A點(diǎn)雖有電壓，但U_A—U_DW的電壓值已不能使SSR2的輸出端接通而處于斷開(kāi)狀態(tài)，因而達(dá)到了“單刀雙擲控制電路”的功能(注意：選擇穩(wěn)壓二極管DW的穩(wěn)壓值時(shí)，應(yīng)保證在導(dǎo)通的SSR1“+”端的電壓不會(huì)使SSR2導(dǎo)通，同時(shí)又要兼顧到SSR1截止時(shí)期“+”端的電壓能使SSR2導(dǎo)通)。

　　　　　　　　　　　　　　　圖6 SSR輸出電路

5.3 用計(jì)算機(jī)控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)的接口及驅(qū)動(dòng)電路

　　圖7為計(jì)算機(jī)控制單相交流電機(jī)正反轉(zhuǎn)的接口及驅(qū)動(dòng)電路，在換向控制時(shí)，正反轉(zhuǎn)之間的停滯時(shí)間應(yīng)大于交流電源的1.5個(gè)周期(用一個(gè)“下降沿延時(shí)”電路來(lái)完成)，以免換向太快而造成線(xiàn)間短路。電路中繼電器要選用阻斷電壓高于600V和額定電壓為380V以上的交流固態(tài)繼電器。

　　為了限制電機(jī)換向時(shí)電容器的放電電流，應(yīng)在各回路中外加一只限流電阻Rx，其阻值和功率可按下式計(jì)算：

　　　　　　　　　　　R_x＝0.2×V_p/I_R(Ω)，P＝I_m²R_x

　　其中：V_p—電源峰值電壓(V)；I_R—固態(tài)繼電器額定電流(A)；I_m—電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)電流(A)；P—限流電阻功率(W)。

　　　　　　　　　　　　　圖7 計(jì)算機(jī)控制單相交流電機(jī)正反轉(zhuǎn)的接口及驅(qū)動(dòng)電路

　　圖8為計(jì)算機(jī)控制三相交流電機(jī)正反轉(zhuǎn)的接口及驅(qū)動(dòng)電路，圖中采用了4個(gè)與非門(mén)，用二個(gè)信號(hào)通道分別控制電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、停止和正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)。當(dāng)改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向時(shí)，給出指令信號(hào)的順序應(yīng)是“停止—反轉(zhuǎn)—起動(dòng)”或“停止—正轉(zhuǎn)—起動(dòng)”。延時(shí)電路的最小延時(shí)不小于1.5個(gè)交流電源周期。其中RD1、RD2、RD3為熔斷器。當(dāng)電機(jī)允許時(shí)，可以在R1—R4位置接入限流電阻，以防止當(dāng)兩線(xiàn)間的任意二只繼電器均誤接通時(shí)，限制產(chǎn)生的半周線(xiàn)間短路電流不超過(guò)繼電器所能承受的浪涌電流，從而避免燒毀繼電器等事故，確保安全性；但副作用是正常工作時(shí)電阻上將產(chǎn)生壓降和功耗。該電路建議采用額定電壓為660V或更高一點(diǎn)的SSR產(chǎn)品。

　　　　　　　　　　圖8 計(jì)算機(jī)控制三相交流電機(jī)正反轉(zhuǎn)的接口及驅(qū)動(dòng)電路

5.4 SSR應(yīng)用電路

　　用于單電源移相觸發(fā)電路的隨機(jī)型SSR調(diào)壓電路如圖9所示，圖10為直流SSR控制電路。利用圖11所示的分相電機(jī)制動(dòng)控制電路可以對(duì)小功率電機(jī)(小于1馬力)進(jìn)行快停與起動(dòng)控制，其中SSR的負(fù)載電壓額定值應(yīng)是電網(wǎng)電壓的2倍。

　　對(duì)于1/8馬力電機(jī)，圖11中的R1應(yīng)為10Ω,(2W)、R2為250Ω(25W)，C1為10μF(300V)、C2為3.75μF(330V)。

　　利用SSR還可以組成很多電路，如三相負(fù)載控制電路、三相感應(yīng)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制電路等。

6 結(jié)束語(yǔ)

　　由前述可以看到SSR的性能與電磁式繼電器相比有著很多的優(yōu)越性，特別易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的編程控制，因此使得控制的實(shí)現(xiàn)更加方便、靈活。但它也存在一些弱點(diǎn)，如：導(dǎo)通電阻(幾Ω～幾十Ω)、通態(tài)壓降(小于2V)、斷態(tài)漏電流(5～10mA)等的存在，易發(fā)熱損壞；截止時(shí)存在漏電阻，不能使電路完全分開(kāi)；易受溫度和輻射的影響，穩(wěn)定性差；靈敏度高，易產(chǎn)生誤動(dòng)作，在需要聯(lián)鎖、互鎖的控制電路中，保護(hù)電路的增設(shè)，使得成本上升、體積增大。因此，對(duì)于SSR具有的獨(dú)特性能，必須正確的理解和謹(jǐn)慎使用，方能發(fā)揮其獨(dú)特的性能，并確保SSR無(wú)故障的工作。

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