1 固態繼電器的分類與工作原理

　　固態繼電器(Solid State Relays,縮寫(xie) SSR)是一種無觸點電子開關(guan) ，由分立元器件、膜固定電阻網絡和芯片，采用混合工藝組裝來實現控製回路(輸入電路)與(yu) 負載回路(輸出電路)的電隔離及信號耦合，由固態器件實現負載的通斷切換功能，內(nei) 部無任何可動部件。盡管市場上的固態繼電器型號規格繁多，但它們(men) 的工作原理基本上是相似的。主要由輸入(控製)電路，驅動電路和輸出(負載)電路三部分組成。

　　固態繼電器的輸入電路是為(wei) 輸入控製信號提供一個(ge) 回路，使之成為(wei) 固態繼電器的觸發信號源。固態繼電器的輸入電路多為(wei) 直流輸入，個(ge) 別的為(wei) 交流輸入。直流輸入電路又分為(wei) 阻性輸入和恒流輸入。阻性輸入電路的輸入控製電流隨輸入電壓呈線性的正向變化。恒流輸入電路，在輸入電壓達到一定值時，電流不再隨電壓的升高而明顯增大，這種繼電器可適用於(yu) 相當寬的輸入電壓範圍。

　　固態繼電器的驅動電路可以包括隔離耦合電路、功能電路和觸發電路三部分。隔離耦合電路，目前多采用光電耦合器和高頻變壓器兩(liang) 種電路形式。常用的光電耦合器有光-三極管、光-雙向可控矽、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，通過變壓器磁芯將高頻信號傳(chuan) 遞到變壓器次級。功能電路可包括檢波整流、過零、加速、保護、顯示等各種功能電路。觸發電路的作用是給輸出器件提供觸發信號。

　　固態繼電器的輸出電路是在觸發信號的控製下，實現固態繼電器的通斷切換。輸出電路主要由輸出器件(芯片)和起瞬態抑製作用的吸收回路組成，有時還包括反饋電路。目前，各種固態繼電器使用的輸出器件主要有晶體(ti) 三極管(Transistor)、單向可控矽(Thyristor或SCR)、雙向可控矽(Triac)、MOS場效應管(MOSFET)、絕緣柵型雙極晶體(ti) 管(IGBT)等。

　　固態繼電器原理 固態繼電器(Solidstate Relay, SSR)是一種由固態電子組件組成的新型無觸點開關(guan) ，利用電子組件(如開關(guan) 三極管、雙向可控矽等半導體(ti) 組件)的開關(guan) 特性，達到無觸點、無火花、而能接通和斷開電路的目的，因此又被稱為(wei) “無觸點開關(guan) ”。相對於(yu) 以往的“線圈—簧片觸點式”繼電器(Electromechanical Relay, EMR)，SSR沒有任何可動的機械零件，工作中也沒有任何機械動作，具有超越EMR的優(you) 勢，如反應快、可靠度高、壽命長(SSR的開關(guan) 次數可達108"109次，比一般EMR的106高出百倍)、無動作噪聲、耐震、耐機械衝(chong) 擊、具有良好的防潮防黴防腐特性。這些特點使SSR在軍(jun) 事、化工、和各種工業(ye) 民用電控設備中均有廣泛應用。固態繼電器的控製信號所需的功率極低，因此可以用弱信號控製強電流。同時交流型的SSR采用過零觸發技術，使SSR可以安全地用在計算機輸出接口，不會(hui) 像EMR那樣產(chan) 生一係列對計算機的幹擾，甚至會(hui) 導致嚴(yan) 重當機。比較常用的是DIP封裝的型式。控製電壓和負載電壓按使用場合可以分成交流和直流兩(liang) 大類，因此會(hui) 有DC-AC、DC-DC、AC-AC、AC-DC四種型式，它們(men) 分別在交流或直流電源上做負載的開關(guan) ，不能混用.

　　按負載電源的類型不同可將SSR分為(wei) 交流固態繼電器(AC—SSR)和直流固態繼電器(DC—SSR)。AC—SSR是以雙向晶閘管作為(wei) 開關(guan) 器件，用來接通或斷開交流負載電源的固態繼電器。AC—SSR的控製觸發方式不同，又可分為(wei) 過零觸發型和隨機導通型兩(liang) 種。過零觸發型AC—SSR是當控製信號輸入後，在交流電源經過零電壓附近時導通，故幹擾很小。隨機導通型AC—SSR則是在交流電源的任一相位上導通或關(guan) 斷，因此在導通瞬間可能產(chan) 生較大的幹擾。

　　1.2 工作原理

　　過零觸發型AC—SSR為(wei) 四端器件，其內(nei) 部電路如圖1所示。1、2為(wei) 輸入端，3、4為(wei) 輸出端。R0為(wei) 限流電阻，光耦合器將輸入與(yu) 輸出電路在電氣上隔離開，V1構成反相器，R4、R5、V2和晶閘管V3組成過零檢測電路，UR為(wei) 雙向整流橋，由V3和UR用以獲得使雙向晶閘管V4開啟的雙向觸發脈衝(chong) ，R3、R7為(wei) 分流電阻，分別用來保護V3和V4，R8和C組成浪湧吸收網絡，以吸收電源中帶有的尖峰電壓或浪湧電流，防止對開關(guan) 電路產(chan) 生衝(chong) 擊或幹擾。

　　要指出的是所謂“過零”並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(nei) 進行觸發，如圖2所示。圖中交流電壓分三個(ge) 區域，Ⅰ區為(wei) -10V～+10V範圍，稱為(wei) 死區，在此區域中加入輸入信號時不能使SSR導通。Ⅱ區為(wei) 10～25V和-(10～25)V範圍，稱為(wei) 響應區，在此區域內(nei) 隻要加入輸入信號，SSR立即導通。Ⅲ區為(wei) 幅值大於(yu) 25V的範圍，稱為(wei) 抑製區在此區域內(nei) 加入輸入信號，SSR的導通被抑製。

　　當輸入端未加電壓信號時，光耦合器的光敏晶體(ti) 管因未接收光而截止，V1飽和，V3和V4因無觸發電壓而截止，此時SSR關(guan) 閉。當加入輸入信號時，光耦合器中的發光二極管發光，光敏晶體(ti) 管飽和，使V1截止。此時若V3兩(liang) 端電壓在-(10～25)V或10～25V範圍內(nei) 時，隻要適當選擇分壓電阻R4和R5，就可使V2截止，這樣使V3觸發導通，從(cong) 而使V 4的控製極上得到從(cong) R6→UR→V 3→UR→R7或反方向的觸發脈衝(chong) ，而使V4導通，使負載接通交流電源。而若交流電壓波形在圖2中的Ⅲ區內(nei) 時，則因V2飽和而抑製V3和V4的導通，而使SSR被抑製，從(cong) 而實現了過零觸發控製。由於(yu) 10～25V幅值與(yu) 電源電壓幅值相比可近似看作“零”。因此，一般就將過零電壓粗略地定義(yi) 為(wei) 0～±25V，即認為(wei) 在此區域內(nei) ，隻要加入輸入信號，過零觸發型AC—SSR都能導通。

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

　　SSR的輸出端器件可分為(wei) 雙向晶閘管和兩(liang) 隻單向晶閘管反並聯形式。若負載為(wei) 電動機一類的感性負載，則其靜態電壓上升率dv/dt是一個(ge) 重要參數。由於(yu) 單向晶閘管靜態電壓上升率(200V/μs)大大高於(yu) 雙向晶閘管的換向指標(10V/μs)，因此若采用兩(liang) 隻大功率單向晶閘管反並聯代替雙向晶閘管，一方麵可提高輸出功率;另一方麵也可提高耐浪湧電流的衝(chong) 擊能力，這種SSR稱為(wei) 增強型SSR。

2.選型使用時應注意事項

　　2.1在選用小電流規格印刷電路板使用的固態繼電器時，因引線端子為(wei) 高導熱材料製成,焊接時應在溫度小於(yu) 250℃、時間小於(yu) 10S的條件下進行，如考慮周圍溫度的原因，必要時可考慮降額使用，一般將負載電流控製在額定值的 1/2以內(nei) 使用。

　　2.2各種負載浪湧特性對SSR的選擇

　　許多被控負載在接通瞬間會(hui) 產(chan) 生很大的浪湧電流，由於(yu) 熱量來不及散發，很可能使SSR內(nei) 部可控矽損壞,所以用戶在選用繼電器時應對被控負載的浪湧特性進行分析,然後再選擇繼電器。使繼電器在保證穩態工作前提下能夠承受這個(ge) 浪湧電流，選擇時可參考表2各種負載時的降額係數(常溫下)。

　　如所選用的繼電器需在工作較頻繁、壽命以及可靠性要求較高的場合工作時，則應在表2的基礎上再乘以0.6以確保工作可靠。

　　一般在選用時遵循上述原則，在低電壓要求信號失真小可選用采用場效應管作輸出器件的直流固態繼器;如對交流阻性負載和多數感性負載，可選用過零型繼電器，這樣可延長負載和繼電器壽命，也可減小自身的射頻幹擾。如作為(wei) 相位輸出控製時，應選用隨機型固態繼電器。

　　2.3 使用環境溫度的影響

　　固態繼電器的負載能力受環境溫度和自身溫升的影響較大，在安裝使用過程中,應保證其有良好的散熱條件，額定工作電流在10A以上的產(chan) 品應配散熱器，100A 以上的產(chan) 品應配散熱器加風扇強冷 。在安裝時應注意繼電器底部與(yu) 散熱器的良好接觸 ，並考慮塗適量導熱矽脂以達到最佳散熱效果。

　　如繼電器長期工作在高溫狀態下(40℃~80℃)時，用戶可根據廠家提供的最大輸出電流與(yu) 環境溫度曲線數據，考慮降額使用來保證正常工作。

　　2.4 過流、過壓保護措施

　　在繼電器使用時，因過流和負載短路會(hui) 造成SSR內(nei) 部輸出可控矽永久損壞 ,可考慮在控製回路中增加快速熔斷器和空氣開關(guan) 予以保護型(選擇繼電器應選擇產(chan) 品輸出保護,內(nei) 置壓敏電阻吸收回路和RC緩衝(chong) 器,可吸收浪湧電壓和提高dv/dt耐量);也可在繼電器輸出端並接 RC吸收回路和壓敏電阻(MOV)來實現輸出保護。選用原則是220V選用500V-600V壓敏電阻，380V時可選用800V-900V壓敏電阻。

　　2.5 繼電器輸入回路信號

　　在使用時因輸入電壓過高或輸入電流過大超出其規定的額定參數時,可考慮在輸入端串接分壓電阻或在輸入端口並接分流電阻,以使輸入信號不超過其額定參數值。

　　2.6 在具體(ti) 使用時,控製信號和負載電源要求穩定，波動不應大於(yu) 10%，否則應采取穩壓措施。

　　2.7 在安裝使用時應遠離電磁幹擾,射頻幹擾源，以防繼電器誤動失控。

　　2.8 固態繼電器開路且負載端有電壓時,輸出端會(hui) 有一定的漏電流，在使用或設計時應注意。

　　2.9 固態繼電器失效更換時,應盡量選用原型號或技術參數完全相同的產(chan) 品，以便與(yu) 原應用線路匹配，保證係統的可靠工作。