固态继电器介绍及工作原理-电子工程世界

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1.什么是固态继电器，有什么优缺点？

固态继电器（亦称固体继电器）英文名称为Solid State Relay，简称SSR。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。

固态继电器工作可靠，寿命长，无噪声，无火花，无电磁干扰，开关速度快，抗干扰能力强，且体积小，耐冲击，耐振荡，防爆、防潮、防腐蚀、能与TTL、DTL、HTL等逻辑电路兼容，以微小的控制信号达到直接驱动大电流负载。主要不足是存在通态压降（需相应散热措施），有断态漏电流，交直流不能通用，触点组数少，另外过电流、过电压及电压上升率、电流上升率等指标差。

2. 固态继电器可应用于哪些场合？

固态继电器目前已广泛应用于计算机外围接口装置，电炉加热恒温系统，数控机械，遥控系统、工业自动化装置；信号灯、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。

3.固态继电器可分为哪些类型？

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。

4.过零型SSR与随机型SSR在用途上有什么区别？

过零型SSR用作“开关”切换（从“开关”切换功能而言即等同于普通的继电器或接触器），我们通常讲的固态继电器多数都为过零型（过零型SSR只能“开关”不能“调压”）。

随机型SSR主要用于“斩波调压”（但随机型SSR的控制信号必须为与电网同步且上升沿可在0°-180°范围内改变的方波信号时才能实现调压，单一电压信号或0-5V的模拟信号并不能使其调压，从“调压”功能的角度讲随机型SSR完全不同于普通的继电器或接触器）。有一点必须强调，各类调压模块或固态继电器内部作为输出触点的器件均为可控硅，且都是依靠改变可控硅导通角来达到“调压”的目的，故输出的电压波形均为“缺角”的正弦波（不同于自耦调压器输出的完整正弦波），因此存在高次谐波，有一定噪音，电网有一定“污染”（国内外同类产品均相同，这是由斩波调压原理决定的）。

固态继电器的分类与工作原理

固态继电器(Solid State Relays,缩写SSR)是一种无触点电子开关，由分立元器件、膜固定电阻网络和芯片，采用混合工艺组装来实现控制回路(输入电路)与负载回路(输出电路)的电隔离及信号耦合，由固态器件实现负载的通断切换功能，内部无任何可动部件。尽管市场上的固态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。

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

　　固态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。

　　固态继电器的输出电路是在触发信号的控制下，实现固态继电器的通断切换。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，各种固态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。
固态继电器原理固态继电器(Solidstate Relay, SSR)是一种由固态电子组件组成的新型无触点开关，利用电子组件（如开关三极管、双向可控硅等半导体组件）的开关特性，达到无触点、无火花、而能接通和断开电路的目的，因此又被称为“无触点开关”。相对于以往的“线圈—簧片触点式”继电器(Electromechanical Relay, EMR)，SSR没有任何可动的机械零件，工作中也没有任何机械动作，具有超越EMR的优势，如反应快、可靠度高、寿命长（SSR的开关次数可达108"109次，比一般EMR的106高出百倍）、无动作噪声、耐震、耐机械冲击、具有良好的防潮防霉防腐特性。这些特点使SSR在军事、化工、和各种工业民用电控设备中均有广泛应用。固态继电器的控制信号所需的功率极低，因此可以用弱信号控制强电流。同时交流型的SSR采用过零触发技术，使SSR可以安全地用在计算机输出接口，不会像EMR那样产生一系列对计算机的干扰，甚至会导致严重当机。比较常用的是DIP封装的型式。控制电压和负载电压按使用场合可以分成交流和直流两大类，因此会有DC-AC、DC-DC、AC-AC、AC-DC四种型式，它们分别在交流或直流电源上做负载的开关，不能混用.
按负载电源的类型不同可将SSR分为交流固态继电器(AC—SSR)和直流固态继电器(DC—SSR)。AC—SSR是以双向晶闸管作为开关器件，用来接通或断开交流负载电源的固态继电器。AC—SSR的控制触发方式不同，又可分为过零触发型和随机导通型两种。过零触发型AC—SSR是当控制信号输入后，在交流电源经过零电压附近时导通，故干扰很小。随机导通型AC—SSR则是在交流电源的任一相位上导通或关断，因此在导通瞬间可能产生较大的干扰。

工作原理

　　过零触发型AC—SSR为四端器件，其内部电路如图1所示。1、2为输入端，3、4为输出端。R0为限流电阻，光耦合器将输入与输出电路在电气上隔离开，V1构成反相器，R4、R5、V2和晶闸管V3组成过零检测电路，UR为双向整流桥，由V3和UR用以获得使双向晶闸管V4开启的双向触发脉冲，R3、R7为分流电阻，分别用来保护V3和V4，R8和C组成浪涌吸收网络，以吸收电源中带有的尖峰电压或浪涌电流，防止对开关电路产生冲击或干扰。

要指出的是所谓“过零”并非真的必须是电源电压波形的零处，而一般是指在10～25V或-(10～25)V区域内进行触发，如图2所示。图中交流电压分三个区域，Ⅰ区为-10V～+10V范围，称为死区，在此区域中加入输入信号时不能使SSR导通。Ⅱ区为10～25V和-(10～25)V范围，称为响应区，在此区域内只要加入输入信号，SSR立即导通。Ⅲ区为幅值大于25V的范围，称为抑制区在此区域内加入输入信号，SSR的导通被抑制。

当输入端未加电压信号时，光耦合器的光敏晶体管因未接收光而截止，V1饱和，V3和V4因无触发电压而截止，此时SSR关闭。当加入输入信号时，光耦合器中的发光二极管发光，光敏晶体管饱和，使V1截止。此时若V3两端电压在-(10～25)V或10～25V范围内时，只要适当选择分压电阻R4和R5，就可使V2截止，这样使V3触发导通，从而使V 4的控制极上得到从R6→UR→V 3→UR→R7或反方向的触发脉冲，而使V4导通，使负载接通交流电源。而若交流电压波形在图2中的Ⅲ区内时，则因V2饱和而抑制V3和V4的导通，而使SSR被抑制，从而实现了过零触发控制。由于10～25V幅值与电源电压幅值相比可近似看作“零”。因此，一般就将过零电压粗略地定义为0～±25V，即认为在此区域内，只要加入输入信号，过零触发型AC—SSR都能导通。
　　当输入端电压信号撤除后，光耦合器中的光敏晶体管截止，V1饱和，V3截止，但此时V4仍保持导通，直到负载电流随电源电压减小到小于双向晶闸管的维持电流时，SSR才转为截止。
　　SSR的输出端器件可分为双向晶闸管和两只单向晶闸管反并联形式。若负载为电动机一类的感性负载，则其静态电压上升率dv/dt是一个重要参数。由于单向晶闸管静态电压上升率(200V/μs)大大高于双向晶闸管的换向指标(10V/μs)，因此若采用两只大功率单向晶闸管反并联代替双向晶闸管，一方面可提高输出功率；另一方面也可提高耐浪涌电流的冲击能力，这种SSR称为增强型SSR。

选型使用时应注意事项

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。

各种负载浪涌特性对SSR的选择,许多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，选择时可参考表2各种负载时的降额系数(常温下)。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0.6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。

使用环境温度的影响，固态继电器的负载能力受环境温度和自身温升的影响较大，在安装使用过程中,应保证其有良好的散热条件，额定工作电流在10A以上的产品应配散热器，100A 以上的产品应配散热器加风扇强冷。在安装时应注意继电器底部与散热器的良好接触，并考虑涂适量导热硅脂以达到最佳散热效果。如继电器长期工作在高温状态下(40℃~80℃)时，用户可根据厂家提供的最大输出电流与环境温度曲线数据，考虑降额使用来保证正常工作。

D 过流、过压保护措施，在继电器使用时，因过流和负载短路会造成SSR内部输出可控硅永久损坏 ,可考虑在控制回路中增加快速熔断器和空气开关予以保护型(选择继电器应选择产品输出保护,内置压敏电阻吸收回路和RC缓冲器,可吸收浪涌电压和提高dv/dt耐量）；也可在继电器输出端并接 RC吸收回路和压敏电阻(MOV)来实现输出保护。选用原则是220V选用500V-600V压敏电阻，380V时可选用800V-900V压敏电阻。

E 继电器输入回路信号，在使用时因输入电压过高或输入电流过大超出其规定的额定参数时,可考虑在输入端串接分压电阻或在输入端口并接分流电阻,以使输入信号不超过其额定参数值。

在具体使用时,控制信号和负载电源要求稳定，波动不应大于10%，否则应采取稳压措施。

在安装使用时应远离电磁干扰,射频干扰源，以防继电器误动失控。

固态继电器开路且负载端有电压时,输出端会有一定的漏电流，在使用或设计时应注意。

固态继电器失效更换时,应尽量选用原型号或技术参数完全相同的产品，以便与原应用线路匹配，保证系统的可靠工作

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