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固态继电器(SSR)的定义

(2011-08-18 16:20:30)
标签:

霍尔

日本

黑体

双向可控硅

光电耦合器

杂谈

分类: 开关,继电器

■固态继电器(SSR)的定义
●SSR和有接点继电器的不同
所谓SSR, 是固态继电器(Solid State Relay)的简称,是无可动接点部分的继电器(无接点继电器)。在动作上与有接点继电器相同,但是该继电器使用半导体闸流管、晶闸管开关元件、二极管、晶体管等半导体开关元件。另外也使用名为光电耦合器的光半导体,使其输入输出绝缘。光电耦合器的特点是用光的信号在绝缘空间中进行传送,所以绝缘性更好, 传送速度也更快。
SSR是用无接点的电子零件制造的, 比有接点的有很多优点。其中最大的优点是, 不会像有接点继电器一样因开关而损耗接点。
特别是:
●可以对应高速、高频率开关 ●没有接触不良 ●发生干扰小 ●没有动作音等, 适用于广泛的领域。

固态继电器(SSR)的构成
固态继电器(SSR)的构成

固态继电器(SSR) (交流负载开关的代表示例)
固态继电器(SSR) (交流负载开关的代表示例)

电磁继电器 (EMR:Electro Magnetic Relay)
向线圈施加输入电压, 使其发生电磁力, 移动可动铁片,从而切换接点。不仅可在控制柜上使用,还可用于其他范围。而且原理简单可低成本加工。
电磁继电器(EMR:Electro Magnetic Relay)

●SSR的控制(ON/OFF控制、循环控制、相位控制)
ON/OFF控制接受温控器的电压输出信号,通过开关SSR来控制加热器的ON/OFF。在电磁继电器中也可进行相同的控制,但是以数秒间隔控制ON/OFF,使用数年时需要SSR。
循环控制(G32A-EA) 以0.2秒(固定) 为控制周期。其方式是使其在0.2秒内ON/OFF, 从而控制输出电力。
接受温控器的电流输出4~20mA来控制

循环控制中的注意点
进行循环控制时, 每秒钟接通电源5次(控制周期为 0.2S)。
由于变压器负载中的接通电流非常大(通常电流的10倍左右)
(1)SSR的额定没有余量导致SSR的破坏。
(2)负载电路上的断路器发生触发。
可能出现以上情况。因此, 循环控制中不能进行变压器一次侧的电力控制。

相位控制接受温控器的电流输出4~20mA的信号,使输出量每半循环发生变化。可进行高精度的温度控制,多用于半导体制造装置中。

 
   

SSR的控制(ON/OFF控制、循环控制、相位控制)

●MOS FET继电器的构成和动作原理
MOS FET继电器是在输出元件中使用功率MOS FET的SSR。为使功率MOS FET动作,光电二极管阵列作为受光元件使用。输入端子中有电流流过时, LED会发光。这个光使光电二极管阵列中发生光电流,这使栅极电压使功率MOS FET置于ON。用源共通连接2个功率MOS FET, 可控制AC负载。DC专用的类型中有带1个电源 MOS FET的类型。


信号用MOS FET继电器G3VM不含变阻器。
●MOS FET继电器的名称
该商品为新型商品, 在各个公司有各种名称、商标。下表表示信号用(相当于G3VM) 的示例。

厂商名 样本上的名称
东芝 光继电器
松下电工 Photo MOS继电器
日本电气 光MOSFET继电器
冲电气 光MOS开关
冲田制作所 Photo DMOS-FET继电器
HP Solid State Relay
欧姆龙 MOS FET继电器


■SSR的内部电路构成例

负载规格 过零触发功能 绝缘方式 电路构成 型号
交流负载用 有 *1 光电耦合器 光电耦合器 G3H
G3B
G3F
G3NA(AC输入)
光电三端双向可控硅开关 光电三端双向可控硅开关 G3NE
G3J
G3F
G3H
G3TA-OA
有 *1 光电三端双向可控硅开关 光电三端双向可控硅开关 G3PA-VD
G3PB(单相)
G3NA(DC输入)
G3NE
有 *1 光电三端双向可控硅开关 光电三端双向可控硅开关 G3PB-2(N)(三相) *2
有 *1 光电三端双向可控硅开关 光电三端双向可控硅开关 G3PB-3(N)(三相) *2
有 *1 光电耦合器 光电耦合器 G3NA-4□□B型
G3NH
G3PA-4□□B型
G3PB- 5□□B型
直流负载用 —— 光电耦合器 光电耦合器 G3FD、 G3HD
G3BD
G3TA-OD
G3NA-D
交流·直流
负载用
光电·霍尔·耦合器 光电·霍尔·耦合器 G3FM
*1. 过零触发功能
具有过零触发功能的SSR在交流负载电压为零或接近零时动作。
具有过零触发功能的SSR有以下效果。
·减小负载接通时的爆裂噪声。
·在灯、加热器、马达等的负载中由于抑制了接通电流,可以减轻对电源的影响,还可以减小接通电流保护电路。
*2. 200V型的输出开关元件上使用了晶闸管。

 

 

 

固态继电器的技术参数及选用
一、固态继电器的技术参数1、输入电压范围:在环境温度25'c下,固态继电器能够工作的输入电压范围。2、输入电流:在输入电压范围内某一特定电压对应的输入电流值。3、接通电压:在输入端加该电压或大于该电压值时,输出端确保导通。4、关断电压:在输入端加该电压或小于该电压值时,输出端确保导通。5、反极性电压:能够加在继电器输入端上,而不应起永久性破坏的最大允许反向电压。6、额定输出电流:环境25'C时的最大稳态工作电流。7、额定输出电压:能够承受的最大负载工作电压。8、输出电压降:当继电器处于导通时,在额定输出电流下测得的输出端电压。9、输出漏电流:当继电器处于关断状态施加额定输出电压时,流经负载的电流值。10、接通时间:当继电器接通时,加输入电压到接通电压开始至输出达到其电压最终变化的90%为止之间的时间间隔。11、关断时间:当继电器关断时,切除输入电压到关断电压开始至输出达到其电压最终变化的10%为止之间的时间间隔。12、过零电压:对交流过零型固态继电器,输入端加入额定电压,能使继电器输出端导通的最大起始电压。13、最大浪涌电压:继电器能承受的而不致造成永久性损坏的非重复浪涌(或过载)电流。14、电器系统峰值:在继电器工作状态继电器输出端能够承受的最大迭加的瞬时峰值击穿电压。15、电压指数上升率dv/dt:继电器的输出元件能够承受的不使其导通的电压上升率。16、工作温度:继电器安规范安装或不安装散热板时,其正常工作的环境温度范围。二、固态继电器的选用1、输入特性(1)为了保证固态继电器的正常工作,必须考虑输入条件,通常输入电压为阶跃函数,然而,如果输入电压是斜坡,就会出现半周循环现象,出现这种现象是由于开关半导体器件在正,反触发时不完全对称,因此,如果输入电压斜坡上升,这种开关在负载为某一极性时就可能处罚,而当负载电压为反极性时就可能不处罚,而出现半周导通现象,这种现象将持续到输入量足以使输出完全导通为止。 (2)输入端出现的瞬态,可以使继电器误动,尤其是当继电器响应时间等于或小于噪声脉冲持续时间时,继电器就会导通,对输入信号进行滤波有助于减少这种现象。(3)当反极性(反向输入)电压适用时,继电器输入端可以承受最大输入电压值或其它规定值的反极性电压,超过该值,可能造成SSR的永久性破坏,当反极性电压不适用时,或继电器规定不能反向施加输入电压时,使用时一定注意,不能使输入电压反向。2 输出特性(1)SSR给出的最大额定输出电流一般指常温下或常温到高温下的最大额定输出电流而且对大于10A的继电器还指带有规定散热器时的最大额定输出电流。对功率SSR,当工作温度上升或不带散热器时,最大输出电流相应下降。对此,各SSR均给出不带散热带规定散热器的输出电流与环境温度的关系曲线。这曲线又叫热降额曲线。

 

 

图1为某一典型继电器的热降额曲线。

(2)当负载很轻即负载电阻或阻抗很大时,接通时的输出电流下降,该电流与关断状态下的漏电流之间的比值下降。对交流SSR,这时的漏电流可能会使接触器嗡嗡作响,或使电机继续运转;当输出电流小于最小额定电流时,SSR的直流失调电压和波形失真都会超过规定值,输出电流过小,也会使输出可控硅不能在规定的零电压范围内导通。为了改善这种状况,可以在负载两端并联一定的电阻,RC或灯泡。(3)SSR的许多负载如灯负载,电动机负载,感性和容性负载,在接通时的过渡过程会形成浪涌电流,由于散热不及,浪涌电流是使固态继电器损坏的最常见的原因。为了适应这种情况,SSR根据其内部电路结构和输出器件特性,一般均给出了过负载(或浪涌电流)参数倡议额定输出电流(最大值)的倍数,脉冲(浪涌)持续时间,循环周期和次数来表示。一般,直流SSR的过负载(浪涌)额定值远小于同功率的交流SSR。另外,SSR的性质还与接通时的电流上升率di/dt密切相关。di/dt超过某一值会使SSR的可控硅输出器件损坏。为避免上述浪涌电流对SSR的损坏,可不同程度的降额使用SSR,必要时,可在负载电路中串联电阻,将浪涌电流和可能发生的短路电流限制在SSR所允许的过负载范围内,也可利用快速熔断的保险丝来保护SSR。(4)对于SSR,特别对交流SSR,电压指数上升率是一个重要参数。这是因为当SSR关断时,若输出端电压上升率超过SSR规定的dv/dt,可能使SSR误接通,严重时会造成SSR的损坏一般SSR规定的dv/dt为100v/us,也有的达200v/us。交流SSR多在电流过零时判断,对感性和容性负载,在电流达零并关断时,线电压并不为零。功率因数cosψ越小,这个电压越大,在关断时,这一较大的电压将以较大的上升率加在SSR的输出端。另外,SSR关断时,感性负载上会产生反电势,该反电势同电压一起形成的过电压将加在SSR的输出端。在使用SSR反转电容分相电机和反接未停转的三相电机时,都可能在SSR的输出端产生二倍于线电压的过压效应。dv/dt和过电压是使SSR失效的重要模式,因此要认真对待。一般,在可能产生二倍线电压效应的场合应选择最大额定输出电压高于二倍线电压的SSR。 在dv/dt和过电压严重的线路中,一般也应使SSR的最大额定输出电压高于二倍线电压。对一般的感性负载,SSR的最大额定输出电压也应为线电压的1。5倍。另外,可以在SSR输出端并联RC吸收回路或其它瞬态抑制回路

 

固态继电器及其在应用中一些问题的探讨

固态继电器(SOLIDSTATE RELAYS),简写成“SSR”,是一种全部由固态电子元件组成的新型无触点开关器件,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,因此又被称为“无触点开关”,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。 一、固态继电器的原理及结构 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。 下面以交流型的SSR为例来说明它的工作原理,图1是它的工作原理框图,图1中的部件①-④构成交流SSR的主体,从整体上看,SSR只有两个输入端(A和B)及两个输出端(C和D),是一种四端器件。

 

图1

工作时只要在A、B上加上一定的控制信号,就可以控制C、D两端之间的“通”和“断”,实现“开关”的功能,其中耦合电路的功能是为A、B端输入的控制信 号提供一个输入/输出端之间的通道,但又在电气上断开SSR中输入端和输出端之间的(电)联系, 以防止输出端对输入端的影响,耦合电路用的元件是“光耦合器”,它动作灵敏、响应速度高、输入/输出端间的绝缘(耐压)等级高;由于输入端的负载是发光二 极管,这使SSR的输入端很容易做到与输入信号电平相匹配,在使用可直接与计算机输出接口相接,即受“1”与“0”的逻辑电平控制。触发电路的功能是产生 合乎要求的触发信号,驱动开关电路④工作,但由于开关电路在不加特殊控制电路时,将产生射频干扰并以高次谐波或尖峰等污染电网,为此特设“过零控制电路 ”。所谓“过零”是指,当加入控制信号,交流电压过零时,SSR即为通态;而当断开控制信号后,SSR要等待交流电的正半周与负半周的交界点(零电位) 时,SSR才为断态。这种设计能防止高次谐波的干扰和对电网的污染。吸收电路是为防止从电源中传来的尖峰、浪涌(电压)对开关器件双向可控硅管的冲击和干 扰(甚至误动作)而设计的,一般是用“R-C”串联吸收电路或非线性电阻(压敏电阻器)。图2是一种典型的交流型SSR的电原理图。

 

图2

直流型的SSR与交流型的SSR相比,无过零控制电路,也不必设置吸收电路,开关器件一般用大功率开关三极管,其它工作原理相同。不过,直流型SSR在使 用时应注意:①负载为感性负载时,如直流电磁阀或电磁铁,应在负载两端并联一只二极管,极性如图3所示,二极管的电流应等于工作电流,电压应大于工作电压 的4倍。②SSR工作时应尽量把它靠近负载,其输出引线应满足负荷电流的需要。③使用电源属经交流降压整流所得的,其滤波电解电容应足够大。

 

图3

图4 给出了几种国内、外常见的SSR的外形。

 

图4

二、固态继电器的特点 SSR成功地实现了弱信号(Vsr)对强电(输出端负载电压)的控制。由于光耦合器的应用,使控制信号所需的功率极低(约十余毫瓦就可正常工作),而且 Vsr所需的工作电平与TTL、HTL、CMOS等常用集成电路兼容,可以实现直接联接。这使SSR在数控和自控设备等方面得到广泛应用。在相当程度上可 取代传统的“线圈—簧片触点式”继电器(简称“MER”)。 SSR由于是全固态电子元件组成,与MER相比,它没有任何可动的机械部件,工作中也没有任何机械动作;SSR由电路的工作状态变换实现“通”和“断”的 开关功能,没有电接触点,所以它有一系列MER不具备的优点,即工作高可靠、长寿命(有资料表明SSR的开关次数可达108-109次,比一般MER的 106高几百倍);无动作噪声;耐振耐机械冲击;安装位置无限制;很容易用绝缘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极佳。这些特点使SSR可在军事(如飞行器、火炮、舰船、车载武器系统)、化工、井下采煤和各种工业民用电控设备的应用中大显身 手,具有超越MER的技术优势。 交流型SSR由于采用过零触发技术,因而可以使SSR安全地用在计算机输出接口上,不必为在接口上采用MER而产生的一系列对计算机的干扰而烦恼。 此外,SSR还有能承受在数值上可达额定电流十倍左右的浪涌电流的特点。
 
三、主要参数与选用 功率固态继电器的特性参数包括输入和输出参数,下面以北京科通继电器总厂生产的GX-10F继电器为例,列出输入、输出参数,详见表1,根据输入电压参数 值大小,可确定工作电压大小。如采用TTL或CMOS等逻辑电平控制时,最好采用有足够带载能力的低电平驱动,并尽可能使“0”电平低于0.8 V。如在噪声很强的环境下工作,不能选用通、断电压值相差小的产品,必需选用通、断电压值相差大的产品,(如选接通电压为8 V或12 V的产品)这样不会因噪声干扰而造成控制失灵。

输出参数的项目较多,现对主要几个参数说明如下: 1、额定输入电压 它是指定条件下能承受的稳态阻性负载的最大允许电压有效值。如果受控负载是非稳态或非阻性的,必需考虑所选产品是否能承受工作状态或条件变化时(冷热转 换、静动转换、感应电势、瞬态峰值电压、变化周期等) 所产生的最大合成电压。例如负载为感性时,所选额定输出电压必须大于两倍电源电压值,而且所选产品的阻断(击穿)电压应高于负载电源电压峰值的两倍。如在 电源电压为交流220V、一般的小功率非阻性负载的情况下,建议选用额定电压为400V—600V的SSR产品;但对于频繁启动的单相或三相电机负载,建 议选用额定电压为660V—800V的SSR产品。 2、额定输出电流和浪涌电流 额定输出电流是指在给定条件下(环境温度、额定电压、功率因素、有无散热器等)所能承受的电流最大的有效值。一般生产厂家都提供热降额曲线。如周围温度上升,应按曲线作降额使用。 浪涌电流是指在给定条件下(室温、额定电压、额定电流和持续的时间等)不会造成永久性损坏所允许的最大非重复性峰值电流。交流继电器的浪涌电流为额定电流 的5-10倍(一个周期),直流产品为额定电流的1.5-5倍(一秒)。在选用时,如负载为稳态阻性,SSR可全额或降额10%使用。对于电加热器、接触 器等,初始接通瞬间出现的浪涌电流可达3倍的稳态电流,因此,SSR降额20%-30%使用。对于白织灯类负载,SSR应按降额50%使用,并且还应加上 适当的保护电路。对于变压器负载,所选产品的额定电流必须高于负载工作电流的两倍。对于负载为感应电机,所选SSR的额定电流值应为电机运转电流的2—4 倍,SSR的浪涌电流值应为额定电流的10倍。 固态继电器对温度的敏感性很强,工作温度超过标称值后,必须降热或外加散热器,例如额定电流为10A的JGX—10F产品,不加散热器时的允许工作电流只有10A。 四、应用电路 1、基本单元电路 如图5a所示为稳定的阻性负载,为了防止输入电压超过额定值,需设置一限流电阻Rx;当负载为非稳定性负载或感性负载时,在输出回路中还应附加一个瞬态抑 制电路,如图5b所示,目的是保护固态继电器。通常措施是在继电器输出端加装RC吸收回路(例如:R=150 Ω,C=0.5 μF或R=39 Ω,C=0.1 μF),它可以有效的抑制加至继电器的瞬态电压和电压指数上升率dv/dt。在设计电路时,建议用户根据负载的有关参数和环境条件,认真计算和试验RC回 路的选值。另一个常用的措施是在继电器输出端接入具有特定钳位电压的电压控制器件,如双向稳压二极管或压敏电阻(MOV)。压敏电阻电流值应按下式计算: Imov=(Vmax-Vmov)/ZS 其中ZS为负载阻抗、电源阻抗以及线路阻抗之和,Vmax、Vmov分别为最高瞬态电压、压敏电阻的标称电压,对于常规的220V和380V的交流电源,推荐的压敏电阻的标称电压值分别为440-470V和760-810V。 在交流感性负载上并联RC电路或电容,也可抑制加至SSR输出端的瞬态电压和电压指数上升率。 但实验表明,RC吸收回路,特别是并联在SSR输出端的RC吸收回路,如果和感性负载组合不当,容易导致振荡,在负载电源上电或继电器切换时,加大继电器 输出端的瞬变电压峰值,增大SSR误导通的可能性,所以,对具体应用电路应先进行试验,选用合适的RC参数,甚至有时不用RC吸收电路更有利。 对于容性负载引起的浪涌电流可用感性元件抑制,如在电路中引入磁干扰滤波器、扼流圈等,以限制快速上升的峰值电流。 另外,如果输出端电流上升变化率(di/dt)很大,可以在输出端串联一个具有高磁导率的软化磁芯的电感器加以限制。

 

图5

通常SSR均设计为“常开”状态,即无控制信号输入时,输出端是开路的,但在自动化控制设备中经常需要“常闭”式的SSR,这时可在输入端外接一组简单的电路,如图5c所示,这时即为常闭式SSR。 2、多功能控制电路 图6a为多组输出电路,当输入为“0”时,三极管BG截止,SSR1、SSR2、SSR3的输入端无输入电压,各自的输出端断开;当输入为“1”时,三极 管BG导通,SSR1、SSR2、SSR3的输入端有输入电压,各自的输出端接通,因而达到了由一个输入端口控制多个输出端“通”、“断”的目的。 图6b为单刀双掷控制电路,当输入为“0”时,三极管BG截止,SSR1输入端无输入电压,输出端断开,此时A点电压加到SSR2的输入端上(UA- UDW应使SSR2输出端可靠接通),SSR2的输出端接通;当输入为“1”时,三极管BG导通,SSR1输入端有输入电压,输出端接通,此时A点虽有电 压,但UA-UDW的电压值已不能使SSR2的输出端接通而处于断开状态,因而达到了“单刀双掷控制电路”的功能(注意:选择稳压二极管DW的稳压值时, 应保证在导通的SSR1“+”端的电压不会使SSR2导通,同时又要兼顾到SSR1截止时期“+”端的电压能使SSR2导通)。

 

图6

3、用计算机控制电机正反转的接口及驱动电路 图7计算机控制单相交流电机正反转的接口及驱动电路,在换向控制时,正反转之间的停滞时间应大于交流电源的1.5个周期(用一个“下降沿延时”电路来完 成),以免换向太快而造成线间短路。电路中继电器要选用阻断电压高于600 V和额定电压为380 V以上的交流固态继电器。

 

图7 计算机控制单相交流电机正反转的接口及驱动电路

为了限制电机换向时电容器的放电电流,应在各回路中外加一只限流电阻Rx,其阻值和功率可按下式计算: Rx=0.2×VP/IR(Ω), P=Im2Rx 其中:VP—电源峰值电压(V);IR—固态继电器额定电流(A);Im—电机运转电流(A);P—限流电阻功率(W) 图8计算机控制三相交流电机正反转的接口及驱动电路,图中采用了4个与非门,用二个信号通道分别控制电动机的起动、停止和正转、反转。当改变电动机转动方 向时,给出指令信号的顺序应是“停止—反转—起动”或“停止—正转—起动”。延时电路的最小延时不小于1.5个交流电源周期。其中RD1、RD2、RD3 为熔断器。当电机允许时,可以在R1-R4位置接入限流电阻,以防止当万一两线间的任意二只继电器均误接通时,限制产生的半周线间短路电流不超过继电器所 能承受的浪涌电流,从而避免烧毁继电器等事故,确保安全性;但副作用是正常工作时电阻上将产生压降和功耗。该电路建议采用额定电压为660 V或更高一点的SSR产品。

 

图8 计算机控制三相交流电机正反转的接口及驱动电路

五、结束语 由前述可以看到SSR的性能与电磁式继电器相比有着很多的优越性,特别易于实现计算机的编程控制,因此使得控制的实现更加方便、灵活。但它也存在一些弱 点,如:导通电阻(几Ω—几十Ω)、通态压降(小于2 V)、断态漏电流(5—10mA)等的存在,易发热损坏;截止时存在漏电阻,不能使电路完全分开;易受温度和辐射的影响,稳定性差;灵敏度高,易产生误动 作;在需要联锁、互锁的控制电路中,保护电路的增设,使得成本上升、体积增大。因此,对于SSR具有的独特性能,必须正确的理解和谨慎使用,方能发挥其独 特的性能,并确保SSR无故障的工作。

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