交流固態(tài)繼電器S/HS固態(tài)繼電器原理與應(yīng)用
交流固態(tài)繼電器SSR（Solid state releys）是一種無(wú)觸點(diǎn)通斷電子開(kāi)關(guān),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,中間采用光電隔離,作為輸入輸出之間電氣隔離（浮空）。在輸入端加上直流或脈沖信號(hào),輸出端就能從關(guān)斷狀態(tài)轉(zhuǎn)變成導(dǎo)通狀態(tài)（無(wú)信號(hào)時(shí)呈阻斷狀態(tài)）,從而控制較大負(fù)載。整個(gè)器件無(wú)可動(dòng)部件及觸點(diǎn),可實(shí)現(xiàn)相當(dāng)于常用的機(jī)械式電磁繼電器一樣的功能。
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,所以與電磁繼電器相比具有工作可靠、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)用的計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域。目前,國(guó)內(nèi)已有北京先鋒公司電子廠、上海超誠(chéng)電子技術(shù)研究所、上海中滬電子儀器廠、無(wú)錫康裕電器元件廠、無(wú)錫天豪電子儀器設(shè)備廠、蘇州無(wú)線電元件一廠等單位生產(chǎn)此類(lèi)產(chǎn)品。
固態(tài)繼電器的工作
SSR固態(tài)繼電器以觸發(fā)形式,可分為零壓型（Z）和調(diào)相型（P）兩種。在輸入端施加合適的控制信號(hào)VIN時(shí),P型SSR立即導(dǎo)通。當(dāng)VIN撤銷(xiāo)后,負(fù)載電流低于雙向可控硅維持電流時(shí)（交流換向）,SSR關(guān)斷。
Z型SSR內(nèi)部包括過(guò)零檢測(cè)電路,在施加輸入信號(hào)VIN時(shí),只有當(dāng)負(fù)載電源電壓達(dá)到過(guò)零區(qū)時(shí),SSR才能導(dǎo)通,并有可能造成電源半個(gè)周期的最大延時(shí)。Z型SSR關(guān)斷條件同P型,但由于負(fù)載工作電流近似正弦波,高次諧波干擾小,所以應(yīng)用廣泛。
先鋒公司電子廠SSR由于采用輸出器件不同,有普通型（S,采用雙向可控硅元件）和增強(qiáng)型（HS,采用單向可控硅元件）之分。當(dāng)加有感性負(fù)載時(shí),在輸入信號(hào)截止t1之前,雙向可控硅導(dǎo)通,電流滯后電源電壓90O（純感時(shí)）。t1時(shí)刻,輸入控制信號(hào)撤銷(xiāo),雙向可控硅在小于維持電流時(shí)關(guān)斷（t2）,可控硅將承受電壓上升率dv/dt很高的反向電壓。這個(gè)電壓將通過(guò)雙向可控硅內(nèi)部的結(jié)電容,正反饋到柵極。如果超過(guò)雙向可控硅換向dv/dt指標(biāo)（典型值10V/ s,將引起換向恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)甚至失敗。
單向可控硅（增強(qiáng)型SSR）由于處在單極性工作狀態(tài),此時(shí)只受靜態(tài)電壓上升率所限制（典型值200V/ s）,因此增強(qiáng)型固態(tài)繼電器HS系列比普通型SSR的換向dv/dt指標(biāo)提高了5 20倍。由于采用兩只大功率單向可控硅反并聯(lián),改變了電流分配和導(dǎo)熱條件,提高了SSR輸出功率。
增強(qiáng)型SSR在大功率應(yīng)用場(chǎng)合,無(wú)論是感性負(fù)載還是阻性負(fù)載,耐電壓、耐電流沖擊及產(chǎn)品的可靠性,均超過(guò)普通固態(tài)繼電器,并達(dá)到了進(jìn)口產(chǎn)品的基本指標(biāo),是替代普通固態(tài)繼電器的更新產(chǎn)品。
固態(tài)繼電器的應(yīng)用
S系列固態(tài)繼電器,HS系列增強(qiáng)型固態(tài)繼電器、可以廣泛用于:計(jì)算機(jī)外圍接口裝置,恒溫器和電阻爐控制、交流電機(jī)控制、中間繼電器和電磁閥控制、復(fù)印機(jī)和全自動(dòng)洗衣機(jī)控制、信號(hào)燈交通燈和閃爍器控制、照明和舞臺(tái)燈光控制、數(shù)控機(jī)械遙控系統(tǒng)、自動(dòng)消防和保安系統(tǒng)、大功率可控硅觸發(fā)和工業(yè)自動(dòng)化裝置等。在應(yīng)用中需要考慮下述問(wèn)題。
1.器件的發(fā)熱
SSR在導(dǎo)通時(shí),元件將承受P耗=V有€譏有的熱耗散功率,其中V有效值和I有效值分別為飽和壓降和工作電流的有效值。此時(shí),需依據(jù)實(shí)際工作環(huán)境條件,嚴(yán)格參照額定工作電流時(shí)允許的外殼溫升（75℃）,合理選用散熱器尺寸或降低電流使用,否則將因過(guò)熱引起失控,甚至造成產(chǎn)品損壞。
在線路板上使用,連續(xù)負(fù)載電流2 3A時(shí),可選用S€?3,S€?4產(chǎn)品,5A時(shí),可選用S€?08W3封裝產(chǎn)品。10A以下,可采用散熱條件良好的儀器底板。10A以上,需配散熱器。30A以下,采用自然風(fēng)冷,連續(xù)負(fù)載電流大于30A時(shí),需采用儀器風(fēng)扇強(qiáng)制風(fēng)冷。
2.封裝和安裝形式
SSR按輸入控制方式,可分為電阻型、恒流源和交流輸入控制型。目前主要提供的,是供5V TTL電平用電阻輸入型。使用其他控制電壓時(shí),可相應(yīng)選用限流電阻。SSR輸入屬于電流型器件,當(dāng)輸入端光耦可控硅完全導(dǎo)通后（微秒數(shù)量級(jí)）,觸發(fā)功率可控硅導(dǎo)通。當(dāng)激勵(lì)不足或斜波式的觸發(fā)電壓,有可能造成功率可控硅處于臨界導(dǎo)通邊緣,并造成主負(fù)載電流流經(jīng)觸發(fā)回路引起的損壞。 [$page] 例如基本性能測(cè)試電路,輸入為可調(diào)電壓源,測(cè)試負(fù)載用100W燈泡,輸入觸發(fā)信號(hào)應(yīng)為階躍邏輯電平,強(qiáng)觸發(fā)方式。國(guó)外廠商提供的器件標(biāo)準(zhǔn)電流為10mA,考慮到全溫度工作范圍（-40 +70℃）,發(fā)光效率穩(wěn)定和抗干擾能力,推薦最佳直流觸發(fā)工作電流在12 25mA之間。 SSR輸入端可并聯(lián)或串聯(lián)驅(qū)動(dòng)。串聯(lián)使用時(shí),一個(gè)SSR按4V電壓考慮,12V電壓可驅(qū)動(dòng)3個(gè)SSR。 4.干擾問(wèn)題 SSR產(chǎn)品也是一種干擾源,導(dǎo)通時(shí)會(huì)通過(guò)負(fù)載產(chǎn)生輻射或電源線的射頻干擾,干擾程度隨負(fù)載大小而不同。白熾燈電阻類(lèi)負(fù)載產(chǎn)生的干擾較小,零壓型在交流電源的過(guò)零區(qū)（即零電壓）附近導(dǎo)通,因此干擾也較小。減少的方法是在負(fù)載串聯(lián)電感線圈。另外,信號(hào)線與功率線之間,也應(yīng)避免交叉干擾。 5.過(guò)流/過(guò)壓保護(hù) 快速熔斷器和空氣開(kāi)關(guān),是通用的過(guò)電流保護(hù)方法?？焖偃蹟嗥骺砂搭~定工作電流的1.2倍選擇,一般小容量可選用保險(xiǎn)絲。特別注意負(fù)載短路,是造成SSR產(chǎn)品損壞的主要原因。感性及容性負(fù)載,除內(nèi)部RC電路保護(hù)外,建議采用壓敏電阻并聯(lián)在輸出端,作為組合保護(hù)。金屬氧化鋅壓敏電阻（MOV）面積大小決定吸收功率,厚度決定保護(hù)電壓值。交流220V的SSR,選用MYH12、430V、 12的壓敏電阻;380V選用MYH12、750V壓敏電阻;較大容量的電機(jī)變壓器應(yīng)選用MYH20、24通流容量大的壓敏電阻。 6.關(guān)于負(fù)載的考慮 SSR對(duì)一般的負(fù)載應(yīng)是沒(méi)有問(wèn)題的,但也必須考慮一些特殊的負(fù)載條件,以避免過(guò)大的沖擊電流和過(guò)電壓,對(duì)器件性能造成不必要的損壞。白熾燈、電爐等類(lèi)的“冷阻”特性,造成開(kāi)通瞬間的浪涌電流,超過(guò)額定工作電流值數(shù)倍。一般普通型SSR,可按電流值的2/3選用。增強(qiáng)型SSR,可按廠商提供的參數(shù)選用。在惡劣條件下的工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng),建議留有足夠的電壓、電流余量。 某些類(lèi)型的燈,在燒斷瞬間會(huì)出現(xiàn)低阻抗。氣化和放電通道以及容性負(fù)載,如切換電容器組或電容器電源,會(huì)造成類(lèi)似短路狀態(tài)?？稍诰€路中進(jìn)一步串聯(lián)電阻或電感,作為限流措施。電機(jī)的開(kāi)啟和關(guān)閉,也會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊電流和電壓。中間繼電器、電磁閥吸合不可靠時(shí)引起的抖動(dòng),以及電容換向式電機(jī)換向時(shí),電容電壓和電源電壓的疊加會(huì)在SSR兩端產(chǎn)生二倍電源的浪涌電壓。 控制變壓器初級(jí)時(shí),也應(yīng)考慮次級(jí)線路上的瞬態(tài)電壓對(duì)初級(jí)的影響。此外,變壓器也有可能因?yàn)閮蓚€(gè)方向電流不對(duì)稱(chēng),造成飽和引起的浪涌電流異常現(xiàn)象。上述情況,使SSR在特殊負(fù)載的應(yīng)用,多少變得有點(diǎn)復(fù)雜?？尚械霓k法,就是通過(guò)示波器去測(cè)量可能引起的浪涌電流和電壓,從而選用合適的SSR和保護(hù)措施。 應(yīng)用實(shí)例 1.調(diào)壓應(yīng)用 P型SSR調(diào)壓,可采用外配移相電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如,TW-702控溫儀的觸發(fā)系統(tǒng),國(guó)產(chǎn)SDKC-05單電源調(diào)相 2.交流調(diào)功應(yīng)用 “交流調(diào)功”是一種Z型SSR普遍采用的方法,也能實(shí)現(xiàn)PID調(diào)節(jié)。即在固定周期內(nèi),控制交流正弦電流半波個(gè)數(shù),達(dá)到調(diào)功目的。模擬電路常采用電壓比較器,將一個(gè)固定周期的鋸齒電壓和來(lái)自前級(jí)誤差電壓作比較,輸出方波實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié),如圖3所示。在計(jì)算機(jī)上采用計(jì)時(shí)算法,產(chǎn)生占空比可調(diào)的方波脈沖擊來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如日本的SHIMADEW和OMRON公司的SR22、FD20、E5系列智能化控溫產(chǎn)品,配合Z型SSR,實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)“自動(dòng)翻轉(zhuǎn)”控制,即通過(guò)計(jì)算機(jī)產(chǎn)生擾動(dòng),算出最佳PID控制參數(shù)。 3.三相電流控制 HS系列SSR產(chǎn)品,可直接用于三相電機(jī)的控制。最簡(jiǎn)單的方法,是采用2只SSR作電機(jī)通斷控制,4只SSR作電機(jī)換相控制,第三相不控制。 作為電機(jī)換向時(shí)應(yīng)注意,由于電機(jī)的運(yùn)動(dòng)慣性,必須在電機(jī)停穩(wěn)后才能換向,以避免產(chǎn)生類(lèi)似電機(jī)堵轉(zhuǎn)情況,引起的較大沖擊電壓和電流。在控制電路設(shè)計(jì)上,要注意任何時(shí)刻都不應(yīng)產(chǎn)生換相SSR同時(shí)導(dǎo)通的可能性。上下電時(shí)序,應(yīng)采用先加后斷控制電路電源,后加先斷電機(jī)電源的時(shí)序。換向SSR之間,不能簡(jiǎn)單地采用反相器連接方式,以避免在導(dǎo)通的SSR未關(guān)斷,另一相SSR導(dǎo)通引起的相間短路事故。此外,電機(jī)控制中的保險(xiǎn)、缺相和溫度繼電器,也是保證系統(tǒng)正常工作的保護(hù)裝置。
3.輸入端驅(qū)動(dòng)
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