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1、摘 要交流固态继电器（缩写 SSR）是一种全部由固态电子元件组成的新型无触点通断电子开关,为四端有源器件。其中两个端子为输入控制端,另外两端为输出受控端,中间采用光电隔离,作为输入输出之间电气隔离(浮空)。在输入端加上直流或脉冲信号,输出端就能从关断状态转变成导通状态(无信号时呈阻断状态),从而控制较大负载。整个器件无可动部件及触点,可实现相当于常用的机械式电磁继电器一样的功能。根据以上交流固态固态继电器的特性，综合运用目前所学的知识设计一个符合上述要求的电路，该电路包括耦合电路、触发电路和过零控制电路以及开关电路与吸收电路三个基本单元电路，使用了发光二极管、感光三极管、可控硅和双相可控硅等器
2、件，在此电路中采用了过零控制装置，该设计能防止高次谐波的干扰和对电网的污染，该设计能大大提高系统的稳定性和准确性。关键字：三相交流固态，无可动部件及触点。 AbstractThe exchange solid state relay (abbreviation SSR) is one kind completely the new non-contact make-and-break electronic switching which is composed of the solid state electronic component, for four pole active devic
3、e And two posts for input control end, moreover the both sides are controlled the end for the output, middle uses the electro-optical isolation, takes between the input output the electrical isolation (to float spatially). Adds on direct-current or the signal impulse when the input end, the out-port
4、 can transform from the shutdown condition the conducting state (does not have signal assumes blocks condition), thus controls compares the high loading. The entire component not movable part and the electronic contact, may realize are equal to the commonly used mechanical type electromagnetic type
5、relay same function. According to the above exchange solid state solid state relays characteristic, the knowledge which the synthesis utilization present studies designs one to conform to the above request electric circuit, This electric circuit including coupled circuit, triggering circuit and zero
6、 crossing control circuit as well as switching circuit and absorbing circuit three elemental area electric circuits, Triode, silicon-controlled rectifier and double-phase silicon-controlled rectifier components and so on used the light emitter diode, to be photosensitive, has used the zero crossing
7、control device in this electric circuit, This design can prevent the higher harmonic the disturbance and to electrical networks pollution, this design can enhance systems stability and the accuracy greatly.key words：Exchange solid state, four pole active, not movable part and electronic contact.目 录1
8、.系统方案设计11.1系统设计思路与总体方案11.1.1方案一12.单元电路设计22.1耦合电路22.2触发电路和过零控制电路22.3开关电路与吸收电路43.系统完整电路图63.1系统完整电路图63.2工作原理64.体会101.系统方案设计1.1系统设计思路与总体方案 由于固态继电器是由固体元件组成的无触点开关元件,所以与电磁继电器相比具有工作可靠、无噪声、无火花、寿命长,对外界干扰小,能与逻辑电路兼容、抗干扰能力强、灵敏度高、开关速度快和使用方便等一系列优点,因而具有很宽的应用领域,有逐步取代传统电磁继电器之势,另外，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
9、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。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。因此可进一步扩展到传统电磁继电器无法应用的计算机等领域。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。1.1.1方案一：电压过零导通型（简称过零型）交流固态继电器由三部分组成：输入电路、隔离（耦合）和输出电路组成，下图是交流固态继电器的工作原
10、理框图。图中的部件-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。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“
11、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2.单元电路设计2.1耦合电路光电耦合器运用广泛，下面是一个典型电路图。 图一 光耦合电路当电源接通后，LED不发光。按下S2，LED会发光。调RP，LED的发光强度会发生变化，说明光电耦合器是好的。其中发光二极管（LED）是一种由磷化镓（GaP）等半导体材料制成的、能直接将电能转变成光能的发光显示器件。当其内部有一定电流通过时，它就会发光。发光二极管也与普通二极管一样由PN结构成，也具有单向导电性。它广泛应用于各种电子电路、家电、仪器等设备中、作电源指示或电平指示。2.2触发电路和过零控制电路触发电路的功能是产生合乎要求的触发
12、信号，驱动开关电路工作。其电路图如下：该部分电路主要由三极管、单向可控硅及电桥构成。其中三极管最基本的作用是放大作用，它可以把微弱的电信号变成一定强度的信号，当然这种转换仍然遵循能量守恒，它只是把电源的能量转换成信号的能量罢了。三极管有一个重要参数就是电流放大系数。当三极管的基极上加一个微小的电流时，在集电极上可以得到一个是注入电流倍的电流，即集电极电流。集电极电流随基极电流的变化而变化，并且基极电流很小的变化可以引起集电极电流很大的变化，这就是三极管的放大作用。 可控硅(SCR)也称作晶闸管，它是由PNPN四层半导体构成的元件，有三个电极，阳极A，阴极K和控制极G 。可控硅在电路中能够实现交
13、流电的无触点控制，以小电流控制大电流，并且不象继电器那样控制时有火花产生，而且动作快、寿命长、可靠性好。在调速、调光、调压、调温以及其他各种控制电路中都有它的身影。可控硅的符号如下图所示。可控硅的符号要使可控硅导通，必须同时具备两个条件：1 可控硅加上正向阳极电压。2 加上适当的正向控制电压。可控硅导通后，控制电压就失去作用，如果要是其关断，必须把正向阳极电压降低到一定数值.断开或反向才能实现。双向可控硅(BTA)的引脚多数是按T1、T2、G的顺序从左至右排列。加在控制极G上的触发脉冲的大小或时间改变时，就能改变其导通电流的大小。双向可控硅G极上触发脉冲的极性改变时，其导通方向就随着极性的变化
14、而改变，从 而能够控制交流电负载。而单向可控硅经触发后只能从阳极向阴极单方向导通，所以可控硅有单双向之分。2.3开关电路与吸收电路它的电路如下：开关电路是由双向可控硅(BTA)构成的。可控硅分单向可控硅、双向可控硅。单向可控硅有阳极A、阴极K、控制极G三个引脚。双向可控硅有第一阳极A1（T1），第二阳极A2（T2）、控制极G三个引脚。只有当单向可控硅阳极A与阴极K之间加有正向电压，同时控制极G与阴极间加上所需的正向触发电压时，方可被触发导通。此时A、K间呈低阻导通状态，阳极A与阴极K间压降约为1V。单向可控硅导通后，控制极G即使失去触发电压，只要阳极A和阴极K之间仍保持正向电压，单向可控硅继续
15、处于低阻导通状态。只有把阳极A电压撤除或阳极A、阴极K之间电压极性发生改变（交流过零）时，单向可控硅才由低阻导通状态转换为高阻截止状态。单向可控硅一旦截止，即使阳极A和阴极间又重新加上正向电压，仍需在控制极G和阴极K之间重新加上正向触发电压方可导通。单向可控硅的导通与截止状态相当于形成的闭合和断开状态，用它可制成无触点开关。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)。电路图为一电阻与一电容串联。3.系统完整电路图 3.2工作原理如上图二所示，在输入电路控制端加入信号后，IC1
16、光电耦合器内光敏三极管呈导通状态，R1串接电阻对输入信号进行限流，以保证光耦合器不致损坏。LED发光二极管指示输入端控制信号，VD1可防止当输入信号正负极性接反时以保护光耦IC1。 V1 在线路中起到交流电压检测作用，使固态继电器在电压过零时开启、负载电流过零时关断。当IC1光敏三极管截止时(控制端无信号输入时)，V1通过R2获得基极电流使之饱和导通,从而使 SCR可控硅门极触发电压UGT被箝在低电位而处于关断状态，最终导致BTA双向可控硅在门极控制端R6上无触发脉冲而处于关断状态。 当IC1光敏三极管导通时( 控制端有信号输入时) ，SCR可控硅的工作状态由交流电压零点检测三极管V1来确定其
17、工作状态 。如电源电压经R2与R3分压，A处电压大于过零电压时(VAVBE1)，V1处饱和导通状态，SCR、BTA可控硅都处于关断状态；如电源电压经R2 与R3分压，A处电压小于过零电压时（VAVBE1）V1处截止状态，SCR可控硅通过R4获得触发信号而导通 ,从而使 BTA在R6上也获得触发信号也呈导通状态,对负载电源进行关断控制。如此时控制端信号关断后,负载电流也随之减小至BTA双向可控硅的维持电流IH时可 自行关断,切断负载电源。 交流过零型固态继电器，因有其电压过零时开启，负载电流过零时关断的特性。它的最大接通、关断时间是半个电源周期，在负载上可得到一个完整的正弦波形。也相应的减少了对
18、负载的冲击。而在相应的控制回路中产生的射频干扰也大大减少。 图 2如图2a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2b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(，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
19、-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。
20、 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。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。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。此外，运
21、用该交流固态继电器还能设计多功能控制电路,图3a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3b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
22、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 34.体会由前述可以看到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(几几十)、通态压降(小于2 V)、断态漏电流(510mA)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
23、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。通过这两周的课程设计，我对于感光三极管、晶闸管等器件有了更深层次的理解，本次设计并实现了交流固态继电器的相关性能，因此对该交流继电器电路有了更透彻的了解。在这次的设计的过程中也遇到了很多的困难，从选题到完成，时间很仓促，这中间有很多意想不到的难题，也让我很是苦恼，不过经过我的不懈努力，问题已经基本弄明白了。为了解决这些难题，我就去图书馆或网上查看相关资料。当然这个设计存在很多的不足之处，但重在设计的
24、一个过程，重在设计带给我的知识与经验，这个过程必将在我的大学生活留下一端难以忘怀的记忆，也必将对我以后的学习和工作产生深远的影响。本设计主要涉及了交流固态继电器中各部分的结构、工作原理以及它们与外电路相连的方法和作用,设计中我对可控硅开关器件的性能至今仍有些不太肯定，它可能还可以和555一起构成性能更好的开关，因此还需要对它们进行了解，由此我掌握了这些方面的很多知识，并且从某种程度上来说使我对硬件电路的整体设计有了更深层次的了解，学到了很多东西，为以后学习打下了良好的基础。此次的设计是由自己独立设计的，这有助于提高自己的设计和思考能力，能有效解决设计中遇到的各种问题，对我以后的工作很有帮助。5.参考文献1. 李序葆编，电力电子器件及应用.机械工业出版社，19962. 康华光主编，电子技术基础（数字部分）.高等教育出版社.，20053. 康华光主编，电子技术基础（模拟部分）高等教育出版社.，20056.附录6.1元器件明细表元件特性数量位置220电阻4R1 R5R6R7330电阻3R2R3R4IN4007二极管5VD1-VD50805发光二极管2LED1-LED22SK3265感光三极管1NPN-PHOTOC9014三极管1V1单向可控硅1SCRTLC337A双向可控硅1BTA1uF电容1C1220K可变电阻1RU
