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1、文章:编号：1009-0193(2000)06-0064-07彭建，刘跃（贵州工业大学电气工程系，贵州贵阳550003）摘 要：阐述了固态继电器的原理、结构、特点及交流直流固态继电器的适用范围，并针对 交流固态继电器，提出了根据它的几个关键参数来合理选择固态继电器的方法、应用电路在 设计上需要注意的一些问题以及给出了相应与计算机驳接的接口电路。关键词：固态继电器；适用范围；关键参数；应用电路中图分类号：TM581.8文献标识码：B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
2、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。1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-构成交流SSR的主体，从整体上看，SSR只有两个输入端和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
3、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 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
4、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1图2图3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，直流尊SR在使用时应注意：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
5、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。SSR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。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4给出了几种国内、外常见的SSR的外形。图42固态继电器的特点SSR成功地实现了弱信号(Vr)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、M
6、ER)。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M
7、ER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。3主要参数与选用参数名称(单位)参数值最小典型最大输入端直流控制电压(V)3.214输入电流(mA)20接通电压(V)3.2关断电压(V)1.5反极向保护电压(V)15绝缘电阻(。)109介质耐压(V)1500表1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
8、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 产生的输 出 端额
9、定输出电压(V)25250额定输出电流(A)10浪涌电流(A)100过零电压(V)土 15输出压降(V)2.0输出漏电流(mA)10接通电间(mS10关断时间(mS)10工作频率(Hz)4770功率损耗(W)1.5关断 dV/dt(V/ps)200晶闸管结温。C110工作温度(C)-20+80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66
10、0V-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%
11、-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10 A的JGX-10F产品，不加散热器时的允许工作电流只有10 A。4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R ； . x 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
12、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=150Q， C=0.5 pF或R=39 Q，C=0.1 pF)，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：【MOV (VmAX Vmov) /Zs其中ZS为负载阻抗、电源阻抗以及线路阻抗之和VMOV分别为最高瞬态电压、压敏 电阻的标称电压，对于常规的
13、220 V和380 V的交流电源推荐的压敏电阻的标称电压值分 别为 440-470 V 和 760-810 V。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，
14、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
15、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(U -U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，SSR1W输入端有输入电压，输出端接通， 此时A点虽有电压，但U-U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
16、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。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R ,其阻值和 功率可按下式计算：图7计算机控制单相交流电机正反转的接口及驱动电路R=0.2xV/Ir (Q), PIjR 其中：V 电源峰值电压(V) I-固态继电器额定电流(A)RI电机运转电流(A)mP-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8计算机控制三相交流电机正反
17、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RD、RD、RD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。5结束语由前述可以看到SSR的性能与电磁
18、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Q-几十Q)、通态压降(小于2 V)、断态漏电流(5-10 mA)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。参考文献：1 李仁.电器控制M.北京：机械工业出版社，1996.2 吴义彬.继电器用户手册M.北京：
19、国防工业出版社，1992.3 沈耀忠，任志纯.半导体开关元件及应用M.北京：电子工业出版社，1996.Discussion on the Solid State Relay and Its ApplicationPENG Jiam，LIU Yue2(Department of Electrical Engineering,GUT,Guiyang 550003,Chian)Abstract： This paper discusses the principle,configuration,characteristics of the solid state relay and its appli
20、cation,suggests some methods of selecting AC solid state relays according to several pivotal parameters,and puts forth some problems which attention should be paid to in designing applicable circuits.It also presents some interfaces with computer.Key words:solid state relay;use area;pivotal paramete
21、r;applicable circuit(本文责编：李淑琴)收稿日期：2000-04-21固态继电器工作原理2006-6-26-11-19-40SSR固态继电器以触发形式,可分为零压型（Z）和调相型（P）两种。在输入 端施加合适的控制信号VIN时,P型SSR立即导通。当VIN撤销后，负载电流 低于双向可控硅维持电流时（交流换向），SSR关断。Z型SSR内部包括过零检测电路，在施加输入信号VIN时,只有当负载电源电 压达到过零区时,SSR才能导通,并有可能造成电源半个周期的最大延时。Z 型SSR关断条件同P型，但由于负载工作电流近似正弦波，高次谐波干扰小， 所以应用广泛。先锋公司电子厂SSR由于
22、采用输出器件不同，有普通型（S,采用双向可控硅元 件）和增强型（HS,采用单向可控硅元件）之分。当加有感性负载时，在输入信 号截止t1之前,双向可控硅导通，电流滞后电源电压90O（纯感时）。t1时刻， 输入控制信号撤销,双向可控硅在小于维持电流时关断（t2），可控硅将承受 电压上升率dv/dt很高的反向电压。这个电压将通过双向可控硅内部的结电 容，正反馈到栅极。如果超过双向可控硅换向dv/dt指标（典型值10V/ s, 将引起换向恢复时间长甚至失败。单向可控硅（增强型SSR）由于处在单极性工作状态，此时只受静态电压上升 率所限制（典型值200V/ s）,因此增强型固态继电器HS系列比普通型SS
23、R的 换向dv/dt指标提高了 5 20倍。由于采用两只大功率单向可控硅反并联， 改变了电流分配和导热条件，提高了 SSR输出功率。增强型SSR在大功率应用场合，无论是感性负载还是阻性负载,耐电压、耐电 流冲击及产品的可靠性，均超过普通固态继电器，并达到了进口产品的基本 指标，是替代普通固态继电器的更新产品。固态继电器的应用S系列固态继电器,HS系列增强型固态继电器、可以广泛用于:计算机外围接 口装置，恒温器和电阻炉控制、交流电机控制、中间继电器和电磁阀控制、 复印机和全自动洗衣机控制、信号灯交通灯和闪烁器控制、照明和舞台灯光 控制、数控机械遥控系统、自动消防和保安系统、大功率可控硅触发和工业
24、 自动化装置等。在应用中需要考虑下述问题。固态继电器原理与应用固态继电器SSR（Solid state releys）是一种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。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、寿命长，对外界干扰小,能与逻辑电路兼容、抗干扰能力强、开关速度快和使用方
25、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，并可进一 步扩展到传统电磁继电器无法应用的计算机等领域。SSR固态继电器以触发形式,可分为过零型、随机型、峰值型和相位型开关。在输入端 施加合适的控制信号4-32VDC或20-280VAC时，过零型、随机型、峰值型SSR立即根据 对应的方式导通。当控制信号撤销后，负载电流低于双向可控硅维持电流时（交流换 向），SSR关断。过零型SSR内部包括过零检测电路，在施加输入信号时，只有当负载电源电压达到过零区时,SSR才能导通,并有可能造成电源半个周期的最大延时；随机型则是只要有信号控 制则随时可以通断。相位型开关，但由于负载工作电
26、流近似正弦波，高次谐波干扰小，所 以应用广泛。SSR广泛应用于各个领域，用于加热管、红外灯管、灯光、电机、磁阀等负载控制。在追求效率和质量的科技时代，SSR 一定是各企业解决方案的首选产品。固态继电器（SSR）与机电继电器相比，是一种没有机械运动，不含运动零件的继电器，但 它具有与机电继电器本质上相同的功能SSR是一种全部由固态电子元件组成的无触点开关 元件，他利用电子元器件的点，磁和光特性来完成输入与输出的可靠隔离，利用大功率三极 管，功率场效应管，单项可控硅和双向可控硅等器件的开关特性，来达到无触点，无火花地 接通和断开被控电路。二、固态继电器的组成固态继电器有三部分组成:输入电路，隔离（
27、耦合）和输出电路。安输入电压的不同类别，输 入电路可分为直流输入电路，交流输入电路和交直流输入电路三种。有些输入控制电路还具 有与TTL/CMOS兼容，正负逻辑控制和反相等功能。固态继电器的输入与输出电路的隔离 和耦合方式有光电耦合和变压器耦合两种。固态继电器的输出电路也可分为直流输出电路， 交流输出电路和交直流输出电路等形式。交流输出时，通常使用两个可控硅或一个双 向可控硅，直流输出时可使用双极性器件或功率场效应管。三、固态继电器的优缺点1、固态继电器的优点（1）高寿命，高可靠SSR没有机械零部件，有固体器件完成触点功能，由于没有运动的 零部件，因此能在高冲击，振动的环境下工作，由于组成固态
28、继电器的元器件的固有特性， 决定了固态继电器的寿命长，可靠性高。（2）灵敏度高，控制功率小，电磁兼容性好固态继电器的输入电压范围较宽，驱动功率 低，可与大多数逻辑集成电路兼容不需加缓冲器或驱动器。（3）快速转换:固态继电器因为采用固体其间，所以切换速度可从几毫秒至几微妙。（4）电磁干扰笑:固态继电器没有输入”线圈”，没有触点燃弧和回跳，因而减少了电磁干 扰。大多数交流输出固态继电器是一个零电压开关，在零电压处导通，零电流处关断，减少 了电流波形的突然中断，从而减少了开关瞬态效应。2、固态继电器的缺点（1）导通后的管压降大，可控硅或双相控硅的正向降压可达12V，大功率晶体管的饱和 压浆液灾12V之间，一般功率场效应管的导通电祖也较机械触点的接触电阻大。（2）半导体器件关断后仍可有数微安至数毫安的漏电流，因此不能实现理想的电隔离。（3）由于管压降大，导通后的功耗和发热量也大，大功率固态继电器的体积远远大于同 容量的电磁继电器，成本也较高。(4) 电子元器件的温度特性和电子线路的抗干扰能力较差，耐辐射能力也较差，如不采 取有效措施，则工作可靠性低。(5) 固态继电器对过载有较大的敏感性，必须用快速熔断器或RC阻尼电路对其进行过 在保护。固态继电器的负载与环境温度明显有关，温度升高，负载能力将迅速下降
