交流固態(tài)繼電器SSR(Solid state releys)是一種無觸點通斷電子開關(guān),為四端有源器件。其中兩個端子為輸入控制端,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,輸出端就能從關(guān)斷狀態(tài)轉(zhuǎn)變成導(dǎo)通狀態(tài)(無信號時呈阻斷狀態(tài)),從而控制較大負載。整個器件無可動部件及觸點,可實現(xiàn)相當于常用的機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觸點開關(guān)元件,所以與電磁繼電器相比具有工作可靠、壽命長,對外界干擾小,能與邏輯電路兼容、抗干擾能力強、開關(guān)速度快和使用方便等一系列優(yōu)點,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,并可進一步擴展到傳統(tǒng)電磁繼電器無法應(yīng)用的計算機等領(lǐng)域。目前,國內(nèi)已有北京先鋒公司電子廠、上海超誠電子技術(shù)研究所、上海中滬電子儀器廠、無錫康裕電器元件廠、無錫天豪電子儀器設(shè)備廠、蘇州無線電元件一廠等單位生產(chǎn)此類產(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VIN時,P型SSR立即導(dǎo)通。當VIN撤銷后,負載電流低于雙向可控硅維持電流時(交流換向),SSR關(guān)斷。
Z型SSR內(nèi)部包括過零檢測電路,在施加輸入信號VIN時,只有當負載電源電壓達到過零區(qū)時,SSR才能導(dǎo)通,并有可能造成電源半個周期的最大延時。Z型SSR關(guān)斷條件同P型,但由于負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)和增強型(HS,采用單向可控硅元件)之分。當加有感性負載時,在輸入信號截止t1之前,雙向可控硅導(dǎo)通,電流滯后電源電壓90O(純感時)。t1時刻,輸入控制信號撤銷,雙向可控硅在小于維持電流時關(guān)斷(t2),可控硅將承受電壓上升率dv/dt很高的反向電壓。這個電壓將通過雙向可控硅內(nèi)部的結(jié)電容,正反饋到柵極。如果超過雙向可控硅換向dv/dt指標(典型值10V/　s,將引起換向恢復(fù)時間長甚至失敗。
單向可控硅(增強型SSR)由于處在單極性工作狀態(tài),此時只受靜態(tài)電壓上升率所限制(典型值200V/　s),因此增強型固態(tài)繼電器HS系列比普通型SSR的換向dv/dt指標提高了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。
增強型SSR在大功率應(yīng)用場合,無論是感性負載還是阻性負載,耐電壓、耐電流沖擊及產(chǎn)品的可靠性,均超過普通固態(tài)繼電器,并達到了進口產(chǎn)品的基本指標,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系列增強型固態(tài)繼電器、可以廣泛用于:計算機外圍接口裝置,恒溫器和電阻爐控制、交流電機控制、中間繼電器和電磁閥控制、復(fù)印機和全自動洗衣機控制、信號燈交通燈和閃爍器控制、照明和舞臺燈光控制、數(shù)控機械遙控系統(tǒng)、自動消防和保安系統(tǒng)、大功率可控硅觸發(fā)和工業(yè)自動化裝置等。在應(yīng)用中需要考慮下述問題。

1.器件的發(fā)熱

SSR在導(dǎo)通時,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,需依據(jù)實際工作環(huán)境條件,嚴格參照額定工作電流時允許的外殼溫升(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)負載電流2　3A時,可選用S??3,S??4產(chǎn)品,5A時,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,采用自然風冷,連續(xù)負載電流大于30A時,需采用儀器風扇強制風冷。

2.封裝和安裝形式

臥式W型、立式L型,體積小適用于印制板直接焊接安裝。立式L2型,既能適合于線路板焊接安裝,也能適用于線路板上插接安裝。K型及F型,適合散熱器及儀器底板安裝。大功率SSR(K型和F型封裝)安裝時,應(yīng)注意散熱器接觸面應(yīng)平整,并需涂復(fù)導(dǎo)熱硅脂(先鋒T-50)。安裝力矩愈大,接觸熱阻愈小。大電流引出線,需配冷壓焊片,以減少引出線接點電阻。

3.輸入端驅(qū)動

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,可相應(yīng)選用限流電阻。SSR輸入屬于電流型器件,當輸入端光耦可控硅完全導(dǎo)通后(微秒數(shù)量級),觸發(fā)功率可控硅導(dǎo)通。當激勵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,并造成主負載電流流經(jīng)觸發(fā)回路引起的損壞。
例如基本性能測試電路,輸入為可調(diào)電壓源,測試負載用100W燈泡,輸入觸發(fā)信號應(yīng)為階躍邏輯電平,強觸發(fā)方式。國外廠商提供的器件標準電流為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。串聯(lián)使用時,一個SSR按4V電壓考慮,12V電壓可驅(qū)動3個SSR。

4.干擾問題

SSR產(chǎn)品也是一種干擾源,導(dǎo)通時會通過負載產(chǎn)生輻射或電源線的射頻干擾,干擾程度隨負載大小而不同。白熾燈電阻類負載產(chǎn)生的干擾較小,零壓型在交流電源的過零區(qū)(即零電壓)附近導(dǎo)通,因此干擾也較小。減少的方法是在負載串聯(lián)電感線圈。另外,信號線與功率線之間,也應(yīng)避免交叉干擾。

5.過流/過壓保護

快速熔斷器和空氣開關(guān),是通用的過電流保護方法。快速熔斷器可按額定工作電流的1.2倍選擇,一般小容量可選用保險絲。特別注意負載短路,是造成SSR產(chǎn)品損壞的主要原因。感性及容性負載,除內(nèi)部RC電路保護外,建議采用壓敏電阻并聯(lián)在輸出端,作為組合保護。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;較大容量的電機變壓器應(yīng)選用MYH20、24通流容量大的壓敏電阻。

6.關(guān)于負載的考慮

SSR對一般的負載應(yīng)是沒有問題的,但也必須考慮一些特殊的負載條件,以避免過大的沖擊電流和過電壓,對器件性能造成不必要的損壞。白熾燈、電爐等類的“冷阻”特性,造成開通瞬間的浪涌電流,超過額定工作電流值數(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,建議留有足夠的電壓、電流余量。
某些類型的燈,在燒斷瞬間會出現(xiàn)低阻抗。氣化和放電通道以及容性負載,如切換電容器組或電容器電源,會造成類似短路狀態(tài)。可在線路中進一步串聯(lián)電阻或電感,作為限流措施。電機的開啟和關(guān)閉,也會產(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引起的抖動,以及電容換向式電機換向時,電容電壓和電源電壓的疊加會在SSR兩端產(chǎn)生二倍電源的浪涌電壓。
控制變壓器初級時,也應(yīng)考慮次級線路上的瞬態(tài)電壓對初級的影響。此外,變壓器也有可能因為兩個方向電流不對稱,造成飽和引起的浪涌電流異常現(xiàn)象。上述情況,使SSR在特殊負載的應(yīng)用,多少變得有點復(fù)雜。可行的辦法,就是通過示波器去測量可能引起的浪涌電流和電壓,從而選用合適的SSR和保護措施。

應(yīng)用實例

1.調(diào)壓應(yīng)用

P型SSR調(diào)壓,可采用外配移相電路來實現(xiàn)。例如,TW-702控溫儀的觸發(fā)系統(tǒng),國產(chǎn)SDKC-05單電源調(diào)相集成電路(見圖2)。在計算機上,通常采用PIO經(jīng)驅(qū)動級的位控方式,利用50Hz電網(wǎng)電源的過零中斷,經(jīng)CTC計時,控制導(dǎo)通角,以達到調(diào)壓之目的。

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數(shù),達到調(diào)功目的。模擬電路常采用電壓比較器,將一個固定周期的鋸齒電壓和來自前級誤差電壓作比較,輸出方波實現(xiàn)調(diào)節(jié),如圖3所示。在計算機上采用計時算法,產(chǎn)生占空比可調(diào)的方波脈沖擊來實現(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,實現(xiàn)自適應(yīng)“自動翻轉(zhuǎn)”控制,即通過計算機產(chǎn)生擾動,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的控制。最簡單的方法,是采用2只SSR作電機通斷控制,4只SSR作電機換相控制,第三相不控制。
作為電機換向時應(yīng)注意,由于電機的運動慣性,必須在電機停穩(wěn)后才能換向,以避免產(chǎn)生類似電機堵轉(zhuǎn)情況,引起的較大沖擊電壓和電流。在控制電路設(shè)計上,要注意任何時刻都不應(yīng)產(chǎn)生換相SSR同時導(dǎo)通的可能性。上下電時序,應(yīng)采用先加后斷控制電路電源,后加先斷電機電源的時序。換向SSR之間,不能簡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,電機控制中的保險、缺相和溫度繼電器,也是保證系統(tǒng)正常工作的保護裝置。