資料介紹
混合式繼電器是將靜態繼電器和機械繼電器并聯在一起構成的開關元件,兼具機械繼電器的低壓降與硅器件的可靠性,常用于電器設備的電機啟動器或加熱器控制功能。歐盟RoHS指令可能會影響到機械繼電器的工作可靠性,因此,混合式繼電器日益受到市場的青睞。
正確控制混合式繼電器,看起來容易,做起來難。例如,在機械開關和半導體開關相互轉換過程中可能會產生尖峰電壓,引起電磁噪聲輻射。為了有效降低尖峰電壓,本文將探討幾個簡易的控制電路設計技巧。
1/ 整合固態繼電器與機械繼電器的雙重優勢
當選擇交流開關時,固態繼電器和機械繼電器各有優缺點。半導體固態繼電器響應速度快,導通無電壓反彈,關斷無電弧,電壓反彈或電弧將會造成電磁干擾(EMI)輻射,縮短繼電器的使用壽命。機械繼電器的主要優點是導通損耗小,2 A RMS以上應用無需使用散熱器;驅動線圈與電源接線端子之間隔離,無需通過光耦合器驅動可控硅整流管(SCR)或雙向可控硅。
第三種繼電器是將固態繼電器與機械繼電器并聯,形成一個兼備這兩種技術優勢的混合式繼電器(簡稱HR)。圖1所示是電機啟動器內的混合式繼電器拓撲,這個三相電機啟動器只需要兩個混合式繼電器,如果兩個繼電器都是關斷狀態,只要電機中性線沒有連接,電機就會保持關斷狀態。如果負載連接了中性線,還可以在線 L1上串聯一個混合式繼電器。
圖 1: 左)基于混合式繼電器的電機啟動器;右)繼電器/雙向可控硅控制序列
圖1還描述了混合式繼電器的控制序列:
-接通序列:
-1.雙向可控硅(在大電流應用中,使用兩個反極性并聯的可控硅整流管)導通,負載零電壓接通。
-2.在一個或數個市電周期后,繼電器接通。繼電器的接通電壓極低(通常是1-2V,恰好是雙向可控硅的通態壓降)。
-3.在施加繼電器線圈電流一到兩個周期后,撤去雙向可控硅柵電流,為繼電器在雙向可控硅關斷前吸合提供充足的時間。因此,穩態負載電流只流經機械繼電器。
-關閉序列:
-1.雙向可控硅導通。因為繼電器還在接通狀態,所以負載電流主要流經機械繼電器。
-2. 幾毫秒后繼電器關閉。像繼電器接通一樣,關閉電壓同樣極低。因此,電弧時間被縮短。
-3.在撤去繼電器線圈電流一個到兩個周期后,再撤去雙向可控硅柵電流,雙向可控硅關斷。混合式繼電器在零電流時關斷。
繼電器在近零電壓時關閉,可提高繼電器使用壽命十倍。如果是直流電流或電壓關斷,這個數字還能再高些。
更重要地是,因為歐盟RoHS指令(2002/95/EC)關于豁免鎘限制使用的規定將于2016年到期,觸點防銹和觸點焊接所用的銀-氧化鎘合金將會被銀氧化鋅或銀氧化錫替代。除非使用面積更大的觸點,否則這些觸點的使用壽命將會縮短。
零壓導通技術還準許使用容性負載來降低涌流,容性負載包括燈具電子鎮流器和內置補償電容或逆變器的熒光燈具。這項技術有助于延長電容器的使用壽命,避免市電電壓不穩問題。此外,固態繼電器技術支持漸進式軟啟動或軟停止。電機轉速平穩升降可降低機械系統磨損,防止泵、風扇、電動工具和壓縮機損壞。例如,管道系統中的水擊現象就會消失,V型傳送帶打滑現象不會再出現。
這種混合式繼電器常用于4-15 kW的設備,最高應用功率可達250kW。
此外,混合式繼電器還可用于加熱系統。脈沖控制器通常被用于設定加熱功率或室溫/水溫。脈沖或周期跳躍模式控制方法是接通負載 ”N”個周期,關閉負載“K”個周期。像脈寬調制控制技術中的占空比一樣,“N/K”周期比用于設定加熱功率,雖然控制頻率小于25-30 Hz,但是,對于加熱系統的時間常量來說,這個頻率已經足夠快了。
2/ EMI噪聲源
驅動雙向可控硅有很多控制電路可以考慮,前提是隔離電路。圖1中的兩個雙向可控硅的參考電壓不同,所以隔離控制電路應該使用光耦雙向可控硅或脈沖變壓器。兩個電路的工作方式不同,產生的EMI噪聲也不相同。
圖 2 所示是一個光耦雙向可控硅驅動電路。當光耦雙向可控硅LED激活時(即當微控制器I/O引腳置于高邊時),通過R1施加雙向可控硅柵極電流。電阻R2連接在雙向可控硅G與A1端子之間,用于分流瞬變電壓在光耦雙向可控硅寄生電容上產生的電流。通常使用50-100歐姆的電阻器。
正確控制混合式繼電器,看起來容易,做起來難。例如,在機械開關和半導體開關相互轉換過程中可能會產生尖峰電壓,引起電磁噪聲輻射。為了有效降低尖峰電壓,本文將探討幾個簡易的控制電路設計技巧。
1/ 整合固態繼電器與機械繼電器的雙重優勢
當選擇交流開關時,固態繼電器和機械繼電器各有優缺點。半導體固態繼電器響應速度快,導通無電壓反彈,關斷無電弧,電壓反彈或電弧將會造成電磁干擾(EMI)輻射,縮短繼電器的使用壽命。機械繼電器的主要優點是導通損耗小,2 A RMS以上應用無需使用散熱器;驅動線圈與電源接線端子之間隔離,無需通過光耦合器驅動可控硅整流管(SCR)或雙向可控硅。
第三種繼電器是將固態繼電器與機械繼電器并聯,形成一個兼備這兩種技術優勢的混合式繼電器(簡稱HR)。圖1所示是電機啟動器內的混合式繼電器拓撲,這個三相電機啟動器只需要兩個混合式繼電器,如果兩個繼電器都是關斷狀態,只要電機中性線沒有連接,電機就會保持關斷狀態。如果負載連接了中性線,還可以在線 L1上串聯一個混合式繼電器。
圖 1: 左)基于混合式繼電器的電機啟動器;右)繼電器/雙向可控硅控制序列
圖1還描述了混合式繼電器的控制序列:
-接通序列:
-1.雙向可控硅(在大電流應用中,使用兩個反極性并聯的可控硅整流管)導通,負載零電壓接通。
-2.在一個或數個市電周期后,繼電器接通。繼電器的接通電壓極低(通常是1-2V,恰好是雙向可控硅的通態壓降)。
-3.在施加繼電器線圈電流一到兩個周期后,撤去雙向可控硅柵電流,為繼電器在雙向可控硅關斷前吸合提供充足的時間。因此,穩態負載電流只流經機械繼電器。
-關閉序列:
-1.雙向可控硅導通。因為繼電器還在接通狀態,所以負載電流主要流經機械繼電器。
-2. 幾毫秒后繼電器關閉。像繼電器接通一樣,關閉電壓同樣極低。因此,電弧時間被縮短。
-3.在撤去繼電器線圈電流一個到兩個周期后,再撤去雙向可控硅柵電流,雙向可控硅關斷。混合式繼電器在零電流時關斷。
繼電器在近零電壓時關閉,可提高繼電器使用壽命十倍。如果是直流電流或電壓關斷,這個數字還能再高些。
更重要地是,因為歐盟RoHS指令(2002/95/EC)關于豁免鎘限制使用的規定將于2016年到期,觸點防銹和觸點焊接所用的銀-氧化鎘合金將會被銀氧化鋅或銀氧化錫替代。除非使用面積更大的觸點,否則這些觸點的使用壽命將會縮短。
零壓導通技術還準許使用容性負載來降低涌流,容性負載包括燈具電子鎮流器和內置補償電容或逆變器的熒光燈具。這項技術有助于延長電容器的使用壽命,避免市電電壓不穩問題。此外,固態繼電器技術支持漸進式軟啟動或軟停止。電機轉速平穩升降可降低機械系統磨損,防止泵、風扇、電動工具和壓縮機損壞。例如,管道系統中的水擊現象就會消失,V型傳送帶打滑現象不會再出現。
這種混合式繼電器常用于4-15 kW的設備,最高應用功率可達250kW。
此外,混合式繼電器還可用于加熱系統。脈沖控制器通常被用于設定加熱功率或室溫/水溫。脈沖或周期跳躍模式控制方法是接通負載 ”N”個周期,關閉負載“K”個周期。像脈寬調制控制技術中的占空比一樣,“N/K”周期比用于設定加熱功率,雖然控制頻率小于25-30 Hz,但是,對于加熱系統的時間常量來說,這個頻率已經足夠快了。
2/ EMI噪聲源
驅動雙向可控硅有很多控制電路可以考慮,前提是隔離電路。圖1中的兩個雙向可控硅的參考電壓不同,所以隔離控制電路應該使用光耦雙向可控硅或脈沖變壓器。兩個電路的工作方式不同,產生的EMI噪聲也不相同。
圖 2 所示是一個光耦雙向可控硅驅動電路。當光耦雙向可控硅LED激活時(即當微控制器I/O引腳置于高邊時),通過R1施加雙向可控硅柵極電流。電阻R2連接在雙向可控硅G與A1端子之間,用于分流瞬變電壓在光耦雙向可控硅寄生電容上產生的電流。通常使用50-100歐姆的電阻器。
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