固態(tài)繼電器是繼電器的改進(jìn)形式，固態(tài)繼電器由固態(tài)材料組成，其特性?xún)?yōu)于典型繼電器。繼電器用于自動(dòng)切換電源，用于擺脫手動(dòng)且難以處理的典型開(kāi)關(guān)技術(shù)。固態(tài)繼電器是一種開(kāi)關(guān)，它是一種非接觸式開(kāi)關(guān)。固態(tài)繼電器的制造材料是固態(tài)元件，使用固態(tài)元件的優(yōu)點(diǎn)在于固態(tài)元件可以用較小的控制信號(hào)來(lái)控制高負(fù)載電流。在固態(tài)繼電器中，由于繼電器中使用的固態(tài)元件的特性，不存在打火的可能性?？梢暂p松實(shí)現(xiàn)固態(tài)繼電器的關(guān)斷和導(dǎo)通狀態(tài)，同時(shí)還具有邏輯電路兼容，耐振耐機(jī)械沖擊，安裝位置無(wú)限制，具有良好的防潮防霉防腐蝕性能，在防爆和防止臭氧污染方面的性能也極佳，輸入功率小，靈敏度高，控制功率小等等優(yōu)點(diǎn)，下面由小編來(lái)介紹一下固態(tài)繼電器的工作原理和優(yōu)缺點(diǎn)吧。
固態(tài)繼電器
1.定義
固態(tài)繼電器(也稱(chēng)為SSR，SS繼電器，SSR繼電器或SSR開(kāi)關(guān))是一種集成的非接觸式電子開(kāi)關(guān)設(shè)備，由集成電路(IC)和分立組件緊密組裝而成。它的功能與機(jī)電繼電器相同，但沒(méi)有移動(dòng)部件，因此使用壽命更長(zhǎng)，但它具有與機(jī)電繼電器本質(zhì)上相同的功能。SSR由一個(gè)響應(yīng)適當(dāng)輸入(控制信號(hào))的傳感器、一個(gè)將電源切換到負(fù)載電路的固態(tài)電子開(kāi)關(guān)設(shè)備以及一個(gè)耦合機(jī)制組成，該耦合機(jī)制使控制信號(hào)能夠在沒(méi)有機(jī)械部件的情況下激活該開(kāi)關(guān)。該繼電器可被設(shè)計(jì)為切換或者AC或直流負(fù)載。
封裝的固態(tài)繼電器使用功率半導(dǎo)體器件(如晶閘管和晶體管)來(lái)切換高達(dá)100安培左右的電流。與機(jī)電繼電器相比，固態(tài)繼電器具有更快的開(kāi)關(guān)速度，并且沒(méi)有可磨損的物理觸點(diǎn)。固態(tài)繼電器的用戶(hù)必須考慮到SSR無(wú)法像機(jī)電繼電器那樣承受大的瞬時(shí)過(guò)載，以及它們較高的“導(dǎo)通”電阻。
2.結(jié)構(gòu)
固態(tài)繼電器是四端子有源裝置，四個(gè)端子中的兩個(gè)是輸入控制端子，另外兩個(gè)端子是輸出控制端子。盡管SSR開(kāi)關(guān)的類(lèi)型和規(guī)格眾多，但它們的結(jié)構(gòu)相似，并且主要由三部分組成(如圖1所示)：輸入電路(控制電路)，驅(qū)動(dòng)電路和輸出電路(受控電路)。
圖1 內(nèi)部電路圖
2.1輸入電路
固態(tài)繼電器的輸入電路，也稱(chēng)為控制電路，為輸入控制信號(hào)提供一個(gè)回路，使控制信號(hào)成為固態(tài)繼電器的觸發(fā)源。根據(jù)輸入電壓類(lèi)型的不同，輸入電路可分為直流輸入電路，交流輸入電路和交流/直流輸入電路三種。
直流輸入電路可進(jìn)一步分為電阻輸入電路和恒流輸入電路。
(1)電阻輸入電路。其輸入電流隨輸入電壓的增加而線性增加，反之亦然。如果控制信號(hào)具有固定的控制電壓，則應(yīng)選擇電阻器輸入電路。
(2)恒流輸入電路。當(dāng)恒流輸入電路的輸入電壓達(dá)到一定值時(shí)，電流不會(huì)隨著電壓的增加而明顯增加。此功能允許在相當(dāng)寬的輸入電壓范圍內(nèi)使用恒流輸入固態(tài)繼電器。例如，當(dāng)控制信號(hào)的電壓變化范圍較大(例如3?32V)時(shí)，建議使用帶有恒流輸入電路的DC固態(tài)繼電器，以確保DC固態(tài)繼電器能夠可靠地工作，整個(gè)輸入電壓范圍。
這些輸入控制電路中的一些具有正邏輯和負(fù)邏輯控制，反相和其他功能，以及邏輯電路的兼容性。因此，固態(tài)繼電器可以很容易地連接到TTL電路(晶體管-晶體管邏輯電路)，CMOS電路(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體電路)，DTL電路(二極管-晶體管邏輯電路)和HTL電路(高閾值邏輯電路)。目前，DTL已逐漸被TTL取代，HTL已被CMOS取代。并且如果將脈寬調(diào)制信號(hào)(PWM)用作輸入信號(hào)，則交流負(fù)載電源的ON / OFF開(kāi)關(guān)頻率應(yīng)設(shè)置為小于10Hz，否則AC SSR的輸出電路的輸出開(kāi)關(guān)率將無(wú)法保持與它。
2.2驅(qū)動(dòng)電路
固態(tài)繼電器的驅(qū)動(dòng)電路包括三部分：隔離耦合電路，功能電路和觸發(fā)電路。但是，根據(jù)固態(tài)繼電器的實(shí)際需要，可以?xún)H包括這些部件中的一個(gè)/兩個(gè)。
(1)隔離耦合電路：固態(tài)繼電器的I / O電路(輸入/輸出電路)的隔離和耦合方法當(dāng)前使用兩種方式，光耦合器電路和高頻變壓器電路。
a)光耦合器(也稱(chēng)為光耦合器，光耦合器，光隔離器或光隔離器)與紅外LED(發(fā)光二極管)和光學(xué)傳感器不透明地包裝在一起，以實(shí)現(xiàn)“控制側(cè)”和“負(fù)載側(cè)”之間的隔離控制，因?yàn)?ldquo;光束”與“光發(fā)射器”與“光傳感器”之間沒(méi)有電連接或物理連接。“源-傳感器”組合的類(lèi)型通常包括：“ LED-光電晶體管”(光電晶體管耦合器)，“ LED-Triac”(光電三極管耦合器)和“ LED-光電二極管陣列”(光電二極管堆棧用于驅(qū)動(dòng)一對(duì)) MOSFET或IGBT)。
b)高頻變壓器耦合電路使用高頻變壓器將輸入端的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為輸出端的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。詳細(xì)過(guò)程是，輸入控制信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)自激高頻信號(hào)，該信號(hào)將通過(guò)變壓器鐵心傳輸?shù)阶儔浩鞔渭?jí)，經(jīng)過(guò)檢測(cè)/ 整流電路和邏輯電路處理后，該信號(hào)最終將變?yōu)轵?qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)觸發(fā)電路。
(2)功能電路：該功能電路可以包括各種功能電路，例如檢測(cè)電路，整流器電路，過(guò)零電路，加速電路，保護(hù)電路，顯示電路等。
(3)觸發(fā)電路：該觸發(fā)電路用于提供一個(gè)觸發(fā)信號(hào)到輸出電路。
2.3輸出電路
固態(tài)繼電器的輸出電路由觸發(fā)信號(hào)控制，以實(shí)現(xiàn)負(fù)載電源的開(kāi)/關(guān)切換。主要由輸出組件(芯片)和吸收環(huán)路(用作瞬態(tài)抑制器)組成，有時(shí)還包括反饋電路。到目前為止，固態(tài)繼電器的輸出組件主要包括： 雙極結(jié)型晶體管(Bipolar Transistor或BJT，分為PNP和NPN兩種類(lèi)型)，晶閘管(硅控整流器或SCR)，三端雙向可控硅(雙向三極管，雙向晶閘管，雙向可控整流器(BCR)，金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)，絕緣柵雙極晶體管(IGBT)，碳化硅MOSFET(SIC MOSFET)，一種寬帶隙 工業(yè)級(jí)最高工作結(jié)溫為200°C，功耗低，尺寸緊湊的晶體管等)。
固態(tài)繼電器的輸出電路可分為三種：直流輸出電路，交流輸出電路和交流/直流輸出電路。DC輸出電路通常使用雙極性組件(例如IGBT或MOSFET)作為輸出組件，而AC輸出電路通常使用兩個(gè)晶閘管或一個(gè)Triac作為輸出組件。
3.工作原理
固態(tài)繼電器的工作原理可以通過(guò)將固態(tài)繼電器分為兩類(lèi)來(lái)理解。一種是交流固態(tài)繼電器，另一種是直流固態(tài)繼電器。它由一個(gè)輸入和輸出端子組成。繼電器的輸入和輸出連接到指定的端子。當(dāng)特定的控制信號(hào)提供給固態(tài)繼電器的輸入端時(shí)，輸出端的ON和OFF功能會(huì)相應(yīng)地執(zhí)行，并在獲得該功能后打開(kāi)繼電器的開(kāi)關(guān)功能。借助固態(tài)繼電器中的耦合電路，在繼電器的輸入和輸出之間形成通道。對(duì)于直流固態(tài)繼電器，沒(méi)有緩沖電路和過(guò)零控制電路。固態(tài)繼電器的開(kāi)關(guān)采用一個(gè)較大值的晶體管。
圖2 工作原理圖
操作時(shí)，只需在A&B上放置一定的控制信號(hào)，即可控制C、D之間的通斷狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)切換功能。耦合電路的作用是為A、B輸入的控制信號(hào)提供輸入和輸出端之間的通道，但切斷輸入和輸出之間的電氣連接，防止輸出影響輸入。
耦合電路中使用的元件為“光耦合器”，具有動(dòng)作靈敏度好、響應(yīng)速度快、輸入/輸出絕緣(耐壓)水平高等特點(diǎn)。輸入端的負(fù)載是一個(gè)發(fā)光二極管，這使得SSR輸入很容易匹配輸入信號(hào)電平。使用中可直接接電腦輸出接口，即由“1”和“0”的邏輯電平控制。
觸發(fā)電路的功能是產(chǎn)生所需的觸發(fā)信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)電路工作。但是如果沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的控制電路，開(kāi)關(guān)電路會(huì)產(chǎn)生RFI(射頻干擾)并以高次諧波或尖峰的形式污染電網(wǎng)，因此為此設(shè)置了過(guò)零控制電路。過(guò)零是指當(dāng)放置控制信號(hào)和交流電壓過(guò)零時(shí)，SSR處于導(dǎo)通狀態(tài);關(guān)閉控制信號(hào)后，SSR直到交流電流處于正半周和負(fù)半周的結(jié)點(diǎn)(零電位)時(shí)才處于關(guān)斷狀態(tài)。
這種設(shè)計(jì)防止了高次諧波的干擾和電網(wǎng)的污染。緩沖電路設(shè)計(jì)用于防止電源的浪涌和尖峰(電壓)對(duì)開(kāi)關(guān)元件三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件的沖擊和干擾。通常使用RC串聯(lián)緩沖電路或非線性電阻(MOV)。與交流固態(tài)繼電器相比，直流固態(tài)繼電器內(nèi)部沒(méi)有過(guò)零控制電路和緩沖電路，開(kāi)關(guān)元件通常采用大功率晶體管。此外，其他工作原理相同。
4.固態(tài)繼電器與機(jī)械繼電器相比
4.1優(yōu)點(diǎn)
固態(tài)繼電器對(duì)比機(jī)電繼電器，大多數(shù)相對(duì)優(yōu)勢(shì)對(duì)于所有固態(tài)設(shè)備都是通用的。
本質(zhì)上比類(lèi)似規(guī)格的機(jī)械繼電器更小、更薄，允許更緊密的包裝。(如果需要，可以具有相同的“外殼”外形以實(shí)現(xiàn)互換性。)
完全靜音操作。
SSR的開(kāi)關(guān)速度比機(jī)電繼電器快;典型光耦合SSR的開(kāi)關(guān)時(shí)間取決于打開(kāi)和關(guān)閉LED所需的時(shí)間——在微秒到毫秒的數(shù)量級(jí)。
延長(zhǎng)使用壽命，即使它被多次激活，因?yàn)闆](méi)有可磨損的移動(dòng)部件，也沒(méi)有接觸點(diǎn)或積碳。
無(wú)論使用量如何，輸出電阻都保持恒定。
干凈、無(wú)反彈的操作。
無(wú)火花，使其可用于爆炸性環(huán)境，在這種環(huán)境中，開(kāi)關(guān)過(guò)程中不產(chǎn)生火花至關(guān)重要。
對(duì)存儲(chǔ)和操作環(huán)境因素(如機(jī)械沖擊、振動(dòng)、濕度和外部磁場(chǎng))的敏感度要低得多。
4.2缺點(diǎn)
半導(dǎo)體而非機(jī)械觸點(diǎn)的電壓/電流特性：
關(guān)閉時(shí)，更高的電阻(產(chǎn)生熱量)和增加的電噪聲
開(kāi)路時(shí)，電阻較低，反向漏電流(通常為μA范圍)
電壓/電流特性不是線性的(不是純電阻)，在一定程度上扭曲了開(kāi)關(guān)波形。機(jī)電繼電器在激活時(shí)具有相關(guān)機(jī)械開(kāi)關(guān)的低歐姆(線性)電阻，而在打開(kāi)時(shí)氣隙和絕緣材料具有極高的電阻。
某些類(lèi)型具有極性敏感輸出電路。機(jī)電繼電器不受極性影響。
由于電壓瞬變而導(dǎo)致虛假開(kāi)關(guān)的可能性(由于開(kāi)關(guān)速度比機(jī)械繼電器快得多)
柵極充電電路所需的隔離偏置電源
由于體二極管的存在，更高的瞬態(tài)反向恢復(fù)時(shí)間(Trr)
其輸出端傾向于“短路”失敗，而機(jī)電繼電器觸點(diǎn)傾向于“斷開(kāi)”失敗。
5.關(guān)于固態(tài)繼電器的相關(guān)問(wèn)題
5.1固態(tài)繼電器有什么用?
固態(tài)繼電器(SSR)是一種電氣開(kāi)關(guān)，可用于使用另一個(gè)電氣輸入來(lái)打開(kāi)和關(guān)閉設(shè)備。與機(jī)電繼電器(EMR)不同，SSR使用半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)和光電子學(xué)，而不是磁性和移動(dòng)觸點(diǎn)。
5.2固態(tài)繼電器可以失效關(guān)閉嗎?
歐姆龍不斷努力提高質(zhì)量和可靠性。然而SSR使用半導(dǎo)體，并且半導(dǎo)體通?？赡軙?huì)出現(xiàn)故障或失效。短路故障是主要的故障模式，可能導(dǎo)致無(wú)法關(guān)閉負(fù)載。
5.3固態(tài)繼電器會(huì)變熱嗎?
固態(tài)繼電器(SSR)太熱而無(wú)法觸摸。雖然在額定范圍內(nèi)流過(guò)最大電流時(shí)，SSR的溫度達(dá)到80至100度左右，但并無(wú)異常。但是要特別注意熱量損失。
5.4固態(tài)繼電器有多快?
由于繼電器不必為線圈通電并物理打開(kāi)和關(guān)閉觸點(diǎn)，因此它實(shí)際上比EMR消耗的功率少75%。這也意味著繼電器以更快的速度切換。EMR平均在5-15毫秒之間切換和穩(wěn)定，而SSR平均在.5-1ms。
5.5固態(tài)繼電器會(huì)發(fā)出咔嗒聲嗎?
機(jī)電繼電器內(nèi)的物理組件通常會(huì)發(fā)出“咔嗒”聲，這在某些情況下實(shí)際上很有用，但它可能會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部電弧放電并需要相對(duì)大量的時(shí)間來(lái)移動(dòng)。固態(tài)繼電器可能就是半導(dǎo)體行業(yè)的典型代表。
5.6固態(tài)繼電器怎么測(cè)好壞?
連接負(fù)載和電源，在輸入ON和OFF的情況下檢查負(fù)載端子的電壓。SSR關(guān)閉時(shí)，輸出電壓將接近負(fù)載電源電壓。隨著SSR開(kāi)啟，電壓將下降到大約1V。
5.7固態(tài)繼電器有常開(kāi)和常閉嗎?
固態(tài)繼電器具有直流或交流控制。大多數(shù)固態(tài)繼電器都有一個(gè)常開(kāi)輸出——也就是說(shuō)，在沒(méi)有控制信號(hào)的情況下，繼電器輸出是不導(dǎo)通的。某些特定類(lèi)型的固態(tài)繼電器具有常閉輸出，因此在沒(méi)有控制信號(hào)的情況下繼電器輸出會(huì)導(dǎo)通。
5.8固態(tài)繼電器開(kāi)關(guān)頻率是多少?
固態(tài)繼電器每秒最多可切換120次，比任何機(jī)電繼電器快得多。當(dāng)用于加熱應(yīng)用時(shí)，快速循環(huán)可以通過(guò)減少熱應(yīng)力來(lái)顯著提高加熱器的壽命。SSR允許通過(guò)超靈敏的輸入電源切換大負(fù)載。
結(jié)語(yǔ)
以上就是固態(tài)繼電器工作原理和優(yōu)缺點(diǎn)的介紹了。固態(tài)繼電器與電磁繼電器相比具有可靠性高、無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)火花、壽命長(zhǎng)、開(kāi)關(guān)速度快、抗干擾能力強(qiáng)、體積小等優(yōu)點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備、化工、醫(yī)療設(shè)備、安防系統(tǒng)等領(lǐng)域。固態(tài)繼電器最常見(jiàn)的應(yīng)用是交流負(fù)載的負(fù)載切換。許多家用電路都有用于交流負(fù)載切換的固態(tài)繼電器。固態(tài)繼電器與功率控制有不同的應(yīng)用，另外，不同的固態(tài)繼電器用于加熱器控制。
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