中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
聯(lián)系人：李鋒
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【導讀】固態(tài)繼電器(SOLIDSTATERELAYS,以下簡(jiǎn)寫(xiě)成“SSR”)，是一種全部由固態(tài)電子元件組成的新型無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)器件，它利用電子元件(如開(kāi)關(guān)三極管、雙向可控硅等半導體器件)的開(kāi)關(guān)特性，可達到無(wú)觸點(diǎn)無(wú)火花地接通和斷開(kāi)電路的目的，因此又被稱(chēng)為“無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)”。固態(tài)繼電器是一種四端有源器件，其中兩個(gè)端子為輸入控制端，另外兩端為輸出受控端。它既有放大驅動(dòng)作用，又有隔離作用,很適合驅動(dòng)大功率開(kāi)關(guān)式執行機構，較之電磁繼電器可靠性更高，且無(wú)觸點(diǎn)、壽命長(cháng)、速度快，對外界的干擾也小，已被得到廣泛應用 。
如何選擇SSR的型號規格
主要是選取適當的額定電流的固態(tài)繼電器（SSR）除特別說(shuō)明以外，整流、可控等功率模塊亦然。
根據不同的負載類(lèi)型來(lái)選用SSR的額定電流。阻性負載、感性負載和容性負載在剛起動(dòng)時(shí)瞬時(shí)電流較大。即使是純阻性，由于具有正溫度系數，冷態(tài)時(shí)電阻值較小，因而有較大的起動(dòng)電流。電爐剛接通時(shí)電流為穩定時(shí)的1.3—1.4倍。白熾燈接通時(shí)電流為穩態(tài)10倍。有些金屬鹵化物燈不但開(kāi)啟時(shí)間長(cháng)達10分鐘，而且有高達100倍穩態(tài)時(shí)的脈沖電流。
異步電動(dòng)機起動(dòng)電流為額定值的5—7倍，直流電機起動(dòng)電流還要大。不但如此，感性負載還具有較高的反電勢。這是一個(gè)不定值，隨L和di/dt的不同而不同。通常為電源電壓的1—2倍，這樣和電源電壓疊加。有高達三倍的電源電壓。
容性負載具有更大的危險性，因為起動(dòng)時(shí)，由于電容器兩端的電壓不能突變，電容器（負載）相當于短路。這種負載在選型時(shí)更要特別注意。
需要特別指出的是用戶(hù)不要將SSR的浪涌電流值作為選擇負載起動(dòng)電流的依據。SSR的浪涌電流值是以晶閘管浪涌電流為標準的。它的前提條件是半個(gè)（或一個(gè)）電源周波。即10或20ms。而前述啟動(dòng)過(guò)程，少則幾百毫秒、幾分鐘，多則高達10分鐘。這點(diǎn)務(wù)必敬請高度注意。
選型方法
1. 在選用小電流規格印刷電路板使用的固態(tài)繼電器時(shí)，因引線(xiàn)端子為高導熱材料制成,焊接時(shí)應在溫度小于250℃、時(shí)間小于10S的條件下進(jìn)行，如考慮周?chē)鷾囟鹊脑?，必要時(shí)可考慮降額使用，一般將負載電流控制在額定值的 1/2以?xún)仁褂谩?br/>
2. 各種負載浪涌特性對固態(tài)繼電器SSR的選擇
被控負載在接通瞬間會(huì )產(chǎn)生很大的浪涌電流，由于熱量來(lái)不及散發(fā)，很可能使SSR內部可控硅損壞,所以用戶(hù)在選用繼電器時(shí)應對被控負載的浪涌特性進(jìn)行分析,然后再選擇繼電器。使繼電器在保證穩態(tài)工作前提下能夠承受這個(gè)浪涌電流，選擇時(shí)可參考表2各種負載時(shí)的降額系數(常溫下)。
如所選用的繼電器需在工作較頻繁、壽命以及可靠性要求較高的場(chǎng)合工作時(shí)，則應在表2的基礎上再乘以0.6以確保工作可靠。
一般在選用時(shí)遵循上述原則，在低電壓要求信號失真小可選用采用場(chǎng)效應管作輸出器件的直流固態(tài)繼器；如對交流阻性負載和多數感性負載，可選用過(guò)零型繼電器，這樣可延長(cháng)負載和繼電器壽命，也可減小自身的射頻干擾。如作為相位輸出控制時(shí)，應選用隨機型固態(tài)繼電器。
3. 使用環(huán)境溫度的影響
固態(tài)繼電器的負載能力受環(huán)境溫度和自身溫升的影響較大，在安裝使用過(guò)程中,應保證其有良好的散熱條件，額定工作電流在10A以上的產(chǎn)品應配散熱器，100A以上的產(chǎn)品應配散熱器加風(fēng)扇強冷 。在安裝時(shí)應注意繼電器底部與散熱器的良好接觸 ，并考慮涂適量導熱硅脂以達到最佳散熱效果。
如繼電器長(cháng)期工作在高溫狀態(tài)下(40℃~80℃)時(shí)，用戶(hù)可根據廠(chǎng)家提供的最大輸出電流與環(huán)境溫度曲線(xiàn)數據，考慮降額使用來(lái)保證正常工作。
4. 過(guò)流、過(guò)壓保護措施
在繼電器使用時(shí)，因過(guò)流和負載短路會(huì )造成SSR固態(tài)繼電器內部輸出可控硅永久損壞 ,可考慮在控制回路中增加快速熔斷器和空氣開(kāi)關(guān)予以保護型(選擇繼電器應選擇產(chǎn)品輸出保護,內置壓敏電阻吸收回路和RC緩沖器,可吸收浪涌電壓和提高 dv/dt耐量）；也可在繼電器輸出端并接 RC吸收回路和壓敏電阻(MOV)來(lái)實(shí)現輸出保護。選用原則是220V選用500V-600V壓敏電阻，380V時(shí)可選用800V-900V壓敏電阻。
5. 繼電器輸入回路信號
在使用時(shí)因輸入電壓過(guò)高或輸入電流過(guò)大超出其規定的額定參數時(shí),可考慮在輸入端串接分壓電阻或在輸入端口并接分流電阻,以使輸入信號不超過(guò)其額定參數值。
6 在具體使用時(shí),控制信號和負載電源要求穩定，波動(dòng)不應大于10%，否則應采取穩壓措施。
7. 在安裝使用時(shí)應遠離電磁干擾,射頻干擾源，以防繼電器誤動(dòng)失控。
8. 固態(tài)繼電器開(kāi)路且負載端有電壓時(shí),輸出端會(huì )有一定的漏電流，在使用或設計時(shí)應注意。
9. 固態(tài)繼電器失效更換時(shí),應盡量選用原型號或技術(shù)參數完全相同的產(chǎn)品，以便與原應用線(xiàn)路匹配，保證系統的可靠工作。
交流固態(tài)繼電器按開(kāi)關(guān)方式分有電壓過(guò)零導通型（簡(jiǎn)稱(chēng)過(guò)零型）和隨機導通型（簡(jiǎn)稱(chēng)隨機型）；
按輸出開(kāi)關(guān)元件分有雙向可控硅輸出型（普通型）和單向可控硅反并聯(lián)型（增強型）；
按安裝方式分有印刷線(xiàn)路板上用的針插式（自然冷卻，不必帶散熱器）和固定在金屬底板上的裝置式（靠散熱器冷卻）；
另外輸入端又有寬范圍輸入（DC3－32V）的恒流源型和串電阻限流型等。
SSR固態(tài)繼電器以觸發(fā)形式，可分為零壓型(Z)和調相型(P)兩種。
在輸入端施加合適的控制信號VIN時(shí)，P型SSR立即導通。當VIN撤銷(xiāo)后，負載電流低于雙向可控硅維持電流時(shí)(交流換向)SSR關(guān)斷。Z型SSR內部包括過(guò)零檢測電路，在施加輸入信號VIN時(shí)，只有當負載電源電壓達到過(guò)零區時(shí)SSR才能導通，并有可能造成電源半個(gè)周期的最大延時(shí)。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，所以應用廣泛。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(shí)，在輸入信號截止t1之前，雙向可控硅導通，電流滯后電源電壓90O(純感時(shí))。t1時(shí)刻輸入控制信號撤銷(xiāo)，雙向可控硅在小于維持電流時(shí)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(gè)電壓將通過(guò)雙向可控硅內部的結電容，正反饋到柵極。如果超過(guò)雙向可控硅換向dv/dt指標(典型值10V/s將引起換向恢復時(shí)間長(cháng)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(shí)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520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熱條件，提高了SSR輸出功率。增強型SSR在大功率應用場(chǎng)合，無(wú)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(guò)普通固態(tài)繼電器，并達到了進(jìn)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。
負載與SSR的選擇
SSR對一般的負載應是沒(méi)有問(wèn)題的，但也必須考慮一些特殊的負載條件，以避免過(guò)大的沖擊電流和過(guò)電壓，對器件性能造成不必要的損壞。白熾燈、電爐等類(lèi)的“冷阻”特性，造成開(kāi)通瞬間的浪涌電流，超過(guò)額定工作電流值數倍。一般普通型SSR，可按電流值的2/3選用。增強型SSR，可按廠(chǎng)商提供的參數選用。在惡劣條件下的工業(yè)控制現場(chǎng)，建議留有足夠的電壓、電流余量。
某些類(lèi)型的燈，在燒斷瞬間會(huì )出現低阻抗。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(huì )造成類(lèi)似短路狀態(tài)?？稍诰€(xiàn)路中進(jìn)一步串聯(lián)電阻或電感，作為限流措施。電機的開(kāi)啟和關(guān)閉，也會(huì )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(shí)引起的抖動(dòng)，以及電容換向式電機換向時(shí)，電容電壓 和電源電壓的疊加會(huì )在SSR兩端產(chǎn)生二倍電源的浪涌電壓。
控制變壓器初級時(shí)，也應考慮次級線(xiàn)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(gè)方向電流不對稱(chēng)，造成飽和引起的浪涌電流異?，F象。上述情況，使SSR在特殊負載的應用，多少變得有點(diǎn)復雜?？尚械霓k法，就是通過(guò)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。
被控負載在接通瞬間會(huì )產(chǎn)生很大的浪涌電流，由于熱量來(lái)不及散發(fā)，很可能使SSR內部可控硅損壞，所以用戶(hù)在選用繼電器時(shí)應對被控負載的浪涌特性進(jìn)行分析，然后再選擇繼電器。使繼電器在保證穩態(tài)工作前提下能夠承受這個(gè)浪涌電流，選擇時(shí)可參考表2各種負載時(shí)的降額系數（常溫下）。
如所選用的繼電器需在工作較頻繁、壽命以及可靠性要求較高的場(chǎng)合工作時(shí)，則應在表2的基礎上再乘以0.6以確保工作可靠。
一般在選用時(shí)遵循上述原則，在低電壓要求信號失真小可選用采用場(chǎng)效應管作輸出器件的直流固態(tài)繼電器；如對交流阻性負載和多數感性負載，可選用過(guò)零型繼電器，這樣可延長(cháng)負載和繼電器壽命，也可減小自身的射頻干擾。如作為相位輸出控制時(shí)，應選用隨機型固態(tài)繼電器。
