固态继电器

简介/固态继电器 编辑

固态继电器图册

单相固态继电器它为单刀单掷常开式结构， 用LED显示工作状态。它是用现代微电子技术与电力电子技术发展起来的一种新型无触点开关器件。它可以实现用微弱的控制信号(几毫安到几十毫安)控制0．1A直至几百A电流负载，进行无触点接通或分断。它为四端有源器件，两个输入控制端，两个负载输出端，输出端与负载、电源串联，输入输出之间为光电隔离，内置RC吸收回路，输入端加上直流或脉冲信号，输出端就能从断态转变成通态。

整个器件没有任何可动部件或触点，实现了相当于电磁继电器的功能。固态继电器工作可靠，无触点、无火花、寿命长、无噪声，无电磁干扰，开关速度快，抗干扰能力强，且体积小，耐振动、耐冲击，防爆、防潮、防腐蚀，能与TTL、DTL、HTL等逻辑电路兼容，以微小的控制信号达到直接驱动大电流负载的目的。

组成部分/固态继电器 编辑

组成固态继电器有三部分组成：输入电路，隔离(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。

分类/固态继电器 编辑

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按工作性质分有直流输入-交流输出型、直流输入-直流输出型、交流输入-交流输出型、交流输入-直流输出型。
按安装方式有装置式（面板安装），线路板安装型。
按元件分有普通型和增强型。

交流固体继电器按开关方式分有电压过零导通型（简称过零型）和随机导通型（简称随机型）；按输出开关元件分有双向可控硅输出型（普通型）和单向可控硅反并联型（增强型）；按安装方式分有印刷线路板上用的针插式（自然冷却，不必带散热器）和固定在金属底板上的装置式（靠散热器冷却）；

另外输入端①直流恒流控制型（D3），电压为3-36Vdc宽范围，驱动电流为5-15mA；②直流抗干扰控制型（D2），电压为18-30Vdc；③串电阻限流型（D1），电压为4-8Vdc，专用于随机型LSR；④交流控制型（A3），电压为90-430Vac宽范围。

选用/固态继电器 编辑

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(1)选用固态继电器的类型：首先应根据受控电路电源类型来正确选择固态继电器的电源类型，以保证应用电路及固态继电器的正常工作。若受控电路的电源为交流电压，则应选用交流固态继电器(AG-SSR)。若受控电路的电源为直流电压，则应选用直流固态继电器(DC-SSR)。若选用了交流固态继电器，还应根据应用电路的结构选择有源式交流固态继电器或无源式交流固态继电器。

(2)选择固态继电器的带负载能力：应根据受控电路的电源电压和电流来选择固态继电器的输出电压和输出电流。一般交流固态继电器的输出电压为AC20～380 V，电流为1～10 A；直流固态继电器的输出电压为4～55 V，电流为0．5～10 A。若受控电路的电流较小，则可选用小功率固态继电器。反之，则应选用大功率固态继电器。选用的继电器应有一定的功率余量，其输出电压与输出电流应高于受控电路电源电压与电流的1倍。若受控电路为电感性负载，则继电器输出电压与输出电流应高于受控电路电源电压与电流的2倍以上。^[1]

工作原理/固态继电器 编辑

它是用半导体器件代替传统电接点作为切换装置的具有继电器特性的无触点开关器件，单相SSR为四端有源器件，其中两个输入控制端，两个输出端，输入输出间为光隔离，输入端加上直流或脉冲信号到一定电流值后，输出端就能从断态转变成通态。
交流固态继电器按开关方式分有电压过零导通型（简称过零型）和随机导通型（简称随机型）；
按输出开关元件分有双向可控硅输出型（普通型）和单向可控硅反并联型（增强型）；
按安装方式分有印刷线路板上用的针插式（自然冷却，不必带散热器）和固定在金属底板上的装置式（靠散热器冷却）；
另外输入端又有宽范围输入（DC3－32V）的恒流源型和串电阻限流型等。
SSR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。SSR由于采用输出器件不同，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SSR的换向dv/dt指标提高了520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。^[2]

优点/固态继电器 编辑

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器件，所以切换速度可从几毫秒至几微妙。
4、电磁干扰小：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。

缺点/固态继电器 编辑

1、导通后的管压降大，可控硅或双相控硅的正向降压可达1~2V，大功率晶体管的饱和压降在1~2V之间，一般功率场效应管的导通电阻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。

应用/固态继电器 编辑

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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自动化装置等。在应用中需要考虑下述问题。
1、器件的发热
SSR在导通时,元件将承受P耗=V有€讥有的热耗散功率,其中V有效值和I有效值分别为饱和压降和工作电流的有效值。此时,需依据实际工作环境条件，严格参照额定工作电流时允许的外壳温升(75℃)，合理选用散热器尺寸或降低电流使用，否则将因过热引起失控,甚至造成产品损坏。
在线路板上使用，连续负载电流23A时，可选用S€?3S€?4产品，5A时可选用S€?08W3封装产品。10A以下,可采用散热条件良好的仪器底板。10A以上,需配散热器。30A以下采用自然风冷，连续负载电流大于30A时,需采用仪器风扇强制风冷。
2、封装和安装形式
卧式W型、立式L型，体积小适用于印制板直接焊接安装。立式L2型,既能适合于线路板焊接安装，也能适用于线路板上插接安装。K型及F型,适合散热器及仪器底板安装。大功率SSR(K型和F型封装)安装时，应注意散热器接触面应平整，并需涂复导热硅脂(先锋T-50)。安装力矩愈大，接触热阻愈小。大电流引出线，需配冷压焊片，以减少引出线接点电阻。
3、输入端驱动
SSR按输入控制方式，可分为电阻型、恒流源和交流输入控制型。目前主要提供的，是供5VTTL电平用电阻输入型。使用其他控制电压时，可相应选用限流电阻。SSR输入属于电流型器件，当输入端光耦可控硅完全导通后(微秒数量级),触发功率可控硅导通。当激励不足或斜波式的触发电压，有可能造成功率可控硅处于临界导通边缘,并造成主负载电流流经触发回路引起的损坏。
例如基本性能测试电路、输入为可调电压源，测试负载用100W灯泡，输入触发信号应为阶跃逻辑电平,强触发方式。国外厂商提供的器件标准电流为10mA，考虑到全温度工作范围(-40　+70℃)，发光效率稳定和抗干扰能力,推荐最佳直流触发工作电流在12-25mA之间。SSR输入端可并联或串联驱动。串联使用时，一个SSR按4V电压考虑，12V电压可驱动3个SSR。

4、干扰问题
SSR产品也是一种干扰源，导通时会通过负载产生辐射或电源线的射频干扰，干扰程度随负载大小而不同。白炽灯电阻类负载产生的干扰较小，零压型在交流电源的过零区(即零电压)附近导通，因此干扰也较小。减少的方法是在负载串联电感线圈。另外，信号线与功率线之间，也应避免交叉干扰。
5、过流/过压保护
快速熔断器和空气开关通用的过电流保护方法。快速熔断器可按额定工作电流的1.2倍选择，一般小容量可选用保险丝。特别注意负载短路,是造成SSR产品损坏的主要原因。感性及容性负载，除内部RC电路保护外,建议采用压敏电阻并联在输出端，作为组合保护。金属氧化锌压敏电阻(MOV)面积大小决定吸收功率，厚度决定保护电压值。交流220V的SSR，选用MYH12、430V、　12的压敏电阻;380V选用MYH12、750V压敏电阻；较大容量的电机变压器应选用MYH20、24通流容量大的压敏电阻。
6、关于负载的考虑
SSR对一般的负载应是没有问题的，但也必须考虑一些特殊的负载条件，以避免过大的冲击电流和过电压，对器件性能造成不必要的损坏。白炽灯、电炉等类的“冷阻”特性,造成开通瞬间的浪涌电流，超过额定工作电流值数倍。一般普通型SSR，可按电流值的2/3选用。增强型SSR，可按厂商提供的参数选用。在恶劣条件下的工业控制现场，建议留有足够的电压、电流余量。
某些类型的灯在烧断瞬间会出现低阻抗。气化和放电通道以及容性负载,如切换电容器组或电容器电源，会造成类似短路状态。可在线路中进一步串联电阻或电感，作为限流措施。电机的开启和关闭，也会产生较大的冲击电流和电压。中间继电器、电磁阀吸合不可靠时引起的抖动，以及电容换向式电机换向时，电容电压和电源电压的叠加会在SSR两端产生二倍电源的浪涌电压。
控制变压器初级时，也应考虑次级线路上的瞬态电压对初级的影响。此外,变压器也有可能因为两个方向电流不对称,造成饱和引起的浪涌电流异常现象。就是通过示波器去测量可能引起的浪涌电流和电压，从而选用合适的SSR和保护措施。
固态继电器已广泛应用于计算机外围接口装置，电炉加热恒温系统，数控机械，遥控系统、工业自动化装置；信号灯、闪烁器、照明舞台灯光控制系统；仪器仪表、医疗器械、复印机、自动洗衣机；自动消防，保安系统，以及作为电网功率因素补偿的电力电容的切换开关等等，另外在化工、煤矿等需防爆、防潮、防腐蚀场合中都有大量使用。

特性/固态继电器 编辑

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1、负载类型，输出电流和浪涌电流 

使用中流过继电器输出端的稳态电流不得超过产品详细规范规定的相应温度下的额定输出电流，可能出现在浪涌电流不得超过继电器的过负载能力，用户在选用固体继电器时，必须考虑继电器在保证稳态工作的前提下，能够承受这个浪涌电流。给出考虑负载浪涌电流和继电器过负载能力后，常温下各种负载的稳态电流对固态继电器额定输出电流的降额系数的推荐值。 

负载类型 电阻 电热 白炽灯 交流电磁铁 变压器 单相电机 三相电机

降额系数 1 0.8 0.5 0.5 0.5 0.12～0.24 0.18～0.33 

举例：设固态继电器负载为电磁铁，电磁铁工作电流为1.4A ,根据降额系数，计算出额定电流值为1.4A/0.5=2.8A，留一点余量，选择3A的固态继电器较合适 

2、输出电压、瞬态电压和DV/DT 

直流固态继电器只适用于控制直流电源和负载，交流固态继电器只适用于控制交流电源和负载交流直流通用(双向)固态继电器可适用于交流、直流和双向方波的控制。负载电源的电压不能超过继电器的额定输出电压，也不能低于规定的最小输出电压，可能加至继电器输出端的最大电压峰值，一定要低于继电器的瞬态电压值。切换交流电感负载，单相电机和三相电机负载，或这些负载电器上电时，继电器输出端可能出现两倍于电源电压峰值的电压。 

对感性和容性负载，当交流固体继电器在零电流关断时，电源电压不为零，并且以较大的DV/DT值加至继电器的输出端，因此应选用DV/DT高的继电器。 

3、输入特性 

阻性输入固态继电器的输入电压一般可分为两档，适应低电压输入信号的10-30V，还有是输入电压范围较大的恒流输入固体继电器，范围在4-24V，固态继电器的输入电流一般在10MA左右，可与TTL电路兼容。 

4、其它特性 

包括固态继电器的输出电压降，输出漏电流，零点交流，绝缘电阻，介质耐压等电气特性。所在固态继电器都具有零和非过零两种方式，非过零请助用户注明，选用固态继电器要留有余量预防负载短路，应选用适量快速熔断器，在控制感性负载时，一定要考虑负载的启动特性，在控制感性负载时，一定要考虑负载的启动特性，电流大于40A时，需加风扇强冷或水冷，风速大于6米/秒。

 说明：

1、负载10A及以上，必须安装散热器，40A以上加风扇强冷或水冷。 

2、使用感性负载时，请必须在输出端并接一压敏电阻，取值为负载电压的1.6-1.9倍。^[3]

技术参数/固态继电器 编辑

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1．输入电压范围：在环境温度25'c下，固态继电器能够工作的输入电压范围。2．输入电流：在输入电压范围内某一特定电压对应的输入电流值。

3．接通电压：在输入端加该电压或大于该电压值时，输出端确保导通。
4．关断电压：在输入端加该电压或小于该电压值时，输出端确保关断。
5．反极性电压：能够加在继电器输入端上，而不应起永久性破坏的最大允许反向电压。
6．额定输出电流：环境25'C时的最大稳态工作电流。
7．额定输出电压：能够承受的最大负载工作电压。
8．输出电压降：当继电器处于导通时，在额定输出电流下测得的输出端电压。
9．输出漏电流：当继电器处于关断状态施加额定输出电压时，流经负载的电流值。
10．接通时间：当继电器接通时，加输入电压到接通电压开始至输出达到其电压最终变化的90%为止之间的时间间隔。
11．关断时间：当继电器关断时，切除输入电压到关断电压开始至输出达到其电压最终变化的10%为止之间的时间间隔。
12．过零电压：对交流过零型固态继电器，输入端加入额定电压，能使继电器输出端导通的最大起始电压。
13．最大浪涌电压：继电器能承受的而不致造成永久性损坏的非重复浪涌(或过载)电流。
14．电器系统峰值：在继电器工作状态继电器输出端能够承受的最大迭加的瞬时峰值击穿电压。
15．电压指数上升率dv/dt：继电器的输出元件能够承受的不使其导通的电压上升率。
16．工作温度：继电器安规范安装或不安装散热板时，其正常工作的环境温度范围。

特点/固态继电器 编辑

交流固态继电器与通常的电磁继电器不同：无触点、输入电路与输出电路之间光(电)隔离、由分立元件．半导体微电子电路芯片和电力电子器件组装而成，以阻燃型环氧树脂为原料，采用灌封技术持其封闭在外壳中、使与外界隔离，具有良好的耐压、防腐、防潮抗震动性能。主要不足是存在通态压降（需相应散热措施），有断态漏电流，触点组数少，另外过电流、过电压及电压上升率、电流上升率等指标差。

区别/固态继电器 编辑

由于触发信号方式不同，过零型和随机型之间的区别主要在于负载交流电流导通的条件不同。当输入端施加有效的控制信号时，随机型LSR负载输出端立即导通（速度为微秒级），而过零型LSR则要等到负载电压过零区域(约±15V)时才开启导通。当输入端撤消控制信号后，过零型和随机型LSR均在小于维持电流时关断，这两种类型的关断条件相同。虽然过零型LSR有可能造成最大半个周期的延时，但却减少了对负载的冲击和产生的射频干扰，在负载上可以得到一个完整的正弦波形，成为理想的开关器件，在“单刀单掷”的开关场合中应用最为广泛。 随机型LSR的特点是反应速度快，它可以用控制移相触发脉冲来方便地改变负载的交流工作电压，从而应用于精确地调温、调光等阻性负载及部分感性负载场合。

双向可控硅输出的普通型与单向可控硅反并联输出的增强型的区别
在感性负载的场合，当LSR由通态关断时，由于电流、电压的相位不一致，将产生一个很大的电压上升率dv/dt（换向dv/dt）加在双向可控硅两端，如此值超过双向可控硅的换向dv/dt指标(典型值为10V/μs)则将导致延时关断，甚至失败。而单向可控硅为单极性工作状态，只受静态电压上升率dv/dt(典型值为100V/μs)影响，由两只单向可控硅反并联构成的增强型LSR比由一只双向可控硅构成的普通型LSR的换向dv/dt有了很大提高，因此在感性或容性负载场合宜选取增强型LSR。