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三月 25 2021

固态继电器的工作原理与优缺点


目录

1.定义

2.结构

2.1输入电路

2.2驱动电路

2.3输出电路

3.工作原理

4.固态继电器与机械继电器相比

4.1优点

4.2缺点

5.关于固态继电器的相关问题
结语

  固态继电器是继电器的改进形式,固态继电器由固态材料组成,其特性优于典型继电器。继电器用于自动切换电源,用于摆脱手动且难以处理的典型开关技术。固态继电器是一种开关,它是一种非接触式开关。固态继电器的制造材料是固态元件,使用固态元件的优点在于固态元件可以用较小的控制信号来控制高负载电流。在固态继电器中,由于继电器中使用的固态元件的特性,不存在打火的可能性。可以轻松实现固态继电器的关断和导通状态,同时还具有逻辑电路兼容,耐振耐机械冲击,安装位置无限制,具有良好的防潮防霉防腐蚀性能,在防爆和防止臭氧污染方面的性能也极佳,输入功率小,灵敏度高,控制功率小等等优点,下面由小编来介绍一下固态继电器的工作原理和优缺点吧。

固态继电器

固态继电器

  1.定义

  固态继电器(也称为SSR,SS继电器,SSR继电器或SSR开关)是一种集成的非接触式电子开关设备,由集成电路(IC)和分立组件紧密组装而成。它的功能与机电继电器相同,但没有移动部件,因此使用寿命更长,但它具有与机电继电器本质上相同的功能。SSR由一个响应适当输入(控制信号)的传感器、一个将电源切换到负载电路的固态电子开关设备以及一个耦合机制组成,该耦合机制使控制信号能够在没有机械部件的情况下激活该开关。该继电器可被设计为切换或者AC或直流负载。

  封装的固态继电器使用功率半导体器件(如晶闸管和晶体管)来切换高达100安培左右的电流。与机电继电器相比,固态继电器具有更快的开关速度,并且没有可磨损的物理触点。固态继电器的用户必须考虑到SSR无法像机电继电器那样承受大的瞬时过载,以及它们较高的“导通”电阻。

  2.结构

  固态继电器是四端子有源装置,四个端子中的两个是输入控制端子,另外两个端子是输出控制端子。尽管SSR开关的类型和规格众多,但它们的结构相似,并且主要由三部分组成(如图1所示):输入电路(控制电路),驱动电路和输出电路(受控电路)。

内部电路图

图1 内部电路图

  2.1输入电路

  固态继电器的输入电路,也称为控制电路,为输入控制信号提供一个回路,使控制信号成为固态继电器的触发源。根据输入电压类型的不同,输入电路可分为直流输入电路,交流输入电路和交流/直流输入电路三种。

  直流输入电路可进一步分为电阻输入电路和恒流输入电路。

  (1)电阻输入电路。其输入电流随输入电压的增加而线性增加,反之亦然。如果控制信号具有固定的控制电压,则应选择电阻器输入电路。

  (2)恒流输入电路。当恒流输入电路的输入电压达到一定值时,电流不会随着电压的增加而明显增加。此功能允许在相当宽的输入电压范围内使用恒流输入固态继电器。例如,当控制信号的电压变化范围较大(例如3〜32V)时,建议使用带有恒流输入电路的DC固态继电器,以确保DC固态继电器能够可靠地工作,整个输入电压范围。

  这些输入控制电路中的一些具有正逻辑和负逻辑控制,反相和其他功能,以及逻辑电路的兼容性。因此,固态继电器可以很容易地连接到TTL电路(晶体管-晶体管逻辑电路),CMOS电路(互补金属氧化物半导体电路),DTL电路(二极管-晶体管逻辑电路)和HTL电路(高阈值逻辑电路)。目前,DTL已逐渐被TTL取代,HTL已被CMOS取代。并且如果将脉宽调制信号(PWM)用作输入信号,则交流负载电源的ON / OFF开关频率应设置为小于10Hz,否则AC SSR的输出电路的输出开关率将无法保持与它。

  2.2驱动电路

  固态继电器的驱动电路包括三部分:隔离耦合电路,功能电路和触发电路。但是,根据固态继电器的实际需要,可以仅包括这些部件中的一个/两个。

  (1)隔离耦合电路:固态继电器的I / O电路(输入/输出电路)的隔离和耦合方法当前使用两种方式,光耦合器电路和高频变压器电路。

  a)光耦合器(也称为光耦合器,光耦合器,光隔离器或光隔离器)与红外LED(发光二极管)和光学传感器不透明地包装在一起,以实现“控制侧”和“负载侧”之间的隔离控制,因为“光束”与“光发射器”与“光传感器”之间没有电连接或物理连接。“源-传感器”组合的类型通常包括:“ LED-光电晶体管”(光电晶体管耦合器),“ LED-Triac”(光电三极管耦合器)和“ LED-光电二极管阵列”(光电二极管堆栈用于驱动一对) MOSFET或IGBT)。

  b)高频变压器耦合电路使用高频变压器将输入端的控制信号转换为输出端的驱动信号。详细过程是,输入控制信号产生一个自激高频信号,该信号将通过变压器铁心传输到变压器次级,经过检测/ 整流电路和逻辑电路处理后,该信号最终将变为驱动信号来驱动触发电路。

  (2)功能电路:该功能电路可以包括各种功能电路,例如检测电路,整流器电路,过零电路,加速电路,保护电路,显示电路等。

  (3)触发电路:该触发电路用于提供一个触发信号到输出电路。

  2.3输出电路

  固态继电器的输出电路由触发信号控制,以实现负载电源的开/关切换。主要由输出组件(芯片)和吸收环路(用作瞬态抑制器)组成,有时还包括反馈电路。到目前为止,固态继电器的输出组件主要包括: 双极结型晶体管(Bipolar Transistor或BJT,分为PNP和NPN两种类型),晶闸管(硅控整流器或SCR),三端双向可控硅(双向三极管,双向晶闸管,双向可控整流器(BCR),金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET),绝缘栅双极晶体管(IGBT),碳化硅MOSFET(SIC MOSFET),一种宽带隙 工业级最高工作结温为200°C,功耗低,尺寸紧凑的晶体管等)。

  固态继电器的输出电路可分为三种:直流输出电路,交流输出电路和交流/直流输出电路。DC输出电路通常使用双极性组件(例如IGBT或MOSFET)作为输出组件,而AC输出电路通常使用两个晶闸管或一个Triac作为输出组件。

  3.工作原理

  固态继电器的工作原理可以通过将固态继电器分为两类来理解。一种是交流固态继电器,另一种是直流固态继电器。它由一个输入和输出端子组成。继电器的输入和输出连接到指定的端子。当特定的控制信号提供给固态继电器的输入端时,输出端的ON和OFF功能会相应地执行,并在获得该功能后打开继电器的开关功能。借助固态继电器中的耦合电路,在继电器的输入和输出之间形成通道。对于直流固态继电器,没有缓冲电路和过零控制电路。固态继电器的开关采用一个较大值的晶体管。

工作原理图

图2 工作原理图

  操作时,只需在A&B上放置一定的控制信号,即可控制C、D之间的通断状态,进而实现切换功能。耦合电路的作用是为A、B输入的控制信号提供输入和输出端之间的通道,但切断输入和输出之间的电气连接,防止输出影响输入。

  耦合电路中使用的元件为“光耦合器”,具有动作灵敏度好、响应速度快、输入/输出绝缘(耐压)水平高等特点。输入端的负载是一个发光二极管,这使得SSR输入很容易匹配输入信号电平。使用中可直接接电脑输出接口,即由“1”和“0”的逻辑电平控制。

  触发电路的功能是产生所需的触发信号来驱动开关电路工作。但是如果没有专门的控制电路,开关电路会产生RFI(射频干扰)并以高次谐波或尖峰的形式污染电网,因此为此设置了过零控制电路。过零是指当放置控制信号和交流电压过零时,SSR处于导通状态;关闭控制信号后,SSR直到交流电流处于正半周和负半周的结点(零电位)时才处于关断状态。

  这种设计防止了高次谐波的干扰和电网的污染。缓冲电路设计用于防止电源的浪涌和尖峰(电压)对开关元件三端双向可控硅开关元件的冲击和干扰。通常使用RC串联缓冲电路或非线性电阻(MOV)。与交流固态继电器相比,直流固态继电器内部没有过零控制电路和缓冲电路,开关元件通常采用大功率晶体管。此外,其他工作原理相同。

  4.固态继电器与机械继电器相比

  4.1优点

  • 固态继电器对比机电继电器,大多数相对优势对于所有固态设备都是通用的。

  • 本质上比类似规格的机械继电器更小、更薄,允许更紧密的包装。(如果需要,可以具有相同的“外壳”外形以实现互换性。)

  • 完全静音操作。

  • SSR的开关速度比机电继电器快;典型光耦合SSR的开关时间取决于打开和关闭LED所需的时间——在微秒到毫秒的数量级。

  • 延长使用寿命,即使它被多次激活,因为没有可磨损的移动部件,也没有接触点或积碳。

  • 无论使用量如何,输出电阻都保持恒定。

  • 干净、无反弹的操作。

  • 无火花,使其可用于爆炸性环境,在这种环境中,开关过程中不产生火花至关重要。

  • 对存储和操作环境因素(如机械冲击、振动、湿度和外部磁场)的敏感度要低得多。

  4.2缺点

  • 半导体而非机械触点的电压/电流特性:

  • 关闭时,更高的电阻(产生热量)和增加的电噪声

  • 开路时,电阻较低,反向漏电流(通常为μA范围)

  • 电压/电流特性不是线性的(不是纯电阻),在一定程度上扭曲了开关波形。机电继电器在激活时具有相关机械开关的低欧姆(线性)电阻,而在打开时气隙和绝缘材料具有极高的电阻。

  • 某些类型具有极性敏感输出电路。机电继电器不受极性影响。

  • 由于电压瞬变而导致虚假开关的可能性(由于开关速度比机械继电器快得多)

  • 栅极充电电路所需的隔离偏置电源

  • 由于体二极管的存在,更高的瞬态反向恢复时间(Trr)

  • 其输出端倾向于“短路”失败,而机电继电器触点倾向于“断开”失败。

  5.关于固态继电器的相关问题

  5.1固态继电器有什么用?

  固态继电器(SSR)是一种电气开关,可用于使用另一个电气输入来打开和关闭设备。与机电继电器(EMR)不同,SSR使用半导体开关和光电子学,而不是磁性和移动触点。

  5.2固态继电器可以失效关闭吗?

  欧姆龙不断努力提高质量和可靠性。然而SSR使用半导体,并且半导体通常可能会出现故障或失效。短路故障是主要的故障模式,可能导致无法关闭负载。

  5.3固态继电器会变热吗?

  固态继电器(SSR)太热而无法触摸。虽然在额定范围内流过最大电流时,SSR的温度达到80至100度左右,但并无异常。但是要特别注意热量损失。

  5.4固态继电器有多快?

  由于继电器不必为线圈通电并物理打开和关闭触点,因此它实际上比EMR消耗的功率少75%。这也意味着继电器以更快的速度切换。EMR平均在5-15毫秒之间切换和稳定,而SSR平均在.5-1ms。

  5.5固态继电器会发出咔嗒声吗?

  机电继电器内的物理组件通常会发出“咔嗒”声,这在某些情况下实际上很有用,但它可能会导致内部电弧放电并需要相对大量的时间来移动。固态继电器可能就是半导体行业的典型代表。

  5.6固态继电器怎么测好坏?

  连接负载和电源,在输入ON和OFF的情况下检查负载端子的电压。SSR关闭时,输出电压将接近负载电源电压。随着SSR开启,电压将下降到大约1V。

  5.7固态继电器有常开和常闭吗?

  固态继电器具有直流或交流控制。大多数固态继电器都有一个常开输出——也就是说,在没有控制信号的情况下,继电器输出是不导通的。某些特定类型的固态继电器具有常闭输出,因此在没有控制信号的情况下继电器输出会导通。

  5.8固态继电器开关频率是多少?

  固态继电器每秒最多可切换120次,比任何机电继电器快得多。当用于加热应用时,快速循环可以通过减少热应力来显着提高加热器的寿命。SSR允许通过超灵敏的输入电源切换大负载。

  结语

  以上就是固态继电器工作原理和优缺点的介绍了。固态继电器与电磁继电器相比具有可靠性高、无触点、无火花、寿命长、开关速度快、抗干扰能力强、体积小等优点。广泛应用于数控机床、远程控制系统、工业自动化设备、化工、医疗设备、安防系统等领域。固态继电器最常见的应用是交流负载的负载切换。许多家用电路都有用于交流负载切换的固态继电器。固态继电器与功率控制有不同的应用,另外,不同的固态继电器用于加热器控制。

订购与质量

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