交流固态继电器 SSR(Solid State Relays)是一种无触点通断电子开关,为四端有源器件。其中两个端子为输入控制端,另外两端为输出受控端,中间采用光电隔离,作为输入输出之间的电气隔离(浮空)。在输入端加上直流或脉冲信号,输出端就能从关断状态转变成导通状态(无信号时呈阻断状态),从而控制较大负载。整个器件无可动部件及触点,可实现相当于常用的机械式电磁继电器一样的功能。
由于固态继电器是由固体元件组成的无触点开关元件,所以与电磁继电器相比具有工作可靠、寿命长、对外界干扰小、能与逻辑电路兼容、抗干扰能力强、开关速度快和使用方便等一系列优点,因而具有很宽的应用领域,有逐步取代传统电磁继电器之势,并可进一步扩展到传统电磁继电器无法应用的计算机等领域。
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。
由于采用输出器件不同,SSR 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 90°(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 10 V/μs),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 200 V/μs),因此增强型 HS 系列比普通型 SSR 的换向 dv/dt 指标提高了 5~20 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。
S 系列、HS 系列固态继电器可广泛用于: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。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 有效值·I 有效值 的热耗散功率。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 2~3 A 时可选用 S3S4 产品,5 A 时可选用 S08W 封装产品;10 A 以下可采用散热条件良好的仪器底板,10 A 以上需配散热器,30 A 以下采用自然风冷,连续负载电流大于 30 A 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 型既能适合线路板焊接安装、也能适用于线路板插接安装;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,并需涂覆导热硅脂;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 5 V TTL 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触发电压时,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。输入触发信号应为阶跃逻辑电平、强触发方式,推荐最佳直流触发工作电流在 12~25 mA 之间。SSR 输入端可并联或串联驱动,串联使用时一个 SSR 按 4 V 电压考虑,12 V 电压可驱动 3 个 SSR。
4. 干扰问题:SSR 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,零压型在交流电源过零区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是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。负载短路是造成 SSR 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;交流 220 V 的 SSR 可选用 MYH12、430 V 的压敏电阻,380 V 选用 MYH12、750 V 压敏电阻,较大容量的电机变压器应选用 MYH20、通流容量大的压敏电阻。
6. 关于负载的考虑:白炽灯、电炉等"冷阻"特性会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。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、电磁阀吸合不可靠引起的抖动,以及电容换向式电机换向时电容电压与电源电压的叠加会在 SSR 两端产生二倍电源的浪涌电压。可行的办法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。
应用实例:1. 调压应用:P 型 SSR 调压可采用外配移相电路实现,例如 TW-702 控温仪的触发系统、国产 SDKC-05 单电源调相集成电路;在计算机上通常采用 PIO 经驱动级的位控方式,利用 50 Hz 电网电源的过零中断、经 CTC 计时控制导通角以达到调压目的。2. 交流调功应用:"交流调功"是一种 Z 型 SSR 普遍采用的方法、也能实现 PID 调节,即在固定周期内控制交流正弦电流半波个数达到调功目的。3. 三相电流控制:HS 系列 SSR 可直接用于三相电机控制,最简单的方法是采用 2 只 SSR 作电机通断控制、4 只 SSR 作电机换相控制、第三相不控制。作为电机换向时应注意,由于电机的运动惯性必须在电机停稳后才能换向,任何时刻都不应产生换相 SSR 同时导通的可能性,上下电时序应采用先加后断控制电路电源、后加先断电机电源的时序。换向 SSR 之间不能简单地采用反相器连接方式,以避免在导通的 SSR 未关断、另一相 SSR 导通引起的相间短路事故。