固态继电器
一、概述
固态继电器（Solid State Relay,缩写SSR）,是由微电子电路，分立电子器件，电力电子功率器件组成的无触点开关。用隔离器件实现了控制端与负载端的隔离。固态继电器的输入端用微小的控制信号，达到直接驱动大电流负载。对于控制电压固定的控制信号，采用阻性输入电路。控制电流保证再大于5mA。对于大的变化范围的控制信号（如3-32V）则采用恒流电路，保证在整个电压变化范围内电流在大于5mA可靠工作。隔离驱动电路：隔离电路采用光-电耦合和高频变压器耦合（磁电耦合），光电耦合通常使用光电二极管—光电三极管，光电二极管—双向光控可控硅，光伏电池，实现控制侧与负载侧隔离控制。高频变压器耦合是利用输入的控制信号产生的自激高频信号经耦合到次级，经检波整流，逻辑电路处理形成驱动信号。SSR的功率开关直接接入电源与负载端，实现对负载电源的通断切换。主要使用有大功率晶体三极管（开关管-Transistor）,单向可控硅（Thyristor或SCR），双向可控硅（Triac）,功率场效应管（MOSFET）,绝缘栅型双极晶体管（IGBT）.固态继电器可以方便的与TTL,MOS逻辑电路连接。专用的固态继电器可以具有短路保护，过载保护和过热保护功能，与组合逻辑固化封装就可以实现用户需要的智能模块，直接用于控制系统中。
固态继电器是具有隔离功能的无触点电子开关，在开关过程中无机械接触部件，因此固态继电器除具有与电磁继电器一样的功能外，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，电磁兼容性好，噪声低和工作频率高等特点。目前已广泛应用于计算机外围接口设备，调温、调速、调光、电机控制、电炉加温控制、电力石化、医疗器械、金融设备、煤碳、仪器仪表、交通信号等领域。
二、固态继电器的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。按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。
三、固态继电器的优缺点1、固态继电器的优点
（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。
2、固态继电器的缺点
（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也在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。
（6）主要不足是存在通态压降（需相应散热措施），有断态漏电流，交直流不能通用，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。
三、固态继电器的工作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IN时,P型SSR立即导通。当IN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IN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。 北京灵通电子公司的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。
四、固态继电器的分类E系列：直流控制，交流过零导通，过零关断
E 系列固态继电器是直流输入控制，交流过零导通，过零关断输出型无触点继电器，因此，具有di/dt 的比值小，启动性能平稳，对电网辐射干扰小，关断时可降低感性负载的反电动势，对用电器和固态继电器都有一定的保护作用等优点，是控制一般用电器，如电动机、加热器、白炽灯的首选器件。
AE系列：交流控制，交流过零导通，过零关断
AE系列固态继电器是交流输入控制，交流过零导通，过零关断输出型无触点继电器。它方便于交流电源控制的设备中，直接采用交流控制固态继电器，特点是从零电压开始导通，启动性能平稳，对电网辐射干扰小，关断时可降低感性负载的反电动势，对用电器和固态继电器都有一定的保护作用，是控制一般用电器，如电动机、加热器、白炽灯的首选器件，可广泛应用于煤矿、石油、等工矿行业之中。
3E系列：
直流控制，三项交流过零导通，过零关断
3E系列固态继电器是直流输入控制，交流过零导通，过零关断输出型无触点三相继电器。可直接控制三相电动机、变压器和加热器等负载，具有开关速度快、无噪音、耐腐蚀、抗干扰等特点，用固态继电器控制电器，时是从零电压开始起动、零电流关断，因此具有di/dt 的比值小，启动性能平稳，对电网辐射干扰小，关断时可降低感性负载的反电动势，对用电器和固态继电器都有一定的保护作用等优点，并且能与计算机系统，自动控制装置直接接口，可以广泛用于军事，工企自动化等各个领域。
3AE系列：
交流控制，三相交流过零导通，过零关断
3AE 系列固态继电器是交流输入控制，三相交流过零导通过零关断输出型无触点继电器。它方便于交流电源控制的设备中，直接采用交流控制电器如三相电动机、变压器和加热器等负载，具有用固态继电器控制电器，时是从零电压开始起动、零电流关断，因此具有di/dt 的比值小，启动性能平稳，对电网辐射干扰小，关断时可降低感性负载的反电动势，对用电器和固态继电器都有一定的保护作用等优点，并且能与计算机系统，自动控制装置直接接口，可以广泛用于军事，工企自动化等各个领域。
D系列：直流控制 直流输出
D 系列固态继电器为直流输入，直流输出型，可以实现直流电平转换、隔离和控制，能够方便地与计算机和各种数字电路接口。它广泛应用于工业自动化领域中对各种直流供电执行机构的控制，如照明设备、小型直流电动机、直流电源、各种电磁装置及智能仪表等，也可作为各种大功率输出器件的推动级。使用方便，特别适用于腐蚀、潮湿和要求防爆等恶劣场合。
长时间工作在额定电流状态时，应安装散热器；环境温度较高时，应降额使用；控制容性负载时，应限制其浪涌电流；控制感性负载时，应限制其瞬时过压。
P系列：直流控制，交流随机导通，过零关断
P系列固态继电器是控制端为直流或方脉冲波输入，输出端为交流随机型，特点是随着控制端直流或方脉冲波的输入，受控制端无论在任何相位上都即时导通。适合于要求导通时间短、开关速度快的控制系统中。当过零型固态继电器用于如变压器这类感性负载时，会引起很大的浪涌电流，使用随机开启固态继电器是解决的方法之一。它可以在第一个半周内的任意时刻使输出器件导通，这种开启方式，显著减少了恶劣条件下的开启机会，提高了固态继电器的使用寿命。尤其对三相电机等三相负载，为使执行控制的多个固态继电器同时接通，采用随机型交流固态继电器更为合适。同时具有零电流关断，关断时可降低了感性负载的反电动势，对用电器和固态继电器都有一定的保护作用等优点。并且可与移相触发器匹配使用，具有移相调压功能。
五、固态继电器的应用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=V（管压降）×I（负载）的耗散功率,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2-3A时,可选用S�3,S�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(美宝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5V 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,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,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。上述情况,使SSR在特殊负载的应用,多少变得有点复杂。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来实现。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(见图2)。在计算机上,通常采用PIO经驱动级的位控方式,利用50Hz电网电源的过零中断,经CTC计时,控制导通角,以达到调压之目的。
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。模拟电路常采用电压比较器,将一个固定周期的锯齿电压和来自前级误差电压作比较,输出方波实现调节,如图3所示。在计算机上采用计时算法,产生占空比可调的方波脉冲击来实现。例如日本的SHIMADEW和OMRON公司的SR22、FD20、E5系列智能化控温产品,配合Z型SSR,实现自适应“自动翻转”控制,即通过计算机产生扰动,算出最佳PID控制参数。
3.三相电流控制
HS系列SSR产品,可直接用于三相电机的控制。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,以避免产生类似电机堵转情况,引起的较大冲击电压和电流。在控制电路设计上,要注意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。此外,电机控制中的保险、缺相和温度继电器,也是保证系统正常工作的保护装置。
固态继电器术语解释环境温度范围:
固态继电器正常工作时周围空气温度极限，通常给出工作和贮存两种条件下的温度值，最大温度还受散热器和功率因素的限制。
--------------------------------------------------------------------------------------------
介质耐压(单位：V)
固态继电器输入端与输出端，输入端、输出端散热底板之间能承受的最大电压值。注意：不允许测量同一输入(或输出)电路引出端之间的介质耐压，测量之前应先将它们短路。
--------------------------------------------------------------------------------------------
绝缘电阻(单位：MΩ):
固态继电器输入端与输出端，输入端、输出端散热底板之间施加500VDC的电压测量的电阻值。注意：不允许测量同一输入(或输出)电路引出端之间的绝缘电阻，测量之前应先将它们短路。
--------------------------------------------------------------------------------------------
电气系统峰值(单位：V)：
在规定的环境条件下，固态继电器输入端开路，在输出端的额定输出电压之上迭加特定波形和能量的电压，试验一分钟。试验后固态继电器仍符合规定。
----------------------------------------------------------------------------
关断时间(单位：ms):
从切除常开型固态继电器输入端电压达到保证关断电压开始至输出端电压达到其电压最终变化90%为止的时间间隔。
----------------------------------------------------------------------------
导通时间(单位：ms):
从施加于常开型固态继电器输入端电压达到保证接通电压开始到输出端电压达到其电压最终变化的90%为止的时间间隔。
----------------------------------------------------------------------------
输出端漏电流(单位：mA):
在输入端没有施加导通控制信号的情况下，流过输出端之间最大(有效值)断态漏电流。通常是指整个温度范围内在最大的输出额定电压下的值。该值主要是输出端缓冲器产生。
----------------------------------------------------------------------------
最大通态电压降(单位：V):
在规定的环境温度下，输出端满负载电流跨于输出端两端所呈现的最大(峰值)电压降。
----------------------------------------------------------------------------
瞬态过压(单位：PIV):
固态继电器在维持其关断状态的同时，能够承受而不致造成损坏或失误的允许施加电压的最大偏离。超过该瞬态电压可以使固态继电器导通，若满足电流条件则是非破性的。瞬态持续时间一般不做规定，可以在几秒的数量级，受内部偏值网络功耗或电容器额定值的限制。
----------------------------------------------------------------------------
最小断态dv/dt(静态)(单位：V/us):
在没有施加导通控制信号时，固体继电器输出端(交流)能够承受不致导通的电压上升率。通常表达为最大额定电压下的最小电压上升率。
----------------------------------------------------------------------------
最大重复性导通电压峰值(单位；VRMS)：
在施加导通控制信号半周之后，在每一后续半周即要导通之前，跨于输出端两端所呈现的最大(峰值)断态电压。这一参数对具有或不具有“零导通”特点的固态继电器同样适用。
----------------------------------------------------------------------------
最大过零导通电压(单位：VRMS)(也称过零电压)：
在施加导通控制信号之后，在每一后续半周即要导通之前，跨于输出端两端所呈现的最大(峰值)断态电压。
----------------------------------------------------------------------------
功耗(在额定电流下)(单位：W)：
主要由于输出半导体有效电压降(功耗)而产生的最大平均功耗。
最大I2t(选择熔丝用)(单位：A2s)：
固态继电器承受最大非重复性脉冲电流的能力，用于熔丝的选择。
----------------------------------------------------------------------------
最大过流(单位:A)：
在规定持续时间不允许流过的最大瞬时电流，通常以1秒的有效值来表述。
----------------------------------------------------------------------------
最大浪涌电流(非重复性)(单位：A)：
在规定持续时间不允许流过的最大瞬时电流，持续时间的典型值为交流电的一个周期(10ms)通常规定为峰值以及电流对时间的曲线。
----------------------------------------------------------------------------
最小负载电流(单位：mA)：
固态继电器执行规定工作所必须的最小负载电流。它一般与最大负载电流一并作为“工作电流范围”列出。
----------------------------------------------------------------------------
最大负载电流(单位：A)：
在规定的环境温度下，固态继电器的最大稳态负载电流能力，它还受散热器和环境温度条件的散热限制。
----------------------------------------------------------------------------
输出电压范围(单位：V)：
在规定的环境温度下，施加于输出端的电压范围，在该范围固态继电器继续处于关断或切换状态，或换句话说执行规定的状态。线路的频率值或包括在内，或单位指明(交流)。
----------------------------------------------------------------------------
最小输入阻抗(单位:Ω)：
在给定电压下的最小阻抗。作为输入电流的替代或补充，它确定输入功率要求。
----------------------------------------------------------------------------
反极性电压(仅适用于直流输入)(单位；V)：
在规定的环境温度下，能够加在固态继电器输入端上而不致造成固态继电器永久损坏的最大允许反向电压。该值一般确定为输入电压的上限值。
----------------------------------------------------------------------------
输入电流(单位：mA)：
在规定的环境温度下，施加规定的输入电压于固态继电器输入端，流入其输入回路的电流值。
----------------------------------------------------------------------------
保证关断电压(单位：V)：
在规定的环境温度下，施加于输入端，当输入在该值或该值之下时能保证输出端处于关断状态的电压。
----------------------------------------------------------------------------
保证接通电压(单位：V)：
在规定的环境温度下，施加于输入端，当输入在该值或该值之上时能保证输出端处于导通状态的电压。
----------------------------------------------------------------------------
输入电压范围(单位；V)：
在规定的环境温度下，施加在输入端，使输出端维持“导通”状态的电压范围。一 般情况下直流输入有：3-32VDC恒流输入型和3-14VDC、10-40VDC阻性输入型。交流输入有：90-280VAC输入型。输入电压的下限即为所谓的保证接通电压，输入电压的上限即所谓的反极性电压(仅适用于直流输入)。