固態(tài)繼電器是繼電器的改進形式，固態(tài)繼電器由固態(tài)材料組成，其特性優(yōu)于典型繼電器。繼電器用于自動切換電源，用于擺脫手動且難以處理的典型開關(guān)技術(shù)。固態(tài)繼電器是一種開關(guān)，它是一種非接觸式開關(guān)。固態(tài)繼電器的制造材料是固態(tài)元件，使用固態(tài)元件的優(yōu)點在于固態(tài)元件可以用較小的控制信號來控制高負載電流。在固態(tài)繼電器中，由于繼電器中使用的固態(tài)元件的特性，不存在打火的可能性。可以輕松實現(xiàn)固態(tài)繼電器的關(guān)斷和導(dǎo)通狀態(tài)，同時還具有邏輯電路兼容，耐振耐機械沖擊，安裝位置無限制，具有良好的防潮防霉防腐蝕性能，在防爆和防止臭氧污染方面的性能也極佳，輸入功率小，靈敏度高，控制功率小等等優(yōu)點，下面由小編來介紹一下固態(tài)繼電器的工作原理和優(yōu)缺點吧。
固態(tài)繼電器
1.定義
固態(tài)繼電器(也稱為SSR，SS繼電器，SSR繼電器或SSR開關(guān))是一種集成的非接觸式電子開關(guān)設(shè)備，由集成電路(IC)和分立組件緊密組裝而成。它的功能與機電繼電器相同，但沒有移動部件，因此使用壽命更長，但它具有與機電繼電器本質(zhì)上相同的功能。SSR由一個響應(yīng)適當(dāng)輸入(控制信號)的傳感器、一個將電源切換到負載電路的固態(tài)電子開關(guān)設(shè)備以及一個耦合機制組成，該耦合機制使控制信號能夠在沒有機械部件的情況下激活該開關(guān)。該繼電器可被設(shè)計為切換或者AC或直流負載。
封裝的固態(tài)繼電器使用功率半導(dǎo)體器件(如晶閘管和晶體管)來切換高達100安培左右的電流。與機電繼電器相比，固態(tài)繼電器具有更快的開關(guān)速度，并且沒有可磨損的物理觸點。固態(tài)繼電器的用戶必須考慮到SSR無法像機電繼電器那樣承受大的瞬時過載，以及它們較高的“導(dǎo)通”電阻。
2.結(jié)構(gòu)
固態(tài)繼電器是四端子有源裝置，四個端子中的兩個是輸入控制端子，另外兩個端子是輸出控制端子。盡管SSR開關(guān)的類型和規(guī)格眾多，但它們的結(jié)構(gòu)相似，并且主要由三部分組成(如圖1所示)：輸入電路(控制電路)，驅(qū)動電路和輸出電路(受控電路)。
圖1 內(nèi)部電路圖
2.1輸入電路
固態(tài)繼電器的輸入電路，也稱為控制電路，為輸入控制信號提供一個回路，使控制信號成為固態(tài)繼電器的觸發(fā)源。根據(jù)輸入電壓類型的不同，輸入電路可分為直流輸入電路，交流輸入電路和交流/直流輸入電路三種。
直流輸入電路可進一步分為電阻輸入電路和恒流輸入電路。
(1)電阻輸入電路。其輸入電流隨輸入電壓的增加而線性增加，反之亦然。如果控制信號具有固定的控制電壓，則應(yīng)選擇電阻器輸入電路。
(2)恒流輸入電路。當(dāng)恒流輸入電路的輸入電壓達到一定值時，電流不會隨著電壓的增加而明顯增加。此功能允許在相當(dāng)寬的輸入電壓范圍內(nèi)使用恒流輸入固態(tài)繼電器。例如，當(dāng)控制信號的電壓變化范圍較大(例如3?32V)時，建議使用帶有恒流輸入電路的DC固態(tài)繼電器，以確保DC固態(tài)繼電器能夠可靠地工作，整個輸入電壓范圍。
這些輸入控制電路中的一些具有正邏輯和負邏輯控制，反相和其他功能，以及邏輯電路的兼容性。因此，固態(tài)繼電器可以很容易地連接到TTL電路(晶體管-晶體管邏輯電路)，CMOS電路(互補金屬氧化物半導(dǎo)體電路)，DTL電路(二極管-晶體管邏輯電路)和HTL電路(高閾值邏輯電路)。目前，DTL已逐漸被TTL取代，HTL已被CMOS取代。并且如果將脈寬調(diào)制信號(PWM)用作輸入信號，則交流負載電源的ON / OFF開關(guān)頻率應(yīng)設(shè)置為小于10Hz，否則AC SSR的輸出電路的輸出開關(guān)率將無法保持與它。
2.2驅(qū)動電路
固態(tài)繼電器的驅(qū)動電路包括三部分：隔離耦合電路，功能電路和觸發(fā)電路。但是，根據(jù)固態(tài)繼電器的實際需要，可以僅包括這些部件中的一個/兩個。
(1)隔離耦合電路：固態(tài)繼電器的I / O電路(輸入/輸出電路)的隔離和耦合方法當(dāng)前使用兩種方式，光耦合器電路和高頻變壓器電路。
a)光耦合器(也稱為光耦合器，光耦合器，光隔離器或光隔離器)與紅外LED(發(fā)光二極管)和光學(xué)傳感器不透明地包裝在一起，以實現(xiàn)“控制側(cè)”和“負載側(cè)”之間的隔離控制，因為“光束”與“光發(fā)射器”與“光傳感器”之間沒有電連接或物理連接。“源-傳感器”組合的類型通常包括：“ LED-光電晶體管”(光電晶體管耦合器)，“ LED-Triac”(光電三極管耦合器)和“ LED-光電二極管陣列”(光電二極管堆棧用于驅(qū)動一對) MOSFET或IGBT)。
b)高頻變壓器耦合電路使用高頻變壓器將輸入端的控制信號轉(zhuǎn)換為輸出端的驅(qū)動信號。詳細過程是，輸入控制信號產(chǎn)生一個自激高頻信號，該信號將通過變壓器鐵心傳輸?shù)阶儔浩鞔渭墸?jīng)過檢測/ 整流電路和邏輯電路處理后，該信號最終將變?yōu)轵?qū)動信號來驅(qū)動觸發(fā)電路。
(2)功能電路：該功能電路可以包括各種功能電路，例如檢測電路，整流器電路，過零電路，加速電路，保護電路，顯示電路等。
(3)觸發(fā)電路：該觸發(fā)電路用于提供一個觸發(fā)信號到輸出電路。
2.3輸出電路
固態(tài)繼電器的輸出電路由觸發(fā)信號控制，以實現(xiàn)負載電源的開/關(guān)切換。主要由輸出組件(芯片)和吸收環(huán)路(用作瞬態(tài)抑制器)組成，有時還包括反饋電路。到目前為止，固態(tài)繼電器的輸出組件主要包括： 雙極結(jié)型晶體管(Bipolar Transistor或BJT，分為PNP和NPN兩種類型)，晶閘管(硅控整流器或SCR)，三端雙向可控硅(雙向三極管，雙向晶閘管，雙向可控整流器(BCR)，金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)，絕緣柵雙極晶體管(IGBT)，碳化硅MOSFET(SIC MOSFET)，一種寬帶隙 工業(yè)級最高工作結(jié)溫為200°C，功耗低，尺寸緊湊的晶體管等)。
固態(tài)繼電器的輸出電路可分為三種：直流輸出電路，交流輸出電路和交流/直流輸出電路。DC輸出電路通常使用雙極性組件(例如IGBT或MOSFET)作為輸出組件，而AC輸出電路通常使用兩個晶閘管或一個Triac作為輸出組件。
3.工作原理
固態(tài)繼電器的工作原理可以通過將固態(tài)繼電器分為兩類來理解。一種是交流固態(tài)繼電器，另一種是直流固態(tài)繼電器。它由一個輸入和輸出端子組成。繼電器的輸入和輸出連接到指定的端子。當(dāng)特定的控制信號提供給固態(tài)繼電器的輸入端時，輸出端的ON和OFF功能會相應(yīng)地執(zhí)行，并在獲得該功能后打開繼電器的開關(guān)功能。借助固態(tài)繼電器中的耦合電路，在繼電器的輸入和輸出之間形成通道。對于直流固態(tài)繼電器，沒有緩沖電路和過零控制電路。固態(tài)繼電器的開關(guān)采用一個較大值的晶體管。
圖2 工作原理圖
操作時，只需在A&B上放置一定的控制信號，即可控制C、D之間的通斷狀態(tài)，進而實現(xiàn)切換功能。耦合電路的作用是為A、B輸入的控制信號提供輸入和輸出端之間的通道，但切斷輸入和輸出之間的電氣連接，防止輸出影響輸入。
耦合電路中使用的元件為“光耦合器”，具有動作靈敏度好、響應(yīng)速度快、輸入/輸出絕緣(耐壓)水平高等特點。輸入端的負載是一個發(fā)光二極管，這使得SSR輸入很容易匹配輸入信號電平。使用中可直接接電腦輸出接口，即由“1”和“0”的邏輯電平控制。
觸發(fā)電路的功能是產(chǎn)生所需的觸發(fā)信號來驅(qū)動開關(guān)電路工作。但是如果沒有專門的控制電路，開關(guān)電路會產(chǎn)生RFI(射頻干擾)并以高次諧波或尖峰的形式污染電網(wǎng)，因此為此設(shè)置了過零控制電路。過零是指當(dāng)放置控制信號和交流電壓過零時，SSR處于導(dǎo)通狀態(tài);關(guān)閉控制信號后，SSR直到交流電流處于正半周和負半周的結(jié)點(零電位)時才處于關(guān)斷狀態(tài)。
這種設(shè)計防止了高次諧波的干擾和電網(wǎng)的污染。緩沖電路設(shè)計用于防止電源的浪涌和尖峰(電壓)對開關(guān)元件三端雙向可控硅開關(guān)元件的沖擊和干擾。通常使用RC串聯(lián)緩沖電路或非線性電阻(MOV)。與交流固態(tài)繼電器相比，直流固態(tài)繼電器內(nèi)部沒有過零控制電路和緩沖電路，開關(guān)元件通常采用大功率晶體管。此外，其他工作原理相同。
4.固態(tài)繼電器與機械繼電器相比
4.1優(yōu)點
固態(tài)繼電器對比機電繼電器，大多數(shù)相對優(yōu)勢對于所有固態(tài)設(shè)備都是通用的。
本質(zhì)上比類似規(guī)格的機械繼電器更小、更薄，允許更緊密的包裝。(如果需要，可以具有相同的“外殼”外形以實現(xiàn)互換性。)
完全靜音操作。
SSR的開關(guān)速度比機電繼電器快;典型光耦合SSR的開關(guān)時間取決于打開和關(guān)閉LED所需的時間——在微秒到毫秒的數(shù)量級。
延長使用壽命，即使它被多次激活，因為沒有可磨損的移動部件，也沒有接觸點或積碳。
無論使用量如何，輸出電阻都保持恒定。
干凈、無反彈的操作。
無火花，使其可用于爆炸性環(huán)境，在這種環(huán)境中，開關(guān)過程中不產(chǎn)生火花至關(guān)重要。
對存儲和操作環(huán)境因素(如機械沖擊、振動、濕度和外部磁場)的敏感度要低得多。
4.2缺點
半導(dǎo)體而非機械觸點的電壓/電流特性：
關(guān)閉時，更高的電阻(產(chǎn)生熱量)和增加的電噪聲
開路時，電阻較低，反向漏電流(通常為μA范圍)
電壓/電流特性不是線性的(不是純電阻)，在一定程度上扭曲了開關(guān)波形。機電繼電器在激活時具有相關(guān)機械開關(guān)的低歐姆(線性)電阻，而在打開時氣隙和絕緣材料具有極高的電阻。
某些類型具有極性敏感輸出電路。機電繼電器不受極性影響。
由于電壓瞬變而導(dǎo)致虛假開關(guān)的可能性(由于開關(guān)速度比機械繼電器快得多)
柵極充電電路所需的隔離偏置電源
由于體二極管的存在，更高的瞬態(tài)反向恢復(fù)時間(Trr)
其輸出端傾向于“短路”失敗，而機電繼電器觸點傾向于“斷開”失敗。
5.關(guān)于固態(tài)繼電器的相關(guān)問題
5.1固態(tài)繼電器有什么用?
固態(tài)繼電器(SSR)是一種電氣開關(guān)，可用于使用另一個電氣輸入來打開和關(guān)閉設(shè)備。與機電繼電器(EMR)不同，SSR使用半導(dǎo)體開關(guān)和光電子學(xué)，而不是磁性和移動觸點。
5.2固態(tài)繼電器可以失效關(guān)閉嗎?
歐姆龍不斷努力提高質(zhì)量和可靠性。然而SSR使用半導(dǎo)體，并且半導(dǎo)體通常可能會出現(xiàn)故障或失效。短路故障是主要的故障模式，可能導(dǎo)致無法關(guān)閉負載。
5.3固態(tài)繼電器會變熱嗎?
固態(tài)繼電器(SSR)太熱而無法觸摸。雖然在額定范圍內(nèi)流過最大電流時，SSR的溫度達到80至100度左右，但并無異常。但是要特別注意熱量損失。
5.4固態(tài)繼電器有多快?
由于繼電器不必為線圈通電并物理打開和關(guān)閉觸點，因此它實際上比EMR消耗的功率少75%。這也意味著繼電器以更快的速度切換。EMR平均在5-15毫秒之間切換和穩(wěn)定，而SSR平均在.5-1ms。
5.5固態(tài)繼電器會發(fā)出咔嗒聲嗎?
機電繼電器內(nèi)的物理組件通常會發(fā)出“咔嗒”聲，這在某些情況下實際上很有用，但它可能會導(dǎo)致內(nèi)部電弧放電并需要相對大量的時間來移動。固態(tài)繼電器可能就是半導(dǎo)體行業(yè)的典型代表。
5.6固態(tài)繼電器怎么測好壞?
連接負載和電源，在輸入ON和OFF的情況下檢查負載端子的電壓。SSR關(guān)閉時，輸出電壓將接近負載電源電壓。隨著SSR開啟，電壓將下降到大約1V。
5.7固態(tài)繼電器有常開和常閉嗎?
固態(tài)繼電器具有直流或交流控制。大多數(shù)固態(tài)繼電器都有一個常開輸出——也就是說，在沒有控制信號的情況下，繼電器輸出是不導(dǎo)通的。某些特定類型的固態(tài)繼電器具有常閉輸出，因此在沒有控制信號的情況下繼電器輸出會導(dǎo)通。
5.8固態(tài)繼電器開關(guān)頻率是多少?
固態(tài)繼電器每秒最多可切換120次，比任何機電繼電器快得多。當(dāng)用于加熱應(yīng)用時，快速循環(huán)可以通過減少熱應(yīng)力來顯著提高加熱器的壽命。SSR允許通過超靈敏的輸入電源切換大負載。
結(jié)語
以上就是固態(tài)繼電器工作原理和優(yōu)缺點的介紹了。固態(tài)繼電器與電磁繼電器相比具有可靠性高、無觸點、無火花、壽命長、開關(guān)速度快、抗干擾能力強、體積小等優(yōu)點。廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床、遠程控制系統(tǒng)、工業(yè)自動化設(shè)備、化工、醫(yī)療設(shè)備、安防系統(tǒng)等領(lǐng)域。固態(tài)繼電器最常見的應(yīng)用是交流負載的負載切換。許多家用電路都有用于交流負載切換的固態(tài)繼電器。固態(tài)繼電器與功率控制有不同的應(yīng)用，另外，不同的固態(tài)繼電器用于加熱器控制。
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