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固态继电器(SSR)工作原理和常见电路图

IC先生 IC先生 19099 2022-04-13 10:38:28

固态继电器,英文SOLID STATE RELAY,简称SSR,它们使用固态元件(如BJT晶闸管、IGBT、MOSFET和TRIAC)来执行开关操作。

固态继电器的功率增益远高于机电继电器,因为与机电继电器要控制的功率(开关输出)相比,所需的控制能量(为控制电路供电)要低得多,所以固态继电器可以设计用于交流和直流电源。由于没有机械触点,固态继电器具有很高的开关速度。

固态继电器

固态继电器工作原理

固态继电器由一个传感器组成,该传感器也是一个电子设备,响应控制信号以打开或关闭负载的电源。固态继电器分为不同的类型,但主要类型包括光耦合固态继电器变压器耦合固态继电器。在变压器耦合固态继电器中,通过DC到AC转换器向变压器的初级提供一个小的DC电流。

然后将该电流转换为交流电并升压以操作固态器件(在以下情况下为TRIAC)以及触发电路。输入和输出之间的隔离程度取决于变压器的设计。

交流电路图

在光耦合SSR的情况下,光敏半导体器件用于执行开关操作。控制信号施加到LED上,使光敏器件通过检测LED发出的光而进入导通模式。由于光电检测原理,与变压器耦合SSR相比,这种类型的SSR提供的隔离度相对较高。

执行开关操作

简单来说,固态继电器是一种没有移动触点的继电器。在操作方面,固态继电器与具有移动触点的机械继电器没有太大区别。然而,固态继电器采用半导体开关元件,例如晶闸管、三端双向可控硅开关、二极管和晶体管。

固态继电器工作原理

固态继电器的输入电路图

固态继电器的主要组件之一是光隔离器(也称为光耦合器),它包含一个(或多个)红外发光二极管或 LED光源,以及内部的光敏器件一个,光隔离器将输入与输出隔离。

LED光源连接到固态继电器的输入驱动部分,并通过间隙向相邻的光敏晶体管、达林顿对管或三端双向可控硅开关提供光耦合。当电流通过LED时,它会发光,并且其光会穿过间隙聚焦到光电晶体管/光电三端双向可控硅开关。

因此,通过为该LED通电(通常使用低压信号)将光耦合SSR的输出变为“ON”。由于输入和输出之间的唯一连接是一束光,因此通过这种内部光隔离实现了高压隔离(通常为几千伏)。光隔离器不仅提供更高程度的输入/输出隔离,还可以传输直流和低频信号。

固态继电器的输入电路可能仅由与光隔离器的LED串联的单个限流电阻组成,或者由具有整流、电流调节、反极性保护、滤波等功能的更复杂的电路组成。

要激活或“打开”已售状态继电器导通,必须将大于其最小值(通常为3伏直流电)的电压施加到其输入端子(相当于机电继电器线圈)。如下图所示,该直流信号可以来自机械开关、逻辑门或微控制器。

固态继电器直流输入电路

当使用机械触点、开关、按钮、其他继电器触点等作为激活信号时,使用的电源电压可以等于SSR的最小输入电压值,而当使用晶体管、门和微控制器等固态器件时- 控制器,最小电源电压需要比SSR的开启电压高1或2伏,以考虑开关器件的内部电压降。

但是,除了使用直流电压(灌入或拉出)将固态继电器切换为导通状态外,还可以使用正弦波形,方法是在直流输入中添加一个用于全波整流的桥式整流器和一个滤波电路,具体如下图所示:

固态继电器交流输入电路

桥式整流器将正弦电压转换为输入频率两倍的全波整流脉冲。这里的问题是这些电压脉冲从零伏开始和结束,这意味着它们将低于SSR输入阈值的最小开启电压要求,导致输出每半个周期“开启”和“关闭”。

为了克服这种不稳定的输出触发,可以通过在桥式整流器的输出上使用平滑电容器 (C1) 来平滑整流纹波。电容器的充放电作用会使整流信号的直流分量升高到固态继电器输入的最大开启电压值以上。然后,即使使用了不断变化的正弦电压波形,SSR的输入仍然是一个恒定的直流电压。

选择降压电阻R1和平滑电容器C1的值以适应电源电压、120伏交流电或240伏交流电以及固态继电器的输入阻抗,大约40kΩ和10uF就可以了。

固态继电器的输出电路图

固态继电器的输出开关能力可以是交流或直流,类似于其输入电压要求。大多数标准固态继电器的输出电路配置为仅执行一种类型的开关动作,相当于机电继电器的常开、单刀单掷 (SPST-NO) 操作。

对于大多数直流SSR,通常使用的固态开关器件是功率晶体管、达林顿管和MOSFET,而对于交流SSR,开关器件是双向可控硅或背靠背晶闸管。晶闸管是首选,因为它们具有高电压和电流能力。如下图所示,也可以在桥式整流器电路中使用单个晶闸管。

固态继电器输出电路

固态继电器最常见的应用是交流负载的切换,无论是控制交流电源的开/关切换、调光、电机速度控制还是其他需要电源控制的应用,这些交流负载可以使用具有长寿命和高开关速度的固态继电器通过低电流直流电压轻松控制。

与机电继电器相比,固态继电器的最大优势之一是它能够在零负载电流点切换“关闭”交流负载,从而完全消除与传统机械继电器和感应负载相关的电弧、电气噪声和触点反弹。

另外,零电流关断是使用固态继电器的主要优势,因为它降低了电气噪声和与感应负载切换相关的反电动势,如机电继电器触点的电弧,可以看看下面典型交流固态继电器的输出波形图。

固态继电器输出波形

 
在没有施加输入信号的情况下,没有负载电流流过固态继电器,因为它实际上处于关闭(开路)状态,并且输出端子看到完整的交流电源电压。随着直流输入信号的应用,无论正弦波形的哪个部分(正或负)循环经过,由于固态继电器的零电压开关特性,输出仅在波形交叉时打开零点。

随着电源电压在正或负方向上增加,它会达到使输出晶闸管或双向可控硅完全导通所需的最小值(约15伏)。固态继电器输出端子上的电压降是开关器件的通态电压降V T(通常小于2伏)。因此,与无功负载或灯负载相关的任何高浪涌电流都会大大降低。

当直流输入电压信号被移除时,输出不会突然关闭,因为一旦触发导通,用作开关器件的晶闸管或三端双向可控硅开关会在半周期的剩余时间内保持导通,直到负载电流降至低于器件保持电流,此时它关闭。因此,与在正弦波中间切换电感负载相关的高dv/dt反电动势大大降低。

总结

固态继电器是使用半导体开关元件的继电器,主要就是使用称为光电耦合器的光学半导体来隔离输入和输出信号。光电耦合器将电信号转换为光信号并通过空间中继信号,从而在高速中继信号的同时将输入和输出部分完全隔离。

此外,固态继电器由没有机械触点的电子元件组成。因此,固态继电器具有机械继电器不具备的多种功能。固态继电器最大特点是不使用会物理磨损的开关触点。

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