交流固態繼電器,交流固態繼電器的使用

??電子 元 器 件的可靠性應由兩部分組成，一是元器件的固有可靠性;二是元器件的使用可靠性。固有可靠性是元器件可靠性的基礎，主要靠元器件制造商從設計、制造等方面進行有效的控制。使用可靠性則是從使用入手，保證和提高元器件的可靠性，使其滿足整機系統的可靠性要求。元器件的固有可靠性是整機可靠性的基礎，沒有高可靠質量等級的元器件，就不可能制造出高可靠的電子設備。但有了高可靠質量等級的元器件并不一定能制造出高可靠的整機，因這里面有一個使用可靠性的問題。所謂使用可靠性，就是根據各種元器件的特性，利用可靠性設計技術，對元器件實現合理選則和降額使用，采用容差、漂移、抗振、抗熱、三防、抗幅射、維修性、電磁兼容及人機工程設計等，最大限度的發揮元器件固有可靠性的作用，以達到整機系統的可靠性要求。

固態 繼 電 器，(SolidS tateR elay簡寫成SSR)，是一種全部由固態電子元件組成的新型無觸點開關器件，它利用電子元件(如開關三極管、雙向可控硅等半導體器件)的開關特性，內部無任何機械運動的零部件，可達到無觸點無火花地接通和斷開電路的目的，因此又被稱為無觸點開關。從功能上來說，SSR是一種控制元件，從原理和結構上來說，SSR是一種電子電路組件。SSR按使用場合可以分成交流型和直流型兩大類，它們分別在交流或直流電源上做負載的開關，不能混用。本文主要對交流SSR的可靠性應用問題進行一些探討。

1.交流SSR的結構與原理
1. 1交流SSR的結構

交流 S SR 是一種無觸點通斷電子開關，為四端有源器件。其中兩個端子為輸入控制端，另外兩端為輸出受控端，中間采用“光電”控制方式實現輸入輸出之間電氣隔離.在輸入端加上直流或脈沖信號，輸出端就能從關斷狀態轉變成導通狀態(無信號時呈阻斷狀粉，從而控制較大負載。整個器件無可動部件及觸點，可實現相當于常用的機械式電磁繼電器一樣的功能。常用SSR的結構組成框圖如圖1所示。固體繼電器的輸入電路是固體繼電器的觸發信號源。固體繼電器的輸入電路多為直流輸入，個別的為交流輸入。直流輸入電路又分為阻性輸入和恒流輸入。阻性輸入電路的輸入控制電流隨輸入電壓呈線性的正向變化。恒流輸入電路，在輸入電壓達到一定值時，電流不再隨電壓的升高而明顯增大，這種繼電器可適用于相當寬的輸入電壓范圍。固體繼電器的驅動電路可以包括隔離禍合電路、功能電路和觸發電路三部分。隔離禍合電路，目前多采用光電禍合器和高頻變壓器兩種電路形式。常用的光電禍合器有光一三極管、光一雙向可控硅、光一二極管陣列(光一仍等。高頻變壓器禍合，是在一定的輸入電壓下，形成約10M-Iz的自激振蕩，通過

變壓器磁芯將高頻信號傳遞到變壓器次級。功能電路可包括檢波整流、過零、加速、保護、顯示等各種功能電路。觸發電路的作用是給輸出器11提供觸發信號。固體繼電器的輸出電路是在觸發信號的控制下，實現固體繼電器的通斷切換。輸出電路主要由輸出器件(芯片)和起瞬態抑制作用的吸收回路組成，有時還包括反饋電路。目前，各種固體繼電器使用的輸出器件主要有晶體三極管、單向可控硅、雙向可控硅、MOs場效應管、絕緣柵型雙極晶體管等。圖2給出了幾種國內、外常見的SSR的外形。

1. 2交流SSR的原理
交流 型 的 SSR原理框圖如圖3所示，A和B是SSR的兩個輸入端，C和D是兩個輸出端，工作時只要在A, B上加上一定的控制信號，就可以控制C, D兩端之間的“通”和“斷”，實現“開關”的功能，其中禍合電路的功能是既為A, B端輸入的控制信號提供一個輸入/輸出端之間的通道，又在電氣上使SSR的輸入端和輸出端之間實現隔離，以防止輸出端對輸入端的影響，這里的禍合電路采用的是“光禍合器”，它動作靈敏、響應速度高、輸入/輸出端間的絕緣(耐壓)等級高;由于輸入端的負載是發光二極管，這使SSR的輸入端很容易做到與輸入信號電平相匹配，在使用可直接與計算機輸出接口相接，即受1與0的邏輯電平控制。觸發電路的功能是產生合乎要求的觸發信號，驅動開關電路工作，但由于開關電路在不加特殊控制電路時，將產生射頻干擾并以

高次諧波或尖峰等污染電網，為此特設“過零控制”電路。所謂過零是指，當加入控制信號，交流電壓過零時，SSR即為通態;而當斷開控制信號后，SSR要等待交流電的正半周與負半周的交界點(零電位)時，SSR才為斷態.這種設計能防止高次諧波的干擾和對電網的污染。吸收電路是為防止從電源中傳來的尖峰、浪涌(電,E)對開關器件雙向可控硅管的沖擊和干擾(甚至誤動作)而設計的，一般是用R{ 串聯吸收電路或非線性電阻(壓敏電阻器)。

2.交流SSR的主要特點

SSR 問世 于 70年代，由于它的無觸點工作特性，使其在許多領域的電控及計算機控制方面得到日益廣范的應用。具有工作可靠、壽命長，對外界干擾小，能與邏輯電路兼容、抗干擾能力強、開關速度快和使用方便等一系列優點，因而具有很寬的應用領域，由于交流型SSR采用過零觸發技術，因而可以安全地應用在計算機輸出接口上，不必為在接口上采用電磁繼電器而產生的一系列對計算機的干擾而煩惱。固體繼電器是具有隔離功能的電子開關，是由半導體器件和無源元件組成.利用光電子和微電子技術實現控制電路(輸入端)與負載電路(輸出端)之間的電禍合和電隔離，無任何可動部件。固體繼電器除具有與電磁繼電器一樣的功能外，還具有與邏輯電路兼容、開關速度快、輸出接通電阻穩定、抗干擾能力強、對外界干擾小、壽命長、工作可靠性高等突出的特點。

2. 1適用的輸入電壓范圍寬，輸入功率小
在 SS R中 由于光禍合器的應用，所需的工作電平可以和T，TL,H TL,C MOS等常用集成電路的邏輯電路兼容，可以實現直接聯接，適用的輸入電壓范圍寬，為3V^-32V;成功地實現了用直流弱電信號對交流強電(輸出端負載電壓)的控制，使控制信號輸入電流小(固體繼電器的典型值為7mA，最小的僅需0.25 mA);所需的輸入激勵功率極低(僅十余毫瓦就可正常工作，靈敏型只需兒百微瓦)，這使SSR在數控和自控設備等方面得到廣泛應用。

2. 2 開關速度決，輸出接通電阻穩定

固體 繼 電 器的轉換速度多為幾十到兒百微秒，最快的十兒微秒，除交流固體繼電器需半周過零切換外，最大的約幾毫秒。固體繼電器的輸出接通電阻多為幾十毫歐姆，最小的已低于幾個毫歐姆。

無因 機 械 和電磨損造成的接觸不良，輸出接通電阻穩定，輸出電路在100V下的斷態漏電流
已低于0.1A ,等效的絕緣電阻已超過108Q 。

2. 3 抗干擾能力強，對外界干擾小
固體 繼 電 器輸入輸出間采用光電或變壓器隔離，避免了輸出對輸入邏輯電路的影響，輸出電路具有較高的抗脈沖電流的過負載能力和瞬間電壓耐量。固體 繼 電 器的輸入電流很小，無電磁繼電器輸入線圈在關斷時的數百伏甚至幾千伏的反電動勢;輸出電路不存在由于觸點抖動、回路和電弧火花所引發的電磁干擾和射頻干擾.

2. 4 器件壽命長，工作可靠性高
固體 繼 電 器沒有任何可動的機械部件，工作中也沒有任何機械動作，因而沒有觸點的機械和電磨損，它的壽命就是半導體器件的壽命，所以固體繼電器在額定負載下的電壽命一般可達108-10"次動作。固體繼電器不存在觸點回跳、抖動，因此其輸出信號不會引發邏輯電路多次動作;無活動部件，采用密封結構，無動作噪聲;耐振耐機械沖擊;安裝位置無限制:很容易用絕緣防水材料灌封做成全密封形式，而且具有良好的防潮防霉防腐性能;在防爆和防止臭氧污染方面的性能也極佳。具有耐惡劣的機械和氣候環境的能力。固體繼電器具有高可靠工作的先天條件，只要選擇和使用正確，就會實現應用的高可靠。

3. SSR的適用范圍
交流 S SR 的上述這些特點使其可在現代國防、現代工業和各類民用電控設備的應用中大顯身手，具有]“泛用途。
3. 1應用于現代軍事裝備和武器系統
如: 各 類 軍艦(船)、各類坦克、自動火炮、各類飛機、導彈(火箭)發射控制系統等。
3. 2應用于各類廣播、通信、雷達導航系統
如: 電 視 發射臺、電視信號差轉臺、調頻/調幅廣播電臺、尋呼機、傳真機、公用計費電話機、多功能臺式電話機、局用電話交換機、便攜電話基站、網絡終端機、光纜終端機、禎中繼、衛星接收機、各類雷達、無線電導航等設備。
3. 3應用于各類計算積刃講目關配翻變備
如: 臺 式 計算機、筆記本計算機、電子記事本、掃描儀、打印機、繪圖儀、復印機、卡用MODEM、硬盤驅動器等計算機外圍接口裝置及其配套部件。
3. 4 應用于自動化檢測儀器
如: 零 點 自動補償儀、自動選程測試儀、多點記錄儀、IC測試儀、半導體特性試驗設備、電纜測試儀、液晶試驗設備、蓄電池充放電試驗設備等測試儀器。

3. 5應用于工業控制設備
如: 噴 射 成型機、機器人控制、無人搬運車、可編程控制器、傳感器驅動器、電源切換、過程控制、電流輸出變換、恒溫器和電阻爐控制、交流電機控制、中間繼電器和電磁閥控制、信號燈交通燈和閃爍器控制、照明和舞臺燈光控制、數控機械遙控系統、自動消防和保安系統、大功率可控硅觸發和工業自動化裝置等。
3. 6應用于現代化醫療設備
如: 麻 醉 機、X射線儀、心電圖儀、腦電波儀、CT掃描儀、核磁共振診斷儀、超聲波診斷儀、重癥監護儀等醫療設備。
3. 7應用于現代化生活設施
如: 電 、 氣、水、暖等設備的自動檢測系統、電力測量儀、停電自動恢復裝置、故障線路切換、防盜、防火、報警設備等公用設施。
3. 8應用于現代家電設備
如: 電 炊 具(電飯鍋、電炒鍋、電火鍋等)、電冰箱(冰柜)、空調機、電熱水器、電磁灶具、全自動洗衣機、聲頻設各、數字化錄像機、電視游戲機、多媒體電視等消費類產品。

4.使用SSR時在可靠性設計上需要注意的若干問題
要最 大 限 度的發揮SSR元件固有可靠性的作用，必須根據SSR元件的特性，利用可靠性設計技術，對此類元件進行合理選則和降額使用，以達到整機系統的可靠性和穩定性要求，筆者認為應重點注意以下幾點問題。

4. 1控制器件的發熱
SSR 在 導 通時，元件將承受熱耗散功率是P(耗)=V(飽和壓降)X工(有效值工作電流)。SSR對溫度的敏感性很強，工作蠕度超過標稱值后，必須降熱或外加散熱器，此時，需依據實際工作環境條件，嚴格參照額定工作電流時允許的外殼溫升(750C)，合理選用散熱器尺寸或降低電流使用，否則將因過熱引起失控，甚至造成SSR器件損壞。在30A以下配散熱器，可采用自然風冷，若連續負載電流大于30A時，最好采用儀器風扇強制風冷。

4. 2封裝和安裝形式
SSR 通 常 有臥式W型、立式Ll型，體積小適用于印制板直接焊接安裝。立式L2型，既合豁置合于線路板焊接安裝，也能適用于線路板上插接安裝。K型及F型，適合散熱器及儀器底板安裝。大功率SSR (K型和F型封裝)安裝時，應注意散熱器接觸面應平整，并需涂復導熱硅脂(先鋒T-50)。安裝力矩愈大，接觸熱阻愈小。大電流引出線，需配冷壓焊片，以減少引出線接點電阻。

4. 3 輸入端驅動
SSR 按 輸 入控制方式，可分為電阻型、恒流源和交流輸入控制型。較常用的是與5VT TL電平兼容的電阻輸入型。使用其他控制電壓時，可相應選用限流電阻。SSR輸入屬于電流型器件，當輸入端光禍可控硅完全導通后，再觸發大功率可控硅導通。當激勵不足S余E波式的觸發電壓，有可育b查成大功率可控硅處于臨界導通邊緣，并造成主負載電流流經觸發回路引起的損壞。國外廠商提供的器件標準電流為10MA，考慮到全溫度工作范圍(-40^-+70'C)，發光效率穩定和抗干擾能力，推薦最佳直流觸發工作電流在12^-25mA之間。SSR的輸入端可并聯或串聯驅動。串聯使用時，一個SSR應按4V電壓考慮，12V電壓可驅動3個SSR.

4. 4 過流了過壓保護
較常 用 的 過電流保護方法是快速熔斷器和空氣開關，快速熔斷器可按額定工作電流的1.2倍選擇，一般小容量可選用保險絲。負載短路往往是造成SSR產品損壞的主要原因，應特別引起注意。對于感性及容性負載，除SSR內部的RC電路保護外，建議采用壓敏電阻并聯在輸出端，作的為組合保護。金屬氧化鋅壓敏電阻(MOV)面積大小決定吸收功率，厚度決定保護電壓值。交流220V SSR，宜選用MYH12, 430V, 12的壓敏電阻;380V的SSR，宜選用MYH12, 750V壓敏電阻;對于容量較大的電機以及變壓器，則應選用MYH20, 24通流容量大的壓敏電阻。
4. 5.關于對SSR元件的降額使用
對 SS R元 件的降額使用，是指根據不同負載條件，在選用SSR元件時，對其額定輸出電流和額定工作電壓的確認上留出一定的富余量，實踐證明，這樣可使SSR元件的使用可靠性成倍提高。
4. 5. 1額定輸出電流和浪涌電流
額定 輸 出 電流是指在給定條 I}下 (環境溫度、額定電壓、功率因素、有無散熱器等)所能承受最大電流的有效值。浪涌電流是指在給定條件下(環境溫度、額定電壓、額定電流和持續的時間常不會造成永久性損壞所允許的最大非重復性峰值電流。

4. 5. 2 ILA中負載條件下SSR元件的降額使用
由于 S SR 能承受在數值上可達額定電流數倍的浪涌電流，因此，SSR對一般的負載應是沒有問題的，但也必須考慮一些特殊的負載條件，以避免過大的沖擊電流和過電壓，對器件性能造成不必要的損壞。白熾燈、電爐等類的“冷阻”特性，造成開通瞬間的浪涌電流，超過額定工作電流值數倍。一般普通型SSR，可按照電流值的2/3選用。增強型SSR，可按廠商提供的參數選用。在惡劣條件下的工業控制現場，建議留有足夠的電壓、電流余量。某些類型的燈，在燒斷瞬間會出現低阻抗.氣化和放電通道以及容性負載，如切換電容器組或電容器電源，會造成類似短路狀態。可在線路中進一步串聯電阻或電感，作為限流措施。對于負載為感應電機，所選SSR的額定電流值應為電機運轉電流的2--4倍，SSR的浪涌電流值應為額定電流的10倍。中間繼電器、電磁閥吸合不可靠時引起的抖訓瞇又及電容換向式電機換向時，電容電壓和電源電壓的疊加會在SSR兩端產生二倍電源的浪涌電壓。控制變壓器初級時，也應考慮次級線路上的瞬態電壓對初級的影響。此外，變壓器也有可能因為兩個方向電流不對稱，造成飽和引起的浪涌電流異常現象，所選額定輸出電壓必須大于兩倍電源電壓值，而且所選產品的阻斷(擊穿)電壓應高于負載電源電壓峰值的兩倍。如在電源電壓為交流220V、一般的小功率非阻性負載的情況下，建議選用額定電壓為400V-600V的SSR產品;但對于頻繁啟動的單相或三相電機負載，建議選用額定電壓為600V-800V的SSR產品。

5. 結束語
如前 所 述 ，不難看出SSR的性能與普通電磁式繼電器相比有著很多的優點，特別是其電氣隔離的控制方式，使得計算機編程控制的實現更加方便、靈活。但SSR也存在一些弱點，如:存在有導通電阻、通態壓降、斷態漏電流;易受溫度和輻射的影響;發熱嚴重時易損壞;靈敏度高，易產生誤動作;截止時存在漏電阻，不能使電路完全分開;在需要聯鎖、互鎖的控制電路中，必須增設的保護電路會使系統成本上升、體積增大等。隨著微電子技術、電子計算機技術、通信技術、光電技術、軍用電子裝備系統及宇航技術的飛速發展，對SSR的性能及使用可靠性也提出了更高的要求。因此，在選擇和使用SSR元件時，必須對其獨特的性能參數全面、正確的理解和認真分析，最大限度的發揮SSR元件固有可靠性的作用，確保SSR無故障的工作，才有可能達到整機系統可靠性、穩定性的要求。