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固态继电器的分类与工作原理
更新时间:[2012-06-15] 浏览次数:1707次

固态继电器(Solid State Relays,缩写SSR)是一种无触点电子开关,由分立元器件、膜固定电阻网络和芯片,采用混合工艺组装来实现控制回路(输入电路)与负载回路(输出电路)的电隔离及信号耦合,由固态器件实现负载的通断切换功能,内部无任何可动部件。尽管市场上的固态继电器型号规格繁多,但它们的工作原理基本上是相似的。主要由输入(控制)电路,驱动电路和输出(负载)电路三部分组成。
固态继电器的输入电路是为输入控制信号提供一个回路,使之成为固态继电器的触发信号源。固态继电器的输入电路多为直流输入,个别的为交流输入。直流输入电路又分为阻性输入和恒流输入。阻性输入电路的输入控制电流随输入电压呈线性的正向变化。恒流输入电路,在输入电压达到一定值时,电流不再随电压的升高而明显增大,这种继电器可适用于相当宽的输入电压范围。
固态继电器的驱动电路可以包括隔离耦合电路、功能电路和触发电路三部分。隔离耦合电路,目前多采用光电耦合器和高频变压器两种电路形式。常用的光电耦合器有光-三极管、光-双向可控硅、光-二极管阵列(光-伏)等。高频变压器耦合,是在一定的输入电压下,形成约10MHz的自激振荡,通过变压器磁芯将高频信号传递到变压器次级。功能电路可包括检波整流、过零、加速、保护、显示等各种功能电路。触发电路的作用是给输出器件提供触发信号。
固态继电器的输出电路是在触发信号的控制下,实现固态继电器的通断切换。输出电路主要由输出器件(芯片)和起瞬态抑制作用的吸收回路组成,有时还包括反馈电路。目前,各种固态继电器使用的输出器件主要有晶体三极管(Transistor)、单向可控硅(Thyristor或SCR)、双向可控硅(Triac)、MOS场效应管(MOSFET)、绝缘栅型双极晶体管(IGBT)等。
固态继电器原理 固态继电器(Solidstate Relay, SSR)是一种由固态电子组件组成的新型无触点开关,利用电子组件(如开关三极管、双向可控硅等半导体组件)的开关特性,达到无触点、无火花、而能接通和断开电路的目的,因此又被称为“无触点开关”。相对于以往的“线圈—簧片触点式”继电器(Electromechanical Relay, EMR),SSR没有任何可动的机械零件,工作中也没有任何机械动作,具有超越EMR的优势,如反应快、可靠度高、寿命长(SSR的开关次数可达108"109次,比一般EMR的106高出百倍)、无动作噪声、耐震、耐机械冲击、具有良好的防潮防霉防腐特性。这些特点使SSR在军事、化工、和各种工业民用电控设备中均有广泛应用。固态继电器的控制信号所需的功率极低,因此可以用弱信号控制强电流。同时交流型的SSR采用过零触发技术,使SSR可以安全地用在计算机输出接口,不会像EMR那样产生一系列对计算机的干扰,甚至会导致严重当机。比较常用的是DIP封装的型式。控制电压和负载电压按使用场合可以分成交流和直流两大类,因此会有DC-AC、DC-DC、AC-AC、AC-DC四种型式,它们分别在交流或直流电源上做负载的开关,不能混用.
按负载电源的类型不同可将SSR分为交流固态继电器(AC—SSR)和直流固态继电器(DC—SSR)。AC—SSR是以双向晶闸管作为开关器件,用来接通或断开交流负载电源的固态继电器。AC—SSR的控制触发方式不同,又可分为过零触发型和随机导通型两种。过零触发型AC—SSR是当控制信号输入后,在交流电源经过零电压附近时导通,故干扰很小。随机导通型AC—SSR则是在交流电源的任一相位上导通或关断,因此在导通瞬间可能产生较大的干扰。
1.2 工作原理
过零触发型AC—SSR为四端器件,其内部电路如图1所示。1、2为输入端,3、4为输出端。R0为限流电阻,光耦合器将输入与输出电路在电气上隔离开,V1构成反相器,R4、R5、V2和晶闸管V3组成过零检测电路,UR为双向整流桥,由V3和UR用以获得使双向晶闸管V4开启的双向触发脉冲,R3、R7为分流电阻,分别用来保护V3和V4,R8和C组成浪涌吸收网络,以吸收电源中带有的尖峰电压或浪涌电流,防止对开关电路产生冲击或干扰。
要指出的是所谓“过零”并非真的必须是电源电压波形的零处,而一般是指在10~25V或-(10~25)V区域内进行触发,如图2所示。图中交流电压分三个区域,Ⅰ区为-10V~+10V范围,称为死区,在此区域中加入输入信号时不能使SSR导通。Ⅱ区为10~25V和-(10~25)V范围,称为响应区,在此区域内只要加入输入信号,SSR立即导通。Ⅲ区为幅值大于25V的范围,称为抑制区在此区域内加入输入信号,SSR的导通被抑制。

当输入端未加电压信号时,光耦合器的光敏晶体管因未接收光而截止,V1饱和,V3和V4因无触发电压而截止,此时SSR关闭。当加入输入信号时,光耦合器中的发光二极管发光,光敏晶体管饱和,使V1截止。此时若V3两端电压在-(10~25)V或10~25V范围内时,只要适当选择分压电阻R4和R5,就可使V2截止,这样使V3触发导通,从而使V 4的控制极上得到从R6→UR→V 3→UR→R7或反方向的触发脉冲,而使V4导通,使负载接通交流电源。而若交流电压波形在图2中的Ⅲ区内时,则因V2饱和而抑制V3和V4的导通,而使SSR被抑制,从而实现了过零触发控制。由于10~25V幅值与电源电压幅值相比可近似看作“零”。因此,一般就将过零电压粗略地定义为0~±25V,即认为在此区域内,只要加入输入信号,过零触发型AC—SSR都能导通。
当输入端电压信号撤除后,光耦合器中的光敏晶体管截止,V1饱和,V3截止,但此时V4仍保持导通,直到负载电流随电源电压减小到小于双向晶闸管的维持电流时,SSR才转为截止。
SSR的输出端器件可分为双向晶闸管和两只单向晶闸管反并联形式。若负载为电动机一类的感性负载,则其静态电压上升率dv/dt是一个重要参数。由于单向晶闸管静态电压上升率(200V/μs)大大高于双向晶闸管的换向指标(10V/μs),因此若采用两只大功率单向晶闸管反并联代替双向晶闸管,一方面可提高输出功率;另一方面也可提高耐浪涌电流的冲击能力,这种SSR称为增强型SSR。
2.选型使用时应注意事项
2.1在选用小电流规格印刷电路板使用的固态继电器时,因引线端子为高导热材料制成,焊接时应在温度小于250℃、时间小于10S的条件下进行,如考虑周围温度的原因,必要时可考虑降额使用,一般将负载电流控制在额定值的 1/2以内使用。
2.2各种负载浪涌特性对SSR的选择
许多被控负载在接通瞬间会产生很大的浪涌电流,由于热量来不及散发,很可能使SSR内部可控硅损坏,所以用户在选用继电器时应对被控负载的浪涌特性进行分析,然后再选择继电器。使继电器在保证稳态工作前提下能够承受这个浪涌电流,选择时可参考表2各种负载时的降额系数(常温下)。
如所选用的继电器需在工作较频繁、寿命以及可靠性要求较高的场合工作时,则应在表2的基础上再乘以0.6以确保工作可靠。
一般在选用时遵循上述原则,在低电压要求信号失真小可选用采用场效应管作输出器件的直流固态继器;如对交流阻性负载和多数感性负载,可选用过零型继电器,这样可延长负载和继电器寿命,也可减小自身的射频干扰。如作为相位输出控制时,应选用随机型固态继电器。
2.3 使用环境温度的影响
固态继电器的负载能力受环境温度和自身温升的影响较大,在安装使用过程中,应保证其有良好的散热条件,额定工作电流在10A以上的产品应配散热器,100A 以上的产品应配散热器加风扇强冷 。在安装时应注意继电器底部与散热器的良好接触 ,并考虑涂适量导热硅脂以达到最佳散热效果。
如继电器长期工作在高温状态下(40℃~80℃)时,用户可根据厂家提供的最大输出电流与环境温度曲线数据,考虑降额使用来保证正常工作。 
2.4 过流、过压保护措施
在继电器使用时,因过流和负载短路会造成SSR内部输出可控硅永久损坏 ,可考虑在控制回路中增加快速熔断器和空气开关予以保护型(选择继电器应选择产品输出保护,内置压敏电阻吸收回路和RC缓冲器,可吸收浪涌电压和提高dv/dt耐量);也可在继电器输出端并接 RC吸收回路和压敏电阻(MOV)来实现输出保护。选用原则是220V选用500V-600V压敏电阻,380V时可选用800V-900V压敏电阻。
2.5 继电器输入回路信号
在使用时因输入电压过高或输入电流过大超出其规定的额定参数时,可考虑在输入端串接分压电阻或在输入端口并接分流电阻,以使输入信号不超过其额定参数值。
2.6 在具体使用时,控制信号和负载电源要求稳定,波动不应大于10%,否则应采取稳压措施。
2.7 在安装使用时应远离电磁干扰,射频干扰源,以防继电器误动失控。
2.8 固态继电器开路且负载端有电压时,输出端会有一定的漏电流,在使用或设计时应注意。
2.9 固态继电器失效更换时,应尽量选用原型号或技术参数完全相同的产品,以便与原应用线路匹配,保证系统的可靠工作。
固态继电器简介
 一.什么是固态继电器?
固态继电器(SSR)是一种全电子电路组合的元件,它依靠半导体器件和电子元件的电磁和光特性来完成其隔离和继电切换功能。固态继电器与传统的电磁继电器相比,是一种没有机械,不含运动零部件的继电器,但具有与电磁继电器本质上相同的功能。
二.固态继电器的分类:
按工作性质分有直流输入-交流输出型,直流输入-直流输出型,交流输入-交流输出型,交流输入-直流输出型。
按安装方式有装置式(面板安装),线路板安装型。
按元件分有普通型和增强型。
三.固态继电器优缺点:
优点:多数产品具有零电压导通,零电流关断,与逻辑电路兼容(TTL、DTL、HTL)切换速度快、无噪音、耐腐蚀、抗干扰、寿命长、体积。芤晕⑿〉目刂菩藕胖苯忧蟮缌鞲涸氐。
缺点:存在通态压降,需要散热措施,有输出漏电流,交直流不能通用,触点组数少,成本高。
四.固态继电器应用领域:
由于固态继电器的内在特点,自问世以来以进入电磁继电器的大多数领域,在少数领域以完全取而代之。特别是计算机自动控制领域,由于固态继电器的所需驱动功率较底,直接和逻辑电路兼容,不必加中间缓冲器即可直接驱动。目前固态继电器以被广泛应用于工业自动化控制,如电炉加热系统,熟控机械,遥控机械,电机,电磁阀以及信号灯,闪烁器,舞台灯光控制系统,医疗器械,复印机,洗衣机,消防保安系统等等都有大量应用。
固体继电器
固态继电器SSR(solid state releys)是一种无触点通断电子开关,它利用电子元件(如开关三极管、双向可控硅等半导体器件)的开关特性,可达到无触点无火花地接通和断开电路的目的,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。为实现输入与输出之间的电气隔离,器件中采用了高耐压的专业光电耦合器。当施加输入信号后,其主回路呈导通状态,无信号时呈阻断状态。整个器件无可动部件及触点,可实现相当于常用电磁继电器一样的功能。其封装形式也与传统电磁继电器基本相同。它问世于70年代,由于它的无触点工作特性,使其在许多领域的电控及计算机控制方面得到日益广范的应用。
由于固态继电器是由固体元件组成的无触点开关元件,所以它较之电磁继电器具有工作可靠、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领域。如计算机和可编程控制器的输入输出接口、计算机外围和终端设备、机械控制、过程控制、遥控及保护系统等。在一些要求耐振、耐潮、耐腐蚀、防爆等特殊工作环境中以及要求高可靠的工作场合,SSR都较之传统的电磁继电器有无可比拟的优越性。
固态继电器有三部分组成:输入电路,隔离(耦合)和输出电路。安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。SSR按使用场合可以分成交流型和直流型两大类,它们分别在交流或直流电源上做负载的开关,不能混用。
固体继电器的工作原理
尽管市场上的固体继电器型号规格繁多,但它们的工作原理基本上是相似的。主要由输入(控制)电路,驱动电路和输出(负载)电路三部分组成。
固体继电器的输入电路是为输入控制信号提供一个回路,使之成为固体继电器的触发信号源。固体继电器的输入电路多为直流输入,个别的为交流输入。直流输入电路又分为阻性输入和恒流输入。阻性输入电路的输入控制电流随输入电压呈线性的正向变化。恒流输入电路,在输入电压达到一定值时,电流不再随电压的升高而明显增大,这种继电器可适用于相当宽的输入电压范围。
固体继电器的驱动电路可以包括隔离耦合电路、功能电路和触发电路三部分。隔离耦合电路,目前多采用光电耦合器和高频变压器两种电路形式。常用的光电耦合器有光-三极管、光-双向可控硅、光-二极管阵列(光-伏)等。高频变压器耦合,是在一定的输入电压下,形成约10MHz的自激振荡,通过变压器磁芯将高频信号传递到变压器次级。功能电路可包括检波整流、过零、加速、保护、显示等各种功能电路。触发电路的作用是给输出器件提供触发信号。
固体继电器的输出电路是在触发信号的控制下,实现固体继电器的通断切换。输出电路主要由输出器件(芯片)和起瞬态抑制作用的吸收回路组成,有时还包括反馈电路。目前,各种固体继电器使用的输出器件主要有晶体三极管(Transistor)、单向可控硅(Thyristor或SCR)、双向可控硅(Triac)、MOS场效应管(MOSFET)、绝缘栅型双极晶体管(IGBT)等。
固体继电器的主要优点是:
(1)无运动零部件,无机械磨损,无动作噪声,无机械故障,可靠性高;
(2) 无燃弧触点,无触点间的火花、电。薮サ愣抖湍ニ,对外干扰。
(3) 开关速度迅速,动作时间可达10-3S以下;
(4) 灵敏度高,控制功率。纱10-3以下,能很好地与TTL、CMOS电路兼容;
(5) 抗冲击振动性能优良,容易实现“零”压切换;
(6) 一般用绝缘材料灌封成全封闭整体,所以具有良好的防潮、防霉、防腐性能,防爆性能也极佳;
(7) 半导体器件作为开关工作,寿命长;
(8) 易实现附加功能。
固体继电器性能参数测试时应注意以下几点:
(1)测试直流SSR接通和关断电压时,输入电压不能长时间处于接通与关断之间,否则输出端功耗急剧上升,容易烧坏输出开关元件。
(2)测试中不要随意加快动作速率(一般输入信号的一个周期长应为接通和关断时间之和的10倍以上),否则因动态开关损耗大无法工作,甚至烧坏输出开关元件。
(3)测试时,首先要了解输出电流与壳温(环境温度)之间的关系曲线(壳温上升或不带散热器时额定输出电流会下降),避免过载引起永久性失效。
(4)SSR在关断状态下输出两端不能实现完全的隔离,存在一定的漏电流,在较高电压下测试介质耐压和绝缘电阻在使用时,易发生触电事故。输出两端绝不可测试绝缘电阻或耐压。
固体继电器使用中应注意的问题
(1)在实际使用时,必须使产品的实际使用条件完全符合产品各项参数和特性曲线的要求。
(2)SSR受温度影响较大,使用时要考虑好散热(一般负载电流>5A时应装散热片),当环境温度高时,SSR的负载能力必然相应下降,因此选用SSR时须留有一定的余量。
(3)当继电器处于导通状态时,将承受P=V(管压降)×I(负载)的耗散功率。因此必须根据实际工作环境,合理选用散热器的尺寸或降低负载电流使用。

 

电导率
电导率:水的导电性即水的电阻的倒数,通常用它来表示水的纯净度。
电导率是物体传导电流的能力。电导率测量仪的测量原理是将两块平行的极板,放到被测溶液中,在极板的两端加上一定的电势(通常为正弦波电压),然后测量极板间流过的电流。根据欧姆定律,电导率(G)--电阻(R)的倒数,是由电压和电流决定的。
电导的基本单位是西门子(S),原来被称为姆欧,取电阻单位欧姆倒数之意。因为电导池的几何形状影响电导率值,所以标准的测量中用单位S/cm来表示电导率,以补偿各种电极尺寸造成的差别。单位电导率(C)简单的说是所测电导(G)与电导池常数(L/A)的乘积.这里的L为两块极板之间的液柱长度,A为极板的面积。
=ρl=l/σ
(1)定义或解释 电阻率的倒数为电导率。σ=1/ρ ;(2)单位: 在国际单位制中,电导率的单位是西门子/米,其它单位有:s/cm,us/cm。1S/m=0.01s/cm=10000us/cm;(3)说明 电导率的物理意义是表示物质导电的性能。电导率越大则导电性能越强,反之越小。
电导电极有那些种类?有何不同用途?
电导电极一般分为二电极式和多电极式两种类型。
二电极式电导电极是目前国内使用最多的电导电极类型,实验式二电极式电导电极的结构是将二片铂片烧结在二平行玻璃片上,或圆形玻璃管的内壁上,调节铂片的面积和距离,就可以制成不同常数值的电导电极。通常有K=1、K=5、K=10等类型。而在线电导率仪上使用的二电极式电导电极常制成圆柱形对称的电极。当K=1时,常采用石墨,当K=0.1、0.01时,材料可以是不锈钢或钛合金。多电极式电导电极,一般在支持体上有几个环状的电极,通过环状电极的串联和并联的不同组合,可以制成不同常数的电导电极。环状电极的材料可以是石墨、不锈钢、钛合金和铂金。
电导电极还有四电极类型和电磁式类型。四电极电导电极的优点是可以避免电极极化带来的测量误差,在国外的实验式和在线式电导率仪上较多使用。电磁式电导电极的特点是适宜于测量高电导率的溶液,一般用于工业电导率仪中,或利用其测量原理制成单组分的浓度计,如盐酸浓度计、硝酸浓度计等。
如何测定电导电极常数?为何要对常数进行校准?
根据公式K=S/G,电极常数K可以通过测量电导电极在一定浓度的KCL溶液中的电导G来求得,此时KCL溶液的电导率S是已知的。
由于测量溶液的浓度和温度不同,以及测量仪器的精度和频率也不同,电导电极常数K有时会出现较大的误差,使用一段时间后,电极常数也可能会有变化,因此,新购的电导电极,以及使用一段时间后的电导电极,电极常数应重新测量标定,电导电极常数测量时应注意以下几点:
1. 测量时应采用配套使用的电导率仪,不要采用其它型号的电导率仪。
2. 测量电极常数的KCL溶液的温度,以接近实际被测溶液的温度为好。
3. 测量电极常数的KCL溶液的浓度,以接近实际被测溶液的浓度为好。
电导率是物质传送电流的能力,是电阻率的倒数。在液体中常以电阻的倒数——电导来衡量其导电能力的大小。水的电导是衡量水质的一个很重要的指标。它能反映出水中存在的电解质的程度。根据水溶液中电解质的浓度不同,则溶液导电的程度也不同。通过测定溶液的导电度来分析电解质在溶解中的溶解度。这就是电导仪的基本分析方法。
溶液的电导率与离子的种类有关。同样浓度电解质,它们的电导率也不一样。通常是强酸的电导率最大,强碱和它与强酸生成的盐类次之,而弱酸和弱碱的电导率最小。因此,通过对水的电导的测定,对水质的概况就有了初步的了解。电导率 电阻率的倒数即称之为电导率L。在液体中常以电阻的倒数——电导来衡量其导电能力的大小。电导L的计算式如下式所示: L=l/R=S/l电导的单位用姆欧又称西门子。用S表示,由于S单位太大。常采用毫西门子,微西门子单位1S=103mS=106μS。
当量电导 液体的电导仅说明溶液的导电性能与几何尺寸间的关系,未体现出溶液浓度与电性能的关系。为了能区分各种介质组成溶液的导电性能,必须在电导率的要领 引入浓度的关系,这就提出了当量电导的概念。所谓的当量电导就是指把1g当量电解质的溶液全部置于相距为1cm的两板间的溶液的电导,符号“λ”。由于在电导率的基础上引入了浓度的概念。因此各种水溶液的导电来表示和比较了。在水质监测中,一般通过对溶液电导的测量可掌握水中所溶解的总无机盐类的浓度指标。温度对电导的影响 溶液的电阻是随温度升高而减。慈芤旱呐ǘ纫欢ㄊ,它的电导率随着温度的升高而增加,其增加的幅度约为2%℃-1。另外同一类的电解质,当浓度不同时,它的温度系数也不一样。在低浓度时,电导率的温度之间的关系用下式表示: L1=L0[1+α(t-t0)+β(t-t0)2]由于第二项β(t-t0)2之值较。珊雎圆患。在低温时的电导率与温度的关系可用以下近似值L1=L0[1+α(t-t0)]表示,因此实际测量时必须加入温度补偿。
电导的温度系数 对于大多数离子,电导率的温度系数大约为+1.4%℃-1~3%℃-1对于H+和OH-离子,电导率温度系数分别为1.5%℃-1和 1.8%℃-1,这个数值相对于电导率测量的准确度要求,一般为1%或优于1%,是不容忽视的。纯水的电导率 即使在纯水中也存在着H+和OH-两种离子,经常说,纯水是电的不良导体,但是严格地说水仍是一种很弱的电解质,它存在如下的电离平衡:H2O←→H++OH或2H2O←→H3+O+OH-
其平衡常数:KW=[H+].[OH-]/H2O=10-14
式中KW称为水的离子积[H+]2=[OH-]2=10-14∴[H+]2=[OH-]2=10-7lH2O,0=λOH-,0=349.82+198.6=548.42S/cm.mol2已知水的密度d25℃/H2O=0.9970781cm3 故原有假设为1的水分离子浓度只能达到0.99707。实际上是仅0.99707份额的水离解成0.99707.10-7的[H+]和[OH-],那么离解后的[H+]和[OH-]电导率的总和KH2O用下式求出:KH2O=CM/1000λH2O
=(0.99707.10-7/1000).548.42=0.05468μS.cm-1≈0.054μS.cm-1∴ρH2O=1/KH2O=1/0.05468×10-9=18.29(MΩ.cm)≈18.3(MΩ.cm) 由水的离子积为10-14可推算出理论上的高纯水的极限电导为0.0547μS.cm-1,电阻为18.3MΩ.cm(25℃)。 水的电导率的温度系数在不同电导率范围有不同的温度系数。对于常用的1μS.cm-1的蒸馏水而言大约为+2.5%-1。

 


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