交流固態(tài)繼電器,交流固態(tài)繼電器的使用

??電子 元 器 件的可靠性應(yīng)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(chǔ)，主要靠元器件制造商從設(shè)計(jì)、制造等方面進(jìn)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(jī)系統(tǒng)的可靠性要求。元器件的固有可靠性是整機(jī)可靠性的基礎(chǔ)，沒有高可靠質(zhì)量等級的元器件，就不可能制造出高可靠的電子設(shè)備。但有了高可靠質(zhì)量等級的元器件并不一定能制造出高可靠的整機(jī)，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(jù)各種元器件的特性，利用可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)，對元器件實(shí)現(xiàn)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(jī)工程設(shè)計(jì)等，最大限度的發(fā)揮元器件固有可靠性的作用，以達(dá)到整機(jī)系統(tǒng)的可靠性要求。

固態(tài) 繼 電 器，(SolidS tateR elay簡寫成SSR)，是一種全部由固態(tài)電子元件組成的新型無觸點(diǎn)開關(guān)器件，它利用電子元件(如開關(guān)三極管、雙向可控硅等半導(dǎo)體器件)的開關(guān)特性，內(nèi)部無任何機(jī)械運(yùn)動的零部件，可達(dá)到無觸點(diǎn)無火花地接通和斷開電路的目的，因此又被稱為無觸點(diǎn)開關(guān)。從功能上來說，SSR是一種控制元件，從原理和結(jié)構(gòu)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(fù)載的開關(guān)，不能混用。本文主要對交流SSR的可靠性應(yīng)用問題進(jìn)行一些探討。

1.交流SSR的結(jié)構(gòu)與原理
1. 1交流SSR的結(jié)構(gòu)

交流 S SR 是一種無觸點(diǎn)通斷電子開關(guān)，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(shí)現(xiàn)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(guān)斷狀態(tài)轉(zhuǎn)變成導(dǎo)通狀態(tài)(無信號時呈阻斷狀粉，從而控制較大負(fù)載。整個器件無可動部件及觸點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)相當(dāng)于常用的機(jī)械式電磁繼電器一樣的功能。常用SSR的結(jié)構(gòu)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(fā)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(dá)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(dāng)寬的輸入電壓范圍。固體繼電器的驅(qū)動電路可以包括隔離禍合電路、功能電路和觸發(fā)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(hù)、顯示等各種功能電路。觸發(fā)電路的作用是給輸出器11提供觸發(fā)信號。固體繼電器的輸出電路是在觸發(fā)信號的控制下，實(shí)現(xiàn)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(tài)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(yīng)管、絕緣柵型雙極晶體管等。圖2給出了幾種國內(nèi)、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(shí)現(xiàn)“開關(guān)”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(shí)現(xiàn)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(yīng)速度高、輸入/輸出端間的絕緣(耐壓)等級高;由于輸入端的負(fù)載是發(fā)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(jì)算機(jī)輸出接口相接，即受1與0的邏輯電平控制。觸發(fā)電路的功能是產(chǎn)生合乎要求的觸發(fā)信號，驅(qū)動開關(guān)電路工作，但由于開關(guān)電路在不加特殊控制電路時，將產(chǎn)生射頻干擾并以

高次諧波或尖峰等污染電網(wǎng)，為此特設(shè)“過零控制”電路。所謂過零是指，當(dāng)加入控制信號，交流電壓過零時，SSR即為通態(tài);而當(dāng)斷開控制信號后，SSR要等待交流電的正半周與負(fù)半周的交界點(diǎn)(零電位)時，SSR才為斷態(tài).這種設(shè)計(jì)能防止高次諧波的干擾和對電網(wǎng)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(guān)器件雙向可控硅管的沖擊和干擾(甚至誤動作)而設(shè)計(jì)的，一般是用R{ 串聯(lián)吸收電路或非線性電阻(壓敏電阻器)。

2.交流SSR的主要特點(diǎn)

SSR 問世 于 70年代，由于它的無觸點(diǎn)工作特性，使其在許多領(lǐng)域的電控及計(jì)算機(jī)控制方面得到日益廣范的應(yīng)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(qiáng)、開關(guān)速度快和使用方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，因而具有很寬的應(yīng)用領(lǐng)域，由于交流型SSR采用過零觸發(fā)技術(shù)，因而可以安全地應(yīng)用在計(jì)算機(jī)輸出接口上，不必為在接口上采用電磁繼電器而產(chǎn)生的一系列對計(jì)算機(jī)的干擾而煩惱。固體繼電器是具有隔離功能的電子開關(guān)，是由半導(dǎo)體器件和無源元件組成.利用光電子和微電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)控制電路(輸入端)與負(fù)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(guān)速度快、輸出接通電阻穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)、對外界干擾小、壽命長、工作可靠性高等突出的特點(diǎn)。

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(yīng)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(shí)現(xiàn)直接聯(lián)接，適用的輸入電壓范圍寬，為3V^-32V;成功地實(shí)現(xiàn)了用直流弱電信號對交流強(qiáng)電(輸出端負(fù)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(shù)控和自控設(shè)備等方面得到廣泛應(yīng)用。

2. 2 開關(guān)速度決，輸出接通電阻穩(wěn)定

固體 繼 電 器的轉(zhuǎn)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(jī) 械 和電磨損造成的接觸不良，輸出接通電阻穩(wěn)定，輸出電路在100V下的斷態(tài)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(qiáng)，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(fù)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(guān)斷時的數(shù)百伏甚至幾千伏的反電動勢;輸出電路不存在由于觸點(diǎn)抖動、回路和電弧火花所引發(fā)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(jī)械部件，工作中也沒有任何機(jī)械動作，因而沒有觸點(diǎn)的機(jī)械和電磨損，它的壽命就是半導(dǎo)體器件的壽命，所以固體繼電器在額定負(fù)載下的電壽命一般可達(dá)108-10"次動作。固體繼電器不存在觸點(diǎn)回跳、抖動，因此其輸出信號不會引發(fā)邏輯電路多次動作;無活動部件，采用密封結(jié)構(gòu)，無動作噪聲;耐振耐機(jī)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(jī)械和氣候環(huán)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(shí)現(xiàn)應(yīng)用的高可靠。

3. SSR的適用范圍
交流 S SR 的上述這些特點(diǎn)使其可在現(xiàn)代國防、現(xiàn)代工業(yè)和各類民用電控設(shè)備的應(yīng)用中大顯身手，具有]“泛用途。
3. 1應(yīng)用于現(xiàn)代軍事裝備和武器系統(tǒng)
如: 各 類 軍艦(船)、各類坦克、自動火炮、各類飛機(jī)、導(dǎo)彈(火箭)發(fā)射控制系統(tǒng)等。
3. 2應(yīng)用于各類廣播、通信、雷達(dá)導(dǎo)航系統(tǒng)
如: 電 視 發(fā)射臺、電視信號差轉(zhuǎn)臺、調(diào)頻/調(diào)幅廣播電臺、尋呼機(jī)、傳真機(jī)、公用計(jì)費(fèi)電話機(jī)、多功能臺式電話機(jī)、局用電話交換機(jī)、便攜電話基站、網(wǎng)絡(luò)終端機(jī)、光纜終端機(jī)、禎中繼、衛(wèi)星接收機(jī)、各類雷達(dá)、無線電導(dǎo)航等設(shè)備。
3. 3應(yīng)用于各類計(jì)算積刃講目關(guān)配翻變備
如: 臺 式 計(jì)算機(jī)、筆記本計(jì)算機(jī)、電子記事本、掃描儀、打印機(jī)、繪圖儀、復(fù)印機(jī)、卡用MODEM、硬盤驅(qū)動器等計(jì)算機(jī)外圍接口裝置及其配套部件。
3. 4 應(yīng)用于自動化檢測儀器
如: 零 點(diǎn) 自動補(bǔ)償儀、自動選程測試儀、多點(diǎn)記錄儀、IC測試儀、半導(dǎo)體特性試驗(yàn)設(shè)備、電纜測試儀、液晶試驗(yàn)設(shè)備、蓄電池充放電試驗(yàn)設(shè)備等測試儀器。

3. 5應(yīng)用于工業(yè)控制設(shè)備
如: 噴 射 成型機(jī)、機(jī)器人控制、無人搬運(yùn)車、可編程控制器、傳感器驅(qū)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(jī)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(shù)控機(jī)械遙控系統(tǒng)、自動消防和保安系統(tǒng)、大功率可控硅觸發(fā)和工業(yè)自動化裝置等。
3. 6應(yīng)用于現(xiàn)代化醫(yī)療設(shè)備
如: 麻 醉 機(jī)、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(jiān)護(hù)儀等醫(yī)療設(shè)備。
3. 7應(yīng)用于現(xiàn)代化生活設(shè)施
如: 電 、 氣、水、暖等設(shè)備的自動檢測系統(tǒng)、電力測量儀、停電自動恢復(fù)裝置、故障線路切換、防盜、防火、報(bào)警設(shè)備等公用設(shè)施。
3. 8應(yīng)用于現(xiàn)代家電設(shè)備
如: 電 炊 具(電飯鍋、電炒鍋、電火鍋等)、電冰箱(冰柜)、空調(diào)機(jī)、電熱水器、電磁灶具、全自動洗衣機(jī)、聲頻設(shè)各、數(shù)字化錄像機(jī)、電視游戲機(jī)、多媒體電視等消費(fèi)類產(chǎn)品。

4.使用SSR時在可靠性設(shè)計(jì)上需要注意的若干問題
要最 大 限 度的發(fā)揮SSR元件固有可靠性的作用，必須根據(jù)SSR元件的特性，利用可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)，對此類元件進(jìn)行合理選則和降額使用，以達(dá)到整機(jī)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性要求，筆者認(rèn)為應(yīng)重點(diǎn)注意以下幾點(diǎn)問題。

4. 1控制器件的發(fā)熱
SSR 在 導(dǎo) 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(qiáng)，工作蠕度超過標(biāo)稱值后，必須降熱或外加散熱器，此時，需依據(jù)實(shí)際工作環(huán)境條件，嚴(yán)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(fēng)冷，若連續(xù)負(fù)載電流大于30A時，最好采用儀器風(fēng)扇強(qiáng)制風(fēng)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(yīng)注意散熱器接觸面應(yīng)平整，并需涂復(fù)導(dǎo)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(diǎn)電阻。

4. 3 輸入端驅(qū)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(yīng)選用限流電阻。SSR輸入屬于電流型器件，當(dāng)輸入端光禍可控硅完全導(dǎo)通后，再觸發(fā)大功率可控硅導(dǎo)通。當(dāng)激勵不足S余E波式的觸發(fā)電壓，有可育b查成大功率可控硅處于臨界導(dǎo)通邊緣，并造成主負(fù)載電流流經(jīng)觸發(fā)回路引起的損壞。國外廠商提供的器件標(biāo)準(zhǔn)電流為10MA，考慮到全溫度工作范圍(-40^-+70'C)，發(fā)光效率穩(wěn)定和抗干擾能力，推薦最佳直流觸發(fā)工作電流在12^-25mA之間。SSR的輸入端可并聯(lián)或串聯(lián)驅(qū)動。串聯(lián)使用時，一個SSR應(yīng)按4V電壓考慮，12V電壓可驅(qū)動3個SSR.

4. 4 過流了過壓保護(hù)
較常 用 的 過電流保護(hù)方法是快速熔斷器和空氣開關(guān)，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(xiǎn)絲。負(fù)載短路往往是造成SSR產(chǎn)品損壞的主要原因，應(yīng)特別引起注意。對于感性及容性負(fù)載，除SSR內(nèi)部的RC電路保護(hù)外，建議采用壓敏電阻并聯(lián)在輸出端，作的為組合保護(hù)。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(hù)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(jī)以及變壓器，則應(yīng)選用MYH20, 24通流容量大的壓敏電阻。
4. 5.關(guān)于對SSR元件的降額使用
對 SS R元 件的降額使用，是指根據(jù)不同負(fù)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(rèn)上留出一定的富余量，實(shí)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(huán)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(huán)境溫度、額定電壓、額定電流和持續(xù)的時間常不會造成永久性損壞所允許的最大非重復(fù)性峰值電流。

4. 5. 2 ILA中負(fù)載條件下SSR元件的降額使用
由于 S SR 能承受在數(shù)值上可達(dá)額定電流數(shù)倍的浪涌電流，因此，SSR對一般的負(fù)載應(yīng)是沒有問題的，但也必須考慮一些特殊的負(fù)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(shù)倍。一般普通型SSR，可按照電流值的2/3選用。增強(qiáng)型SSR，可按廠商提供的參數(shù)選用。在惡劣條件下的工業(yè)控制現(xiàn)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(xiàn)低阻抗.氣化和放電通道以及容性負(fù)載，如切換電容器組或電容器電源，會造成類似短路狀態(tài)?？稍诰€路中進(jìn)一步串聯(lián)電阻或電感，作為限流措施。對于負(fù)載為感應(yīng)電機(jī)，所選SSR的額定電流值應(yīng)為電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)電流的2--4倍，SSR的浪涌電流值應(yīng)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(xùn)瞇又及電容換向式電機(jī)換向時，電容電壓和電源電壓的疊加會在SSR兩端產(chǎn)生二倍電源的浪涌電壓。控制變壓器初級時，也應(yīng)考慮次級線路上的瞬態(tài)電壓對初級的影響。此外，變壓器也有可能因?yàn)閮蓚€方向電流不對稱，造成飽和引起的浪涌電流異常現(xiàn)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(chǎn)品的阻斷(擊穿)電壓應(yīng)高于負(fù)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(fù)載的情況下，建議選用額定電壓為400V-600V的SSR產(chǎn)品;但對于頻繁啟動的單相或三相電機(jī)負(fù)載，建議選用額定電壓為600V-800V的SSR產(chǎn)品。

5. 結(jié)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(yōu)點(diǎn)，特別是其電氣隔離的控制方式，使得計(jì)算機(jī)編程控制的實(shí)現(xiàn)更加方便、靈活。但SSR也存在一些弱點(diǎn)，如:存在有導(dǎo)通電阻、通態(tài)壓降、斷態(tài)漏電流;易受溫度和輻射的影響;發(fā)熱嚴(yán)重時易損壞;靈敏度高，易產(chǎn)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(lián)鎖、互鎖的控制電路中，必須增設(shè)的保護(hù)電路會使系統(tǒng)成本上升、體積增大等。隨著微電子技術(shù)、電子計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、光電技術(shù)、軍用電子裝備系統(tǒng)及宇航技術(shù)的飛速發(fā)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(dú)特的性能參數(shù)全面、正確的理解和認(rèn)真分析，最大限度的發(fā)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(dá)到整機(jī)系統(tǒng)可靠性、穩(wěn)定性的要求。