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固態(tài)繼電器
定義與描述
SSR定義：固態(tài)繼電器(Solid State ReIay，SSR)是一 種通斷控制裝置，它用一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體（如功率晶體 管、SCR或三端雙向可控硅開關(guān)）傳導(dǎo)負(fù)載電流。（SCR 和三端雙向可控硅開關(guān)通常稱為“半導(dǎo)體閘流管”，是由 閘流管和晶體管結(jié)合得出的術(shù)語，因?yàn)榘雽?dǎo)體閘流管是觸 發(fā)半導(dǎo)體開關(guān)。）
與所有繼電器一樣，SSR需要相對(duì)較低的控制電路能量來 在“通”和“斷”之間切換輸出狀態(tài)。由于該控制能量比 繼電器在滿負(fù)荷下能控制的輸出功率低得多，SSR的 “功率增益”相當(dāng)大，常常比額定輸出相當(dāng)?shù)碾姶攀嚼^電 器(EMR)大很多。換言之，SSR的靈敏度常常比額定輸出 相當(dāng)?shù)腅MR高得多。
SSR的類型：一種簡(jiǎn)單的方法是按輸入電路的性質(zhì)，并對(duì) 實(shí)現(xiàn)輸入輸出隔離的方法進(jìn)行一定的參考來分類SSR。公 認(rèn)的有三個(gè)主要類型：
- 舌簧繼電器耦合SSR（見圖1）在這類SSR中，控制信號(hào) 被（直接或通過一個(gè)前置放大器）加到一只舌簧繼電器的 線圈上。然后，簧片開關(guān)閉合會(huì)接通相應(yīng)的電路，從而觸 發(fā)可控硅開關(guān)。顯然，輸入輸出隔離是由舌簧繼電器實(shí)現(xiàn) 的，通常隔離度極高。
- 變壓器耦合SSR（見圖2），在這類SSR中，控制信號(hào) （如果為DC，則通過一個(gè)DC-AC轉(zhuǎn)換器；如果為AC，則 直接）加到一個(gè)低功率小變壓器的初級(jí)電壓上，由初級(jí)電 壓激發(fā)產(chǎn)生的次級(jí)電壓（通過或不通過整流、放大或其它 調(diào)整）用于觸發(fā)可控硅開關(guān)。在這種類型中，輸入輸出隔 離度取決于變壓器的設(shè)計(jì)。
- 光耦合SSR（見圖3），在這類SSR中，控制信號(hào)施加到 一個(gè)光源或紅外光源（通常為發(fā)光二極管，或LED），有 一個(gè)光敏半導(dǎo)體（即光敏二極管、光敏晶體管或光敏閘 流管）檢測(cè)該光源發(fā)出的輻射。然后用光敏器件的輸出來觸發(fā)（選通）開關(guān)負(fù)載電流的三端雙向可控硅開關(guān)或 SCR。顯然，輸入和輸出之間唯一顯著的“耦合通路” 是光束或紅外輻射，電隔離度極高。這類SSR也稱為“ 光學(xué)耦合”或“光隔離”。
除上述主要類型的SSR外，還有一些專用設(shè)計(jì)值得一提：
- 直接控制AC型（見圖4），在這類SSR中，用外部接觸器 觸發(fā)三端雙向可控硅開關(guān)（或背對(duì)背連接的SCR），外 部接觸器工作在與負(fù)載電路使用同一AC輸電線路供電的 電路中。這種類型也稱為具有一個(gè)“開關(guān)閉合”輸入。顯 然，雖然與較復(fù)雜的設(shè)計(jì)相比這種繼電器較為簡(jiǎn)單，因而 成本較低，但它們具有在控制和負(fù)載電路之間沒有隔離的 巨大缺點(diǎn)（對(duì)大多數(shù)應(yīng)用而言）。
- 直接控制DC型（見圖5），在這類SSR中，用外部接觸 器控制晶體管的導(dǎo)通，外部接觸器工作在與負(fù)載電路使用 同一DC輸電線路供電的電路中。這種類型的繼電器可能 是所有類型中最簡(jiǎn)單的，因而成本最低，但它們也具有在 控制和負(fù)載電路之間沒有隔離的巨大缺點(diǎn)（對(duì)大多數(shù)應(yīng)用 而言）
- 針對(duì)DC設(shè)計(jì)的SCR型，在這類SSR中，載有負(fù)載電流的
SCR通過接在“整流電路”（如圖6所示的電路）中的第
二個(gè)SCR斷開，該SCR通過將第一個(gè)SCR的電流瞬間降
到零而將其斷開。
-
使用特殊隔離方法的設(shè)計(jì)，如：
...霍耳效應(yīng)，在這類SSR中，置于SSR外部臨近位置的磁 鐵運(yùn)動(dòng)引起一種磁場(chǎng)敏感型材料中電阻的變化，從而觸 發(fā)通斷行為。
...振蕩器整定，在這類SSR中，外部信號(hào)改變振蕩器的頻 率，從而導(dǎo)致緊密耦合的諧振電路觸發(fā)通斷行為。
...飽和電抗器或磁放大器，在這類SSR中，一個(gè)繞組中的 DC控制電流控制另一繞組中的感應(yīng)電壓（來自AC源） 。然后用感應(yīng)電壓觸發(fā)通斷行為。
可以肯定地說：前面所述的三種主要類型（即圖1~3）中 的一種即可以很好地滿足95%以上的所有SSR要求。
輸入電路性能：隔離SSR的靈敏度（即可使SSR接通的最小 控制電壓和電流）取決于隔離器件或電路的特性
- 在混合式（舌簧繼電器隔離）設(shè)計(jì)中，SSR的靈敏度由舌 簧繼電器的工作功率要求決定，其工作功率范圍非常寬， 可低至40毫瓦（如5 Vdc，8 mA），可高達(dá)數(shù)百毫瓦。請(qǐng) 注意，低電壓小功率設(shè)計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字計(jì)算機(jī)“邏輯電平” 兼容，數(shù)字計(jì)算機(jī)或數(shù)字控制器的標(biāo)準(zhǔn)“高扇出”TTL邏 輯電平輸出可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)或兩個(gè)以上并聯(lián)的混合式SSR。
- 在變壓器耦合SSR中，靈敏度通常比混合式高很多，因?yàn)? 輸入信號(hào)只須選通驅(qū)動(dòng)變壓器的AC-DC轉(zhuǎn)換器（見圖2） ，一般所需的功率小于10 mW（如4.5 v dc，2 mA）， 極少超過50mW。這種靈敏度優(yōu)于任何單一TTL數(shù)字輸出 要求的值，一個(gè)高扇出TTL輸出可以驅(qū)動(dòng)3-10個(gè)并聯(lián)的此 類SSR。
- 在光耦合SSR中，靈敏度從6 mW（如3 v dc，2 mA）到 100 mW。使用合適的串聯(lián)電阻器或穩(wěn)流器，這種輸入電 路也與TTL邏輯電平兼容，高扇出邏輯線路可并聯(lián)驅(qū)動(dòng)多 個(gè)光耦合SSR。
- 大多數(shù)“直接控制”SSR（圖4和圖5）的靈敏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低 于隔離式設(shè)計(jì)的靈敏度，但這一事實(shí)并不重要，因?yàn)橐? 求的控制功率幾乎總是在甚至最小的控制接觸器的能力 范圍內(nèi)。
SSR的最大斷開電平（電壓和/或電流）是其最小接通電平 的50%左右。這一特點(diǎn)在“通”和“斷”狀態(tài)之間提供了充 足的安全裕度，從而消除了由控制信號(hào)的小變化導(dǎo)致的不穩(wěn) 定行為。
在許多SSR設(shè)計(jì)中，控制電壓范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最小接通電 壓包含的范圍。在針對(duì)寬輸入電壓范圍進(jìn)行了優(yōu)化的設(shè)計(jì) 中，SSR額定用在6:1以上的控制電壓范圍（如3.0 V ~ 32 V）上的情況并不少見。在混合式設(shè)計(jì)中，舌簧繼電器的 線圈可以繞成幾乎用于任何可用的控制電壓，低至3 V標(biāo)稱 值，高達(dá)50 V甚至更高，但混合式SSR可承受的輸入電壓范 圍受繼電器線圈中的耗散影響。一般來說，1.5到1的范圍是 可以接受的。另一方面，可以使用串聯(lián)電阻或一個(gè)“恒定電 流”有源輸入電路來使混合式繼電器適應(yīng)較高的輸入電壓。
輸入特性:除考慮靈敏度特性（第124頁(yè)）外，我們還必 須介紹SSR的輸入電路隔離特性，這一特性需要考慮許 多不同的參數(shù)，包括：
- 電介質(zhì)強(qiáng)度：用從控制電路到SSR外殼和輸出（負(fù) 載）電路的最小擊穿電壓來確定額定值。從控制電 路到外殼或從控制電路到輸出電路的典型額定值都是 1500 v ac (RMS)。
- 絕緣電阻：從控制電路到外殼和輸出電路的絕緣電 阻。對(duì)于變壓器型和混合式設(shè)計(jì)，典型額定值范圍從 10 MΩ到100,000 MΩ。對(duì)于光學(xué)隔離SSR，典型絕 緣電阻范圍1000 ~ 1,000,000 MΩ。
- 雜散電容：從控制電路到外殼和輸出電路的雜散電 容。到外殼的電容很少是顯著的，但到輸出電路的電 容可將交流和瞬變值反饋到敏感的控制電路，甚至進(jìn) 一步反饋到更遠(yuǎn)的控制信號(hào)源。幸運(yùn)的是，在精心設(shè) 計(jì)的SSR中，這種電容極少能大到足以引起交互作用 的程度。雜散電容的典型范圍為1 – 10 PF。
本節(jié)后面將講述SSR對(duì)控制電壓施加的響應(yīng)速度。
輸出電路性能:顯然，最重要的輸出電路參數(shù)是在“ 斷”狀態(tài)下可以加在繼電器輸出電路上不會(huì)導(dǎo)致其擊穿 為導(dǎo)通或出故障的最大負(fù)載電路電壓，以及在“通”狀 態(tài)下可以流過輸出電路和負(fù)載的最大電流。
請(qǐng)注意，這些參數(shù)與電磁式繼電器上接觸器的普通額 定電壓和額定電流相似（至少乍一看是這樣）。但 是，EMR額定輸出和SSR額定輸出之間存在差別，我們 將隨著本講解的進(jìn)行在后面詳細(xì)研究這些差別。
在最普通的方法中，我們可以說SSR的“觸點(diǎn)額定值” 幾乎全由負(fù)載電流開關(guān)裝置的特性決定。也許從研究最簡(jiǎn)單類型的交流SSR，即直接控制（非隔離）設(shè)計(jì)可以 最明顯地反映這個(gè)事實(shí)，例如最初在圖4中所示，后面 又在圖7中再次呈現(xiàn)并顯示了通斷狀態(tài)下的等效電路的 設(shè)計(jì)。在“通”狀態(tài)（圖7b），三端雙向可控硅開關(guān)呈 現(xiàn)出幾乎恒定的壓降（即幾乎與負(fù)載電流無關(guān)），該壓 降約等于兩個(gè)硅二極管的壓降 – 小于2 V。負(fù)載電流流過 此壓降導(dǎo)致功率耗散(Pd = Vd x I負(fù)載)，此功率將導(dǎo)致三 端雙向可控硅開關(guān)結(jié)點(diǎn)中的溫度升高。如果提供了合適 的“散熱”，即從三端雙向可控硅開關(guān)外殼到外面空氣 或到導(dǎo)熱金屬結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)，導(dǎo)熱金屬結(jié)構(gòu)可以再將功 率耗散到周圍空氣中，不會(huì)有明顯的升溫，則三端雙向 可控硅開關(guān)的溫度將不會(huì)上升到保證可靠運(yùn)行的額定最 大值（一般為100?C）以上。具有充分的散熱時(shí)，SSR的 額定電流可以不由功率耗散決定，而由三端雙向可控硅 開關(guān)的額定電流決定。
圖7c顯示了這種非常簡(jiǎn)單的SSR在“斷”狀態(tài)的等效電 路。請(qǐng)注意，即使當(dāng)三端雙向可控硅開關(guān)被切斷時(shí)，也 會(huì)有非常少量的漏電流流過。該電流電路在等效電路中 用電阻表示，實(shí)際上是負(fù)載電路電壓的非線性函數(shù)。在 確定三端雙向可控硅開關(guān)的額定值時(shí)，通常習(xí)慣做法是 為這一“切斷狀態(tài)漏電流”規(guī)定一個(gè)最壞情況下的最大 值，對(duì)于5 A的負(fù)載額定電流，典型值為最大0.001 A。 負(fù)載電路電壓的額定值較簡(jiǎn)單，由晶閘管的阻斷電壓額 定值決定。
更常用的隔離SSR（大多設(shè)計(jì)用于控制交流負(fù)載電路） 的輸出電路額定值的確定與上述方法非常相似，只是“ 切斷狀態(tài)漏電流”通常更高一些，對(duì)于一個(gè)5 A的裝置， 在140 V時(shí)漏電流約為5 mA，仍然只是額定負(fù)載電流的 千分之一左右。圖7顯示了一個(gè)用三端雙向可控硅開關(guān)控 制的SSR設(shè)計(jì)的等效電路，圖8顯示了負(fù)載電路中的電流 波形，都分別顯示了“斷”狀態(tài)和“通”狀態(tài)的情況。 請(qǐng)注意，“通”狀態(tài)壓降曲線的刻度范圍比“斷”狀態(tài) 和負(fù)載電壓曲線寬得多。
即使在我們研究SSR性能的早期階段，也有必要考慮控 制信號(hào)和交流負(fù)載電路電壓和電流之間的時(shí)間關(guān)系。
至于定時(shí)，有兩種類型的開關(guān)SSR。其中一種沒有采取 特殊的措施來在負(fù)載電路-電源線路交變與可控硅開關(guān) 接通之間實(shí)現(xiàn)同步。在這類“非同步”開關(guān)SSR中， 控制電壓的施加和負(fù)載電路開始導(dǎo)通之間的響應(yīng)延時(shí) 非常短，在光耦合和變壓器耦合SSR上一般從20μS到 200μS，在混合式SSR上小于1mS（因舌簧式繼電器的 操作時(shí)間而較長(zhǎng)一些）。在非同步設(shè)計(jì)中，“通”狀態(tài) 的電流波形顯然是交流循環(huán)中施加控制信號(hào)時(shí)的函數(shù)， 如圖9a所示。
在同步（零電壓接通）設(shè)計(jì)中，施加控制信號(hào)的效果被 延遲（如果需要），直到電源線路電壓通過零點(diǎn)（見圖 9b）。（這是由內(nèi)部選通電路完成的，該電路感應(yīng)線路 電壓的量值，并在發(fā)生下一次零值跨越前阻止觸發(fā)半導(dǎo) 體閘流管。） 因此，如果恰好在跨越零值后立即施加控 制信號(hào)，SSR實(shí)際上將不開始導(dǎo)通，直到幾乎完整的半 個(gè)周期后才導(dǎo)通。另一方面，如果恰好在剛要跨越零值 前施加控制信號(hào)，SSR將幾乎立即導(dǎo)通，只有很小的接 通延遲（上面針對(duì)非同步設(shè)計(jì)所述）。那么，很明顯， 同步SSR的接通延遲可以是任何值，從小于一毫秒到電源線路的完整半個(gè)周期（對(duì)于60 Hz電源線路，約為8.3 毫秒）。通常，對(duì)于60 Hz的供電線，所有固態(tài)設(shè)計(jì)的額 定延遲的最大值給定為8.3毫秒，混合式設(shè)計(jì)最大值給定 為1.5毫秒。
AC開關(guān)SSR的最后一個(gè)主要特性是切斷行為。由于半導(dǎo) 體閘流管在一旦觸發(fā)時(shí)并不立即停止導(dǎo)通，直到流過它 的負(fù)載電流降為零時(shí)才停止導(dǎo)通，最大可能切斷延遲（ 控制信號(hào)撤消和負(fù)載電流停止之間）為半個(gè)周期。與接 通時(shí)的情況一樣，最小切斷延遲接近于零。因此，典型 60 Hz線路切斷時(shí)間額定值為最大9毫秒。