固态继电器工作原理及接线使用方法

    固态继电器( Solid State Relay)简称SSR,是一种由集成电路和分立元器件组合而成的“一体化”无触点电子开关器件,它采用电子线路实现继电器的功能,依靠光电耦合器(或其他耦合方式)实现控制系统(输入回路)与被控制系统(输出回路)之间的电气隔离。由于在开关过程中无机械接触部件,因此具有控制功率小、可靠性高、寿命长、无噪音、无火花、无电磁干扰、开关速度快和工作频率高等突出优点。
    固态继电器自1974年问世以来,已在许多自动化控制装置中取代了电磁继电器,并且广泛用于电磁继电器无法应用的领域。

    结构及原理
    常用固态继电器几乎都是模块化的四端有源器件,其中两端为输入控制端,另外两端为输出受控端,其基本构成如图29-1所示。器件中多采用光电耦合器实现输入与输出之间的电气隔离。输出受控端利用开关三极管、双向晶闸管等半导体器件的开关特性,实现无触点、无火花地接通和断开外接控制电路的目的。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。
固态继电器结构图
    普通固态继电器的内部等效电路如图29-2所示。当给固态继电器的输入端IN接上合适的控制信号时,其输出端OUT就会从关断状态变为导通状态;控制信号撤消后,输出端OUT恢复关断状态。从而实现了对输出端所接负载(注意负载应串入输出端回路)电源的无触点“开”或“关”自动控制。
固态继电器等效电路图
    固态继电器按输出端极性的不同,可分为直流式和交流式两大类。直流固态继电器( DC-SSR)的电路原理参见图29-2( a),其控制电压由输入端IN输入,通过光电耦合器将控制信号耦合至接收电路,经放大处理后驱动开关三极管VT导通。显然,直流固态继电器的输出端OUT在接入被控电路回路中时,是有正、负极之分的。交流固态继电器(AC-SSR)的电路原理参见图29-2 (b),与直流固态继电器不同的是,其开关元件采用了双向晶闸管VS或其他交流开关,因此它的输出端OUT无正、负极之分,可以控制交流回路的通断。
    由于固态继电器的输入端和输出端之间采用了成熟可靠的光电隔离等技术,这使得所接控制弱电和被控强电在电气上完全隔离,因此从各种弱电设备输出的信号可以直接加在固态继电器的输入控制端上,无需另外的保护电路等。固态继电器和传统的电磁继电器相比较,具有的优点是:工作可靠、寿命长、无噪声、无火花、无电磁干扰、开关速度快、抗干扰能力强、体积小、耐冲击、耐振动、防爆、防潮、防腐蚀,能与TTL. DTL. HTL等逻辑电路兼容,可以通过微小的控制信号实现直接驱动大电流负载的目的。正因为如此,固态继电器在很多领域正逐渐取代电磁继电器。
    但固态继电器也存在一些缺点,主要是输出端在导通时存在一定的电压降,即本身有功耗,需采取相应的散热措施;在断开时存在一定的漏电流。另外,固态继电器的控制状态比较单一、过载能力差,并且直流继电器和交流继电器不能通用。

    外形和种类
    固态继电器按封装材料不同,可分为如图29-3( a)所示的塑料壳封装型(带散热板或不带散热板)、金属壳封装型(多用环氧树脂灌封)两大类;按外形结构不同,可分为如图29-3 (b)所示的双列直插式、针孔焊接式、插接式、装置式等。双列直插式和针孔焊接式的输出端工作电流一般在5A以下,可直接在印制电路板上安装焊接,且不需散热板,其封装形式多为全塑料封装或金属壳封装;插接式需配有专用插接件,使用时只要插入配套的插件即可;装置式适合在配电板上安装,其容量在10A以上,一般要求配有大面积的散热板。
    如果按照输出端所控负载功率的大小分类,可分为如图29-3( c)所示的小功率固态继电器、中功率固态继电器和大功率固态继电器。按照输出端所控负载的极性不同,可分为如图29-3 (d)所示的直流固态继电器和交流固态继电器两大类,其中交流固态继电器应用比较普遍。交流固态继电器按开关方式不同,可分为过零型(Z型)和随机型(P型),按输出开关元件不同,可分为普通型(双向晶闸管输出型)和增强型(单向晶闸管反并联型)。
固态继电器的分类
    另外,按照固态继电器内部所采用元器件的不同,可分为分立元器件组装型、厚膜电路组装型、单片集成电路组装型等。按照所采用电气隔离元器件的不同,可分为光电隔离型(包括光电耦合器、光控晶体管和光控晶闸管等)、干簧继电器隔离型、变压器隔离型等。

    基本参数
    固态继电器的主要产品技术参数分输入参数、输出参数、其他参数3大类,现将主要参数介绍如下。
    ①输入电压范围/输入电流。输入电压范围是指在环境温度25℃以下,能够使固态继电器正常工作所必须(指最小值)或允许(指最大值)输入的电压范围值。而输入电流则是指在某一特定输入电压下,所对应的输入电流值。
    ②可接通电压/可关断电压。可接通电压是指在输入端所加的电压达到或大于该电压值时,能够确保输出端导通;可关断电压是指在输入端所加的电压达到或低于该电压值时,能够确保输出端关断。
    ③额定输出电压/额定工作电流。额定输出电压是指输出端所能够承受的最高负载工作电压。额定工作电流则是指在环境温度25时,输出端所能够通过的最大稳态工作电流。
    ④输出电压降/输出漏电流。输出电压降是指固态继电器处于导通状态时,在额定工作电流下所测得的输出端电压值。输出漏电流是指固态继电器处于关断状态时,在输出端施加额定输出电压的条件下所测得的流经负载的电流值。显然,衡量一个固态继电器的优劣,它的输出电压降和输出漏电流均应越小越好。
    ⑤浪涌电流。这是指固态继电器处于导通状态时,输出端所能承受、且不致造成器件永久性损坏的非重复最大浪涌(或过载)电流。交流固态继电器的浪涌电流为额定工作电流的5 -10倍(1个周期),直流产品为额定工作电流的1.5 -5倍(1s)。
    ⑥功耗。这是指固态继电器在激励和去激励两种状态下,本身所耗散的最大功率值。
    ⑦接通时间/关断时间。接通时间是指常开型固态继电器从施加输入电压开始,到输出端开始导通且输出电压达到其电压最终变化的90%时,所需要的时间长短。关断时间是指常开型固态继电器从切除输入电压开始,到输出端开始关断且输出电压达到其电压最终变化的90%时,所需要的时间间隔。显然,接通时间和关断时间越短,说明固态继电器的开关性能越好。
    ⑧过零电压。针对交流过零型固体继电器而言,它是指输入端加上额定电压,能使继电器输出端导通的最大起始电压。
    ⑨绝缘电阻/绝缘强度。绝缘电阻是指固态继电器输入端与输出端、输入端与外壳(包括散热底板)、输出端与外壳之间,在施加上一定直流电压(如550V)时,所测量得到的电阻值。绝缘强度也叫介质耐压,它是指输入与输出端、输出端与外壳、输入端与外壳之间所能够承受的最大电压值。
    ⑩工作温度/最高结温。工作温度是指固态继电器按规范安装或不安装散热板时,所允许的正常工作环境温度范围。最高结温则是指输出开关元件所允许的最高结温。

    型号命名
    国产固态继电器最常用的型号命名(部颁标准)一般由6部分组成,其格式和含义如图29-4所示。第1部分用字母“JG”表示固态继电器;第2部分用字母表示产品的体积大小,其中“W”代表“微型”、“C”代表“超小型”、“×”代表“小型”;第3部分用数字表示产品序号;第4部分用字母表示产品分类,其中“F”代表封闭式交流输出、“FA”代表封闭式直流输出、  “M”代表金属全密封;第5部分用数字和字母表示规格参数——头一组数字。
固态继电器的命名规则
    表示最大输入电压(单位“V”不标出),后两组数为额定工作电流和额定输出电压;第6部分用数字表示产品类型,其中 “O”代表过零型、“1”代表 “随机(调相)型”,直流输出的产品无此数字。例如:某固态继电器的型号为JGX-IOF/01 4—40A220V-O,它表示该产品是小型塑封式过零型交流输出固体继电器,最大直流输入电压为14V,额定工作电流为40A,额定输出电压为220V。有时在电路图等资料中型号的后3部分被省略,仅标出前3部分。
    目前,国内外固态继电器的型号命名方法五花八门,即使是国内各厂家的产品,往往在型号命名及规格标志上也存在很大差异。例如:北京灵通电子有限公司生产的“灵通”系列固态继电器,其第1部分用字母“S”表示普通交流固态继电器(大功率产品不标字母),“D”表示普通直流固态继电器,并且“S”或“D”前面加有“H”表示该产品为“增强型”;第2部分用字母“A”表示控制信号为“交流电”,如无此字母则表示为“直流电”;第3部分用数字表示工作电压,其中“2”表示“24 - 240V”、“3”表示“40 - 420V”、“6”表示“45 - 660V”;第4部分用数字表示额定工作电流,单位A(不标出);第5部分用字母表示产品类型,其中“Z”代表过零型、“P”代表“随机(调相)型”,直流输出的产品此位无字母;第6部分用字母表示外形,常见字母有“K”、“L”、“W”、“F”等几种.表29-1给出了几种常用固态继电器的型号及性能参数.仅供参考。
表28-1  几种常用国产干簧继电器的性能参数
型号 线圈数据 额定电
压或电
流(mA)
吸合
电流
(mA)
释放
电流
(mA)
触点数据 装干簧
管数量
线径
(mm)
直流电阻(Ω) 匝数 触点
负荷
接触
电阻
寿命
(次)
JAG-2-1HA 0.1   93士5% 2200   6V ≤44 ≥9 24V×0.2A
(直流)
0.07 107 1
JAG-2-1HB 0.07   370±5% 4200  12V ≤22 ≥45
JAG-2-1HC 0.05   120015y0 7000  24V ≤13.5 ≥3
JAG-2-1ZA 0.1   93士5% 2200   6V ≤44 ≥9 24V×O.1A
(直流)
0.15   1
JAG-2-1ZB 0.07   370±5% 4200  12V ≤22 ≥45
JAG-2-1ZC 0.05   1200±5% 7000  24V ≤13.5 ≥3
JAG-4-2HA 0.09   200士10% 2600 32mA ≤16 ≥3 12V×0.05A
(直流)
0.15   2
JAG-4-2HB 0.07   520士10% 4300 20mA ≤10 ≥1.8
JAG-4-2HC 0.05   2000±10% 7300 12mA ≤6 ≥1
JAG-4-3HA 0.11   130士10% 2100 46mA ≤23 ≥3.5 12V×0.05A
(直流)
0.15   3
JAG-4-3HB 0.08   460士107/0 3600 26mA ≤13 ≥2
JAG-4-3HC 0.05   2180±10% 7200 13mA ≤6.5 ≥1
JAG-4-4HA 0.13   90±10% 1600 60mA ≤30 ≥4.5 12V×0.05A
  (直流)
0.15   4
JAG-4-4HB 0.1   270土10% 2800 40mA ≤20 ≥2.8
JAG-4-4HC 0.06   1180±10% 4800 20mA ≤10 ≥1.6
JAG-5-2H-
     12V
0.27 50±10% 2500  12V ≤130 ≥35 最大电压
300V(直
  流)
最大电流2A
最大功率
  200W
0.5 5 2
JAG-5-22-
    12V
JAG-5-2H-
    27V
0.17 310±10% 6000  27V ≤55 ≥14
JAG-5-22-
    27V
    固态继电器的型号中包含了产品的主要特征和重要参数信息,由于各厂家对产品型号命名的方法不统一,给使用者带来了一定的不便。这就要求使用者在选用固态继电器时,必须认真查阅厂家说明书,弄清楚产品的命名方法,弄清楚主要电气参数,确保正确合理地使用。

    产品标识
    常用固态继电器都是四端器件,其外壳除了标出国29-5( a)所示的产品名称(有时用字母“SSR”表示)、型号、厂家铭牌外,还将引脚功能直接标示在外壳上,如图29-5 (b)所29没有触点的固态继电器示.体积较大的大功率固态继电器,不仅标志出了引脚功能,而且还将输入电压范围或输入电流、额定输出电压和额定工作电流等参数直接标示在相应的引脚附近,如图29-5( C)所示。可见,尽管固态继电器(尤其是微、超小型产品)的输入端和输出端在排列顺序上没有什么规律,但其引脚识别起来还是比较容易的。
    有些固态继电器的外壳上面还开出了一个小圆孔,并露出红色发光二极管的管帽,该发光二极管多系输入端工作状态指示灯,这是普通电磁继电器所没有的,如图29-5 (d)所示。如果需要了解更详细的参数和性能特点等,需要查阅厂家产品说明书或固态继电器产品手册。
固态继电器的识别方法
 
    电路符号
    固态继电器在电路图中的表示符号见图29-6。注意:图形符号各引脚旁边(方框内、外均可)分别标出电极性符号,输入端和输出端按惯例不要画在同一边或相邻的一边上。当同一个电路图中出现多个固态继电器时,可按习惯在文字符号后面加上数字编号,以示区别。
固态继电器的电路符号
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