淺析繼電器的選型與應用
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1 概述
交流固態繼電器SSR(solid state reley)是一種無觸點通斷電子開關，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，可達到無觸點無火花地接通和斷開電路的目的，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。為實現輸入與輸出之間的電氣隔離，器件中采用了高耐壓的專業光電耦合器。當施加輸入信號后，其主回路呈導通狀態，無信號時，呈阻斷狀態。整個器件無可動部件及觸點，可實現相當于常用電磁繼電器一樣的功能。其封裝形式也與傳統電磁繼電器基本相同。它問世于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泛的應用。
由于固態繼電器是由固體元件組成的無觸點開關元件，所以它較之電磁繼電器具有工作可靠、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，有逐步取代傳統電磁繼電器之勢，并可進一步擴展到傳統電磁繼電器無法應用的領域。如計算機和可編程控制器的輸入輸出接口、計算機外圍和終端設備、機械控制，過程控制、遙控及保護系統等。在一些要求耐振、耐潮、耐腐蝕、防爆等特殊工作環境中以及要求高可靠的工作場合，SSR都較之傳統的電磁繼電器有無可比擬的優越性。固態繼電器型號命名法如圖1所示。
2 固態繼電器的原理和結構
固態繼電器有三部分組成：輸入電路，隔離(耦合)和輸出電路。按輸入電壓的不同類別，輸入電路可分為直流輸入電路、交流輸入電路和交直流輸入電路三種。有些輸入控制電路還具有與TTL/CMOS兼容，正負邏輯控制和反相等功能。固態繼電器的輸入與輸出電路的隔離和耦合方式有光電耦合和變壓器耦合兩種。固態繼電器的輸出電路也可分為直流輸出電路、交流輸出電路和交直流輸出電路等形式。交流輸出時，通常使用兩個可控硅或一個雙向可控硅；直流輸出時可使用雙極性器件或功率場效應管。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。
圖1 固態繼電器型號命名
圖2 固態繼電器工作原理框圖
以交流型的SSR為例來說明它的工作原理。圖2是它的工作原理框圖，圖2中的部件1～4構成交流SSR的主體，從整體上看，SSR只有兩個輸入端(A和B)及兩個輸出端(C和D)，是一種四端器件。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，其中耦合電路的功能是為A、B端輸入的控制信號提供一個輸入/輸出端之間的通道，但又在電器上斷開SSR中輸入端和輸出端之間的(電)聯系，以防止輸出端對輸入端的影響。耦合電路用的元件是“光耦合器”，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，使SSR的輸入端很容易做到與輸入信號電平相匹配，在使用時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④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(電壓)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—C”串聯吸收電路或非線性電阻(壓敏電阻器)。
直流型的SSR與交流型的SSR相比，無過零控制電路，也不必設置吸收電路，開關器件一般用大功率開關三極管，其它工作原理相同。不過，直流型SSR在使用時應注意：
2.1 負載為感性負載時，如直流電磁閥或電磁鐵，應在負載兩端并聯一只二極管，極性如圖3所示，二極管的電流應等于工作電流，電壓應大于工作電壓的4倍。
圖3 SSR并聯二極管圖
2.2 SSR工作時應盡量把它靠近負載，其輸出引線應滿足負荷電流的需要。
2.3 使用電源屬經交流降壓整流所得的，其濾波電解電容應足夠大。
固態繼電器(SSR)與機電繼電器相比，是一種沒有機械運動，不含運動零件的繼電器，但它具有與機電繼電器本質上相同的功能。SSR是一種全部由固態電子元件組成的無觸點開關元件，他利用電子元器件的電、磁和光特性來完成輸入與輸出的可靠隔離，利用大功率三極管、功率場效應管、單向可控硅和雙向可控硅等器件的開關特性，來達到無觸點，無火花地接通和斷開被控電路。
3 固態繼電器的特點
SSR成功地實現了弱信號(Vsr)對強電(輸出端負載電壓)的控制。由于光耦合器的應用，使控制信號所需的功率極低(約十余毫瓦就可正常工作)，而且Vsr所需的工作電平與TTL、HTL、CMOS等常用集成電路兼容，可以實現直接聯接。這使SSR在數控和自控設備等方面得到廣泛應用。在相當程度上可取代傳統的“線圈—簧片觸點式”繼電器(簡稱“MER”)。
SSR由于是全固態電子元件組成，與MER相比，它沒有任何可動的機械部件，工作中也沒有任何機械動作。SSR由電路的工作狀態變換實現“通”和“斷”的開關功能，沒有電接觸點，所以它有一系列MER不具備的優點，即工作高可靠、長壽命(有資料表明SSR的開關次數可達108—109次，比一般MER的106高幾百倍)，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。這些特點使SSR可在軍事(如飛行器、火炮、艦船、車載武器系統)、化工，井下采煤和各種工業民用電控設備的應用中大顯身手，具有超越MER的技術優勢。
交流型SSR由于采用過零觸發技術，因而可以使SSR安全地用在計算機輸出接口上，不必為在接口上采用MER而產生的一系列對計算機的干擾而煩惱。此外，SSR還有能承受在數值上可達額定電流十倍左右的浪涌電流的特點。
3.1 固態繼電器的優點
3.1.1 高壽命，高可靠：SSR沒有機械零部件，有固體器件完成觸點功能，由于沒有運動的零部件，因此能在高沖擊，振動的環境下工作，由于組成固態繼電器的元器件的固有特性，決定了固態繼電器的壽命長，可靠性高。
3.1.2 靈敏度高，控制功率小，電磁兼容性好：固態繼電器的輸入電壓范圍較寬，驅動功率低，可與大多數邏輯集成電路兼容不需加緩沖器或驅動器。
3.1.3 快速轉換：固態繼電器因為采用固體其間，所以切換速度可從幾毫秒至幾微秒。
3.1.4 電磁干擾小：固態繼電器沒有輸入“線圈”，沒有觸點燃弧和回跳，因而減少了電磁干擾。大多數交流輸出固態繼電器是一個零電壓開關，在零電壓處導通，零電流處關斷，減少了電流波形的突然中斷，從而減少了開關瞬態效應。
3.2 固態繼電器的缺點
3.2.1 導通后的管壓降大，可控硅或雙向可控硅的正向降壓可達1～2V，大功率晶體管的飽和壓降在1～2V之間，一般功率場效應管的導通電阻也較機械觸點的接觸電阻大。
3.2.2 半導體器件關斷后仍可有數微安至數毫安的漏電流，因此不能實現理想的電隔離。
3.2.3 由于管壓降大，導通后的功耗和發熱量也大，大功率固態繼電器的體積遠遠大于同容量的電磁繼電器，成本也較高。
3.2.4 電子元器件的溫度特性和電子線路的抗干擾能力較差，耐輻射能力也較差，如不采取有效措施，則工作可靠性低。
3.2.5 固態繼電器對過載有較大的敏感性，必須用快速熔斷器或RC阻尼電路對其進行過載保護。固態繼電器的負載與環境溫度有關，溫度升高，負載能力將迅速下降。
4 固態繼電器的技術參數及選用
4.1 固態繼電器的技術參數
4.1.1 輸入電壓范圍：在環境溫度25℃下，固態繼電器能夠工作的輸入電壓范圍。
4.1.2 輸入電流：在輸入電壓范圍內某一特定電壓對應的輸入電流值。
4.1.3 接通電壓：在輸入端加該電壓或大于該電壓值時，輸出端確保導通。
4.1.4 關斷電壓：在輸入端加該電壓或小于該電壓值時，輸出端確保導通。
4.1.5 反極性電壓：能夠加在繼電器輸入端上，而不應起永久性破壞的最大允許反向電壓。
4.1.6 額定輸出電流：環境25℃時的最大穩態工作電流。
4.1.7 額定輸出電壓：能夠承受的最大負載工作電壓。
4.1.8 輸出電壓降：當繼電器處于導通時，在額定輸出電流下測得的輸出端電壓。
4.1.9 輸出漏電流：當繼電器處于關斷狀態施加額定輸出電壓時，流經負載的電流值。
4.1.10 接通時間：當繼電器接通時，加輸入電壓到接通電壓開始至輸出達到其電壓最終變化的90％為止之間的時間間隔。
4.1.11 關斷時間：當繼電器關斷時，切除輸入電壓到關斷電壓開始至輸出達到其電壓最終變化的10％為止之間的時間間隔。
4.1.12 過零電壓：對交流過零型固態繼電器，輸入端加入額定電壓，能使繼電器輸出端導通的最大起始電壓。
4.1.13 最大浪涌電壓：繼電器能承受的而不致造成永久性損壞的非重復浪涌(或過載)電流。
4.1.14 電器系統峰值：在繼電器工作狀態繼電器輸出端能夠承受的最大迭加的瞬時峰值擊穿電壓。
4.1.15 電壓指數上升率dv/dt：繼電器的輸出元件能夠承受的不使其導通的電壓上升率。
4.1.16 工作溫度：繼電器按規范安裝或不安裝散熱板時，其正常工作的環境溫度范圍。
4.2 固態繼電器的選用
功率固態繼電器的特性參數包括輸入和輸出參數，下面以北京科通繼電器總廠生產的GX—10F繼電器為例，列出輸入、輸出參數，詳見表1，根據輸入電壓參數值大小，可確定工作電壓大小。如采用TTL或CMOS等邏輯電平控制時，最好采用有足夠帶載能力的低電平驅動，并盡可能使“0”電平低于0.8V。如在噪聲很強的環境下工作，不能選用通、斷電壓值相差小的產品，必須選用通、斷電壓值相差大的產品(如選接通電壓為8V或12V的產品)，這樣不會因噪聲干擾而造成控制失靈。輸出參數的項目較多，現對主要幾個參數說明如下：
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4.2.1 額定輸入電壓：指定條件下能承受的穩態阻性負載的最大允許電壓有效值。如果受控負載是非穩態或非阻性的，必須考慮所選產品是否能承受工作狀態或條件變化時(冷熱轉換、靜動轉換、感應電勢、瞬態峰值電壓、變化周期等)所產生的最大合成電壓。例如負載為感性時，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；但對于頻繁起動的單相或三相電機負載，建議選用額定電壓為660V～800V的SSR產品。
4.2.2 額定輸出電流和浪涌電流：額定輸出電流是指在給定條件下(環境溫度、額定電壓、功率因數、有無散熱器等)所能承受的電流最大的有效值。一般生產廠家都提供熱降額曲線。如周圍溫度上升，應按曲線作降額使用。
浪涌電流是指在給定條件下(室溫、額定電壓、額定電流和持續的時間等)不會造成永久性損壞所允許的最大非重復性峰值電流。交流繼電器的浪涌電流為額定電流的5～10倍(一個周期)，直流產品為額定電流的1.5～5倍(1s)。在選用時，如負載為穩態阻性，SSR可全額或降額10％使用。對于電加熱器、接觸器等，初始接通瞬間出現的浪涌電流可達3倍的穩態電流，因此，SSR降額20％～30％使用。對于白熾燈類負載，SSR應按降額50％使用，并且還應加上適當的保護電路。對于變壓器負載，所選產品的額定電流必須高于負載工作電流的兩倍。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。
固態繼電器對溫度的敏感性很強，工作溫度超過標稱值后，必須降熱或外加散熱器，例如額定電流為10A的JGX—10F產品，不加散熱器時的允許工作電流只有10A。
4.2.3 輸入特性
(1)為了保證固態繼電器的正常工作，必須考慮輸入條件，通常輸入電壓為階躍函數，然而，如果輸入電壓是斜坡，就會出現半周循環現象，出現這種現象是由于開關半導體器件在正、反觸發時不完全對稱，因此，如果輸入電壓斜坡上升，這種開關在負載為某一極性時就可能觸發，而當負載電壓為反極性時就可能不觸發，而出現半周導通現象，這種現象將持續到輸入量足以使輸出完全導通為止。
(2)輸入端出現的瞬態，可以使繼電器誤動，尤其是當繼電器響應時間等于或小于噪聲脈沖持續時間時，繼電器就會導通，對輸入信號進行濾波有助于減少這種現象。
(3)當反極性(反向輸入)電壓適用時，繼電器輸入端可以承受最大輸入電壓值或其它規定值的反極性電壓，超過該值，可能造成SSR的永久性破壞。當反極性電壓不適用時，或繼電器規定不能反向施加輸入電壓時，使用時一定注意，不能使輸入電壓反向。
4.2.4 輸出特性
(1)SSR給出的最大額定輸出電流一般指常溫下或常溫到高溫下的最大額定輸出電流而且對大于10A的繼電器還指帶有規定散熱器時的最大額定輸出電流。對功率SSR，當工作溫度上升或不帶散熱器時，最大輸出電流相應下降。對此，各SSR均給出不帶散熱帶規定散熱器的輸出電流與環境溫度的關系曲線。這曲線又叫熱降額曲線如圖4所示。
圖4 某一典型繼電器的熱降額曲線
(2)當負載很輕即負載電阻或阻抗很大時，接通時的輸出電流下降，該電流與關斷狀態下的漏電流之間的比值下降。對交流SSR，這時的漏電流可能會使接觸器嗡嗡作響，或使電機繼續運轉；當輸出電流小于最小額定電流時，SSR的直流失調電壓和波形失真都會超過規定值，輸出電流過小，也會使輸出可控硅不能在規定的零電壓范圍內導通。為了改善這種狀況，可以在負載兩端并聯一定的電阻，RC或燈泡。
(3)SSR的許多負載如燈負載、電動機負載、感性和容性負載，在接通時的過渡過程會形成浪涌電流，由于散熱不及，浪涌電流是使固態繼電器損壞的最常見的原因。為了適應這種情況，SSR根據其內部電路結構和輸出器件特性，通常均給出了過負載(或浪涌電流)參數建議額定輸出電流(最大值)的倍數，脈沖(浪涌)持續時間，循環周期和次數來表示。一般，直流SSR的過負載(浪涌)額定值遠小于同功率的交流SSR。另外，SSR的性質還與接通時的電流上升率di/dt密切相關。di/dt超過某一值會使SSR的可控硅輸出器件損壞。為避免上述浪涌電流對SSR的損壞，可不同程度的降額使用SSR，必要時，可在負載電路中串聯電阻，將浪涌電流和可能發生的短路電流限制在SSR所允許的過負載范圍內，也可利用快速熔斷的保險絲來保護SSR。
(4)對于SSR，特別對交流SSR，電壓指數上升率是一個重要參數。這是因為當SSR關斷時，若輸出端電壓上升率超過SSR規定的dv/dt，可能使SSR誤接通，嚴重時會造成SSR的損壞，一般SSR規定的dv/dt為100V/μs，也有的達200V/μs。交流SSR多在電流過零時判斷，對感性和容性負載，在電流達零并關斷時，線電壓并不為零。功率因數cosφ越小，這個電壓越大，在關斷時，這一較大的電壓將以較大的上升率加在SSR的輸出端。另外，SSR關斷時，感性負載上會產生反電勢，該反電勢同電壓一起形成的過電壓將加在SSR的輸出端。在使用SSR反轉電容分相電機和反接未停轉的三相電機時，都可能在SSR的輸出端產生二倍于線電壓的過壓效應。dv/dt和過電壓是使SSR失效的重要模式，因此要認真對待。一般，在可能產生二倍線電壓效應的場合應選擇最大額定輸出電壓高于二倍線電壓的SSR。在dv/dt和過電壓嚴重的線路中，一般也應使SSR的最大額定輸出電壓高于二倍線電壓。
對一般的感性負載，SSR的最大額定輸出電壓也應為線電壓的1.5倍。另外，可以在SSR輸出端并聯RC吸收回路或其它瞬態抑制回路。
5 固態繼電器在應用中一些問題的探討
5.1 基本單元電路
如圖5a所示為穩定的阻性負載，為了防止輸入電壓超過額定值，需設置一限流電阻Rx；當負載為非穩定性負載或感性負載時，在輸出回路中還應附加一個瞬態抑制電路，如圖5b所示，目的是保護固態繼電器。通常措施是在繼電器輸出端加裝RC吸收回路(例如：R＝150Ω，C＝0.5μF或R＝39Ω，C＝0.1μF)，它可以有效的抑制加至繼電器的瞬態電壓和電壓指數上升率dv/dt。在設計電路時，建議用戶根據負載的有關參數和環境條件，認真計算和試驗RC回路的選值。另一個常用的措施是在繼電器輸出端接入具有特定鉗位電壓的電壓控制器件，如雙向穩壓二極管或壓敏電阻(MOV)。壓敏電阻電流值應按下式計算：
Imov=(Vmax－Vmov)/Zs
其中Zs為負載阻抗、電源阻抗以及線路阻抗之和，Vmax、Vmov分別為最高瞬態電壓、壓敏電阻的標稱電壓，對于常規的220V和380V的交流電源，推薦的壓敏電阻的標稱電壓值分別為440～470V和760～810V。
在交流感性負載上并聯RC電路或電容，也可抑制加至SSR輸出端的瞬態電壓和電壓指數上升率。
但實驗表明，RC吸收回路，特別是并聯在SSR輸出端的RC吸收回路，如果和感性負載組合不當，容易導致振蕩，在負載電源上電或繼電器切換時，加大繼電器輸出端的瞬變電壓峰值，增大SSR誤導通的可能性，所以，對具體應用電路應先進行試驗，選用合適的RC參數，甚至有時不用RC吸收電路更有利。
對于容性負載引起的浪涌電流可用感性元件抑制，如在電路中引入磁干擾濾波器、扼流圈等，以限制快速上升的峰值電流。
另外，如果輸出端電流上升變化率(di/dt)很大，可以在輸出端串聯一個具有高磁導率的軟化磁芯的電感器加以控制。
圖5 SSR連接負載圖
通常SSR均設計為“常開”狀態，即無控制信號輸入時，輸出端是開路的，但在自動化控制設備中經常需要“常閉”式的SSR，這時可在輸入端外接一組簡單的電路，如圖5c所示，這時即為常閉式SSR。
5.2 多功能控制電路
圖6a為多組輸出電路，當輸入為“0”時，三極管BG截止，SSR1、SSR2、SSR3的輸入端無輸入電壓，各自的輸出端斷開；當輸入為“1”時，三極管BG導通，SSR1、SSR2、SSR3的輸入端有輸入電壓，各自的輸出端接通，因而達到了由一個輸入端口控制多個輸出端“通”、“斷”的目的。
圖6b為單刀雙擲控制電路，當輸入為“0”時，三極管BG截止，SSR1輸入端無輸入電壓，輸出端斷開，此時A點電壓加到SSR2的輸入端上(UA—UDW應使SSR2輸出端可靠接通)，SSR2的輸出端接通；當輸入為“1”時，三極管BG導通，SSR1輸入端有輸入電壓，輸出端接通，此時A點雖有電壓，但UA—UDW的電壓值已不能使SSR2的輸出端接通而處于斷開狀態，因而達到了“單刀雙擲控制電路”的功能(注意：選擇穩壓二極管DW的穩壓值時，應保證在導通的SSR1“+”端的電壓不會使SSR2導通，同時又要兼顧到SSR1截止時期“+”端的電壓能使SSR2導通)。
圖6 SSR輸出電路
5.3 用計算機控制電機正反轉的接口及驅動電路
圖7為計算機控制單相交流電機正反轉的接口及驅動電路，在換向控制時，正反轉之間的停滯時間應大于交流電源的1.5個周期(用一個“下降沿延時”電路來完成)，以免換向太快而造成線間短路。電路中繼電器要選用阻斷電壓高于600V和額定電壓為380V以上的交流固態繼電器。
為了限制電機換向時電容器的放電電流，應在各回路中外加一只限流電阻Rx，其阻值和功率可按下式計算：
Rx＝0.2×Vp/IR(Ω)，P＝Im2Rx
其中：Vp—電源峰值電壓(V)；IR—固態繼電器額定電流(A)；Im—電機運轉電流(A)；P—限流電阻功率(W)。
圖7 計算機控制單相交流電機正反轉的接口及驅動電路
圖8為計算機控制三相交流電機正反轉的接口及驅動電路，圖中采用了4個與非門，用二個信號通道分別控制電動機的起動、停止和正轉、反轉。當改變電動機轉動方向時，給出指令信號的順序應是“停止—反轉—起動”或“停止—正轉—起動”。延時電路的最小延時不小于1.5個交流電源周期。其中RD1、RD2、RD3為熔斷器。當電機允許時，可以在R1—R4位置接入限流電阻，以防止當兩線間的任意二只繼電器均誤接通時，限制產生的半周線間短路電流不超過繼電器所能承受的浪涌電流，從而避免燒毀繼電器等事故，確保安全性；但副作用是正常工作時電阻上將產生壓降和功耗。該電路建議采用額定電壓為660V或更高一點的SSR產品。
圖8 計算機控制三相交流電機正反轉的接口及驅動電路
5.4 SSR應用電路
用于單電源移相觸發電路的隨機型SSR調壓電路如圖9所示，圖10為直流SSR控制電路。利用圖11所示的分相電機制動控制電路可以對小功率電機(小于1馬力)進行快停與起動控制，其中SSR的負載電壓額定值應是電網電壓的2倍。
對于1/8馬力電機，圖11中的R1應為10Ω,(2W)、R2為250Ω(25W)，C1為10μF(300V)、C2為3.75μF(330V)。
利用SSR還可以組成很多電路，如三相負載控制電路、三相感應電機的正反轉控制電路等。
6 結束語
由前述可以看到SSR的性能與電磁式繼電器相比有著很多的優越性，特別易于實現計算機的編程控制，因此使得控制的實現更加方便、靈活。但它也存在一些弱點，如：導通電阻(幾Ω～幾十Ω)、通態壓降(小于2V)、斷態漏電流(5～10mA)等的存在，易發熱損壞；截止時存在漏電阻，不能使電路完全分開；易受溫度和輻射的影響，穩定性差；靈敏度高，易產生誤動作，在需要聯鎖、互鎖的控制電路中，保護電路的增設，使得成本上升、體積增大。因此，對于SSR具有的獨特性能，必須正確的理解和謹慎使用，方能發揮其獨特的性能，并確保SSR無故障的工作。
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