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固态继电器原理及接线方法
发布者:admin 点击:628 发表时间:2014-5-13

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。

SSR固态继电器以触发形式,可分为零压型(Z)和调相型(P)两种。在输入端施加合适的控制信号VIN时,P型SSR立即导通。当VIN撤销后,负载电流低于双向可控硅维持电流时(交流换向),SSR关断。 
Z型SSR内部包括过零检测电路,在施加输入信号VIN时,只有当负载电源电压达到过零区时,SSR才能导通,并有可能造成电源半个周期的最大延时。Z型SSR关断条件同P型,但由于负载工作电流近似正弦波,高次谐波干扰小,所以应用广泛。 
先锋公司电子厂SSR由于采用输出器件不同,有普通型(S,采用双向可控硅元件)和增强型(HS,采用单向可控硅元件)之分。当加有感性负载时,在输入信号截止t1之前,双向可控硅导通,电流滞后电源电压90O(纯感时)。t1时刻,输入控制信号撤销,双向可控硅在小于维持电流时关断(t2),可控硅将承受电压上升率dv/dt很高的反向电压。这个电压将通过双向可控硅内部的结电容,正反馈到栅极。如果超过双向可控硅换向dv/dt指标(典型值10V/ s,将引起换向恢复时间长甚至失败。 
单向可控硅(增强型SSR)由于处在单极性工作状态,此时只受静态电压上升率所限制(典型值200V/ s),因此增强型固态继电器HS系列比普通型SSR的换向dv/dt指标提高了5 20倍。由于采用两只大功率单向可控硅反并联,改变了电流分配和导热条件,提高了SSR输出功率。 
增强型SSR在大功率应用场合,无论是感性负载还是阻性负载,耐电压、耐电流冲击及产品的可靠性,均超过普通固态继电器,并达到了进口产品的基本指标,是替代普通固态继电器的更新产品。 

固态继电器由三部分组成:输入电路、隔离(耦合)和输出电路组成,在输入电路控制端加入信号后,IC1光电耦合器内光敏三极管呈导通状态,R1串接电阻对输入信号进行限流,以保证光耦合器不致损坏。LED发光二极管指示输入端控制信号,VD1可防止当输入信号正负极性接反时以保护光耦IC1。

 

V1 在线路中起到交流电压检测作用,使固态继电器在电压过零时开启、负载电流过零时关断。当IC1光敏三极管截止时(控制端无信号输入时),V1通过R2获得基极电流使之饱和导通,从而使 SCR可控硅门极触发电压UGT被箝在低电位而处于关断状态,最终导致BTA双向可控硅在门极控制端R6上无触发脉冲而处于关断状态。

当IC1光敏三极管导通时( 控制端有信号输入时) ,SCR可控硅的工作状态由交流电压零点检测三极管V1来确定其工作状态 。如电源电压经R2与R3分压,A处电压大于过零电压时(VA>VBE1),V1处饱和导通状态,SCR、BTA可控硅都处于关断状态;如电源电压经R2与R3分压,A处电压小于过零电压时(VA>VBE1)V1处截止状态,SCR可控硅通过R4获得触发信号而导通 ,从而使 BTA在R6上也获得触发信号也呈导通状态,对负载电源进行关断控制。如此时控制端信号关断后,负载电流也随之减小至BTA双向可控硅的维持电流IH时可自行关断,切断负载电源。

交流过零型固态继电器,因有其电压过零时开启,负载电流过零时关断的特性。它的最大接通、关断时间是半个电源周期,在负载上可得到一个完整的正弦波形。也相应的减少了对负载的冲击。而在相应的控制回路中产生的射频干扰也大大减少。过零型与随机型的工作波形图分别见图2和图3。