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交流固态继电器应用指南
.产品概述

    固体继电器(亦称固态继电器)英文名称为Solid State Relay,简称SSR。它是用半导体器件代替传统电接点作为切换装置的具有继电器特性的无触点开关器件,单相SSR为四端有源器件,其中两个输入控制端,两个输出端,输入输出间为光隔离,输入端加上直流或脉冲信号到一定电流值后,输出端就能从断态转变成通态。
SSR主要由输入电路、驱动电路和输出电路三部分组成,见下图。


二.产品特点

    SSR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,且体积小,耐冲击,耐振荡,防爆、防潮、防腐蚀、能与TTL、DTL、HTL等逻辑电路兼容,以微小的控制信号达到直接驱动大电流负载。

三.产品应用

    SSR目前已广泛应用于计算机外围接口装置,电炉加热,数控机械,遥控系统、工业自动化装置,仪器仪表、医疗器械、自动消防,家用电器等领域,是机电一体化的关键接口元件,是机械继电器的最佳替代产品。

四.产品分类

    SSR按采用的输出器件不同,分为双向晶闸管(TRIAC)普通型和单向晶闸管(SCR)反并联增强型(H)两种。由于SCR器件具有比TRIAC器件dv/dt高、阻断电压高和散热性能和等特点,多被用来制造高电压、大电流产品,主要用于感性和容性负载中。SSR按开关方式分有电压过零导通型和随机导通型。其区别导通波形如下


    当输入端施加有效的控制信号时,随机型SSR输出端立即导通,而过零型SSR则要等到负载电压过零区域(约±15V)时才开启导通。当控制信号撤销后,过零型和随机型SSR均在小于维持电流时关断。虽然过零型SSR有可能造成最大半个周期的延时,但却减少了对负载的冲击和产生的射频干扰,成为理想的开关器件,在“单刀单掷”的开关场合中应用最为广泛。随机型SSR的特点是反应速度快,它可以通过控制移相触发脉冲达到交流调压目的,从而精确地应用于调温、调光等场合。

五.固态继电器电流/电压的等级选取及保护

1.电流的等级选取及过电流的保护

    固态继电器是以半导体开关器件作为功率输出部件的,对温度的变化较为敏感,虽然固态继电器在瞬间可以承受额定电流10倍以上的浪涌电流,但超过此值很容易造成永久性损坏。因而,过电流的保护是很重要的,过电流的保护方法很多,关键在于反映速度要快。快速熔断器和空气开关是过流保护方法之一,小容量SSR也可选用保险丝;许多负载在接通瞬间会产生很大的浪涌电流,由于散热不及,浪涌电流与过流一样也是造成SSR内部输出可控硅损坏的最主要原因之一。因此选取固体继电器时,保证一定的电流余量是极其重要的。
a、阻性负载时,选取SSR的电流等级宜大于等于2倍的负载额定电流。
b、负载为交流电动机时,选取SSR的电流等级须大于等于6-7倍的电动机额定电流。
c、交流电磁铁、中间继电器线保、电感线圈等负载时,选取SSR的电流等级宜大于等于4倍的负载

额定电流,变压器时要求大于等于5倍变压器初级额定电流,特种感性、容性负载则应根据实际经验还须放大SSR的电流余量。
d、电力补偿电容器类负载时,选取SSR的电流等级须大于5倍的负载额定电流。

对以可控硅为输出器件的交流固态继电器,由于可控硅需电流过零关断的特性,则对于在10Ms(50Hz)以内超过
SSR浪涌电流承受值的浪涌电流和短路电流,一般的保护电路是无效的,应考虑采用半导体器件专用的快速熔断器。熔断器的标称熔断电流不应超过SSR的标称电流值。市售的快速熔断器种类较多,但质量差异较大,请选择时加以注意。

2.电压的等级选取及过电压的保护

    当加在固体继电器交流两端的电压峰值超过SSR所能承受的最高电压峰值时,固体继电器内的元件便会被电压击穿而造成SSR损坏, 因此,选取合适的电压等级可以较好地保护SSR。
a、交流负载为220V的阻性负载时可选取220V电压等级的SSR 。
b、交流负载为220V的感性负载或交流负载为380V的阻性负载时可选取380V电压等级的SSR。

c、交流负载为380V的感性负载时可选取480V电压等级的SSR(480V等级的SSR还具有更高的静态dv/dt指标);其他要求特殊、可靠性要求高的场合如电力补偿电容器切换、电动机正反转等均须选取480V电压等级的SSR。
当负载为感性或容性时,很可能产生大于固态继电器所能承受的瞬态电压(阻断电压)和电压上升率(dv/dt)。若保护措施不当或响应不灵敏,不仅会造成固态继电器失控,严重时还可能烧毁固态继电器或设备。普遍的应用是外加瞬态抑制(RC吸收)电路和电压钳位电路(双向稳压二极管、压敏电阻)。
在一般情况下,RC吸收回路可以有效地抑制加至固态继电器的瞬态电压和电压指数上升率(dv/dt),压敏电阻保护电路可以吸收宽脉冲的过电压。
    RC吸收回路的RC值选择要经过计算和验证。经验的选择(仅供参考)是电阻在27-150欧姆、功率为2-5瓦之间,电容容量在0.01-1Μf、耐压在250-500VAC之间,(例:R=51Ω/2W,C=0.2ΜF/500VAC)精确值应在实验后确定。注意不要发生振荡。
    压敏电阻的选择同样要经过计算和验证,一般情况下(仅供参考),在220VAC电路里使用标称470-680V、φ12-16的,在380VAC电路里使用标称780-1000V、φ12-16的。

3.过热保护

    如固态继电器过热,轻则失控,重则造成永久性损坏,建议加装过热保护措施,通常的做法是保证固态继电器的底版处温度不超过75-80℃。一般的温度保护电路就可以达到目的,比较经济实惠的是在散热器上靠近SSR底版处安装温控开关,温升达到限定温度时切断SSR输入信号。

六.固态继电器的应用热设计和散热器的选择

    固态继电器在工作中内部存在着一定的功率耗散,这个耗散值主要由输出电压降与负载电流乘积决定,以发热的形式体现。散热的好坏直接影响到固态继电器的最大负载电流值和允许的最高工作环境温度值,是影响固态继电器可靠工作的重要因素之一。所以我们应重视固态继电器的应用热设计和散热器的选择,使固态继电器稳定可靠的工作,避免由于散热不良而造成的固态继电器的失效和损坏。
    一般而言,输出电流小于5A的固态继电器,利用空气自然对流,足以达到冷却散热的目的,但按装时要有一个良好的对流环境,固态继电器之间的距离不得小于一个固态继电器的宽度。
负载电流大于10A的固态继电器,使用合适的散热器是必不可少的,必要时还要进行风冷(风冷风速6米/秒)或水冷。良好的散热条件对于固态继电器的可靠工作是十分重要的。产品手册中一般都会给用户提供工作电流、通态压降和热阻等参数,有的还会给出工作电流/耗散功率与环境温度/基板温度曲线,供使用时参考。利用这些参数就可以计算所需散热器的热阻,再根据散热器厂家产品手册上的热阻参数选择散热器。简易的计算方法如下:
    双向可控硅功率输出:
Rthhs=(110-Ta)÷(0.8+0.5I/In)-RthJC
    单向可控硅功率输出:
Rthhs=(125-Ta)÷I(0.8+0.5I/In)-RthJC
    其中Rthhs:散热器热阻,Ta:环境温度,I:负载电流,In:标称工作电流,RthJC:固态继电器热阻
    例:负载电流20A,最高环境温度40℃,选25A双向可控硅输出的固态继电器,热阻为1.3℃/W,则散热器的热阻为: Rthhs=(110-40)÷20(0.8+0.5×20/25)-1.3=1.62℃/W
查散热器手册,选择热阻小于1.62℃/W的散热器,在1.5℃/W和1℃/W中选择一种即可。另外,也可在厂家给出工作电流 /耗散功率与环境温度/基板温度曲线上查出散热器热阻,再根据热阻值选择散热器。

七.连接形式及型号说明

1、SSR接线示意图

(1)单相可控硅接线示意图


(2)三相可控硅接线示意图


2、SSR为电流驱动型
     在逻辑电路驱动时应尽可能采用低电平输出进行驱动,以保证有足够的带负载能力和尽可能低的零电平。下图(前两图)为正确的灌电流驱动的电路图:


3、SSR输入端的串并联
    多个SSR的输入端可以串、并联,但应满足每个SSR高电平时,过零型触发电流大于5mA,随机型大于10mA,低电平电压小于1V。也即并联驱动电流应大于多个SSR的输入电流之和;串联时驱动电压应大于多个开启电压(以4V计算)之和。
4、SSR功率扩展接线示意图
    功率扩展后仍具有过零特性或随机特性


5、单相交流电机正反转控制接线示意图



八.固态继电器型号命名方式



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