固态继电器原理,检测以及应用电路

固态继电器原理和应用电路
固态继电器(SOLIDSTATE RELAYS)，简写成“SSR”，是一种全部由固态电子元件组成的新型无触点开关器件，它利用电子元件(如开关三极管、双向可控硅等半导体器件)的开关特性，可达到无触点无火花地接通和断开电路的目的，因此又被称为“无触点开关”。

固态继电器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。

一、固态继电器的原理及结构
SSR按使用场合可以分成交流型和直流型两大类，它们分别在交流或直流电源上做负载的开关。

下面以交流型的SSR为例来说明它的工作原理：
图1是它的工作原理框图，图1中的部件①-④构成交流SSR的主体，从整体上看，SSR只有两个输入端(A和B)及两个输出端(C和D)，是一种四端器件。

工作时只要在A、B上加上一定的控制信号，就可以控制C、D两端之间的“通”和“断”，实现“开关”的功能。

其中耦合电路的功能是为A、B端输入的控制信号提供一个输入/输出端之间的通道，但又在电气上断开SSR中输入端和输出端之间的(电)联系，以防止输出端对输入端的影响，耦合电路用的元件是“光耦合器”，它动作灵敏、响应速度高、输入/输出端间的绝缘(耐压)等级高；由于输入端的负载是发光二极管，这使SSR的输入端很容易做到与输入信号电平相匹配，在使用可直接与计算机输出接口相接，即受“1”与“0”的逻辑电平控制。

触发电路的功能是产生合乎要求的触发信号，驱动开关电路④工作，但由于开关电路在不加特殊控制电路时，将产生射频干扰并以高次谐波或尖峰等污染电网，为此特设“过零控制电路”。

所谓“过零”是指，当加入控制信号，交流电压过零时，SSR即为通态；而当断开控制信号后，SSR要等待交流电的正半周与负半周的交界点(零电位)时，SSR才为断态。

这种设计能防止高次谐波的干扰和对电网的污染。

吸收电路是为防止从电源中传来的尖峰、浪涌(电压)对开关器件双向可控硅管的冲击和干扰(甚至误动作)而设计的，一般是用“R-C”串联吸收电路或非线性电阻(压敏电阻器)。

图2是一种典型的交流型SSR的电原理图。

固态继电器工作原理图一（交流型)：
从DW1、DW2上取出的削顶正弦信号经反相器BG1输出方波再经运算放大器A输出尖峰脉冲信号。

尖峰脉冲加在D3~D6的交流对角线与SCR的控制极和阴极间，D3~D6的直流对角线接在光电耦合器的输出端。

当从A、B输入低压小电流信号时，二极管发光，光敏管导通，于是从A运算放大器中输出的尖峰脉冲触发SCR导通，角载RL得电。

A、B无信号输入时，光电耦合器BG2截止，尖峰脉冲通不过而使SCR不能导通。

固态继电器工作原理图二（交流型)：
当无输入信号时，GD中的光敏三极管裁止，VT1是交流电压零点检测器，通过R3获得基极电流而饱和导通，将VTH的门极箝在低电位而处于关断状态。

当有输人信号时，光敏三极管导通，此时VTH的状态由VT1决定，如此电源电压大于过零电压时，分压器R3、R2的分压点P电压大于VBE1，VT1饱和导通，SCR门极因箝位在低电位而截止，TR的门极因没有触发脉冲而处于关断状态。

只有当电源电压小于过零电压，P点电压小于VBE1时G1截止，SCR门极获得触发信号而导通。

在TR的门极获得触发脉冲，TR就导通．从而接通负载电源。

直流型SSR与交流型SSR区别：
直流型的SSR与交流型的SSR相比，无过零控制电路，也不必设置吸收电路，开关器件一般用大功率开关三极管，其它工作原理相同。

不过，直流型SSR在使用时应注意：①负载为感性负载时，如直流电磁阀或电磁铁，应在负载两端并联一只二极管，极性如图3所示，二极管的电流应等于工作电流，电压应大于工作电压的4倍。

②SSR工作时应尽量把它靠近负载，其输出引线应满足负荷电流的需要。

③使用电源属经交流降压整流所得的，其滤波电解电容应足够大。

图4 给出了几种国内、外常见的SSR的外形。

二、固态继电器的特点
SSR成功地实现了弱信号(Vsr)对强电(输出端负载电压)的控制。

由于光耦合器的应用，使控制信号所需的功率极低(约十余毫瓦就可正常工作)，而且Vsr所需的工作电平与TTL、HTL、CMOS等常用集成电路兼容，可以实现直接联接。

这使SSR在数控和自控设备等方面得到广泛应用。

在相当程度上可取代传统的“线圈—簧片触点式”继电器(简称“MER”)。

SSR由于是全固态电子元件组成，与MER相比，它没有任何可动的机械部件，工作中也没有任何机械动作；SSR由电路的工作状态变换实现“通”和“断”的开关功能，没有电接触点，所以它有一系列MER不具备的优点，即工作高可靠、长寿命(有资料表明SSR的开关次数可达108-109次，比一般MER的106高几百倍)；无动作噪声；耐振耐机械冲击；安装位置无限制；很容易用绝缘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极佳。

这些特点使SSR可在军事(如飞行器、火炮、舰船、车载武器系统)、化工、井下采煤和各种工业民用电控设备的应用中大显身手，具有超越MER的技术优势。

交流型SSR由于采用过零触发技术，因而可以使SSR安全地用在计算机输出接口上，不必为在接口上采用MER而产生的一系列对计算机的干扰而烦恼。

此外，SSR还有能承受在数值上可达额定电流十倍左右的浪涌电流的特点。

三、主要参数与选用
功率固态继电器的特性参数包括输入和输出参数，下面以北京科通继电器总厂生产的GX-10F继电器为例，列出输入、输出参数，详见表1，根据输入电压参数值大小，可确定工作电压大小。

如采用TTL或CMOS等逻辑电平控制时，最好采用有足够带载能力的低电平驱动，并尽可能使“0”电平低于0.8 V。

如在噪声很强的环境下工作，不能选用通、断电压值相差小的产品，必需选用通、断电压值相差大的产品，(如选接通电压为8 V或12 V的产品)这样不会因噪声干扰而造成控制失灵。

输出参数的项目较多，现对主要几个参数说明如下：
1、额定输入电压
它是指定条件下能承受的稳态阻性负载的最大允许电压有效值。

如果受控负载是非稳态或非阻性的，必需考虑所选产品是否能承受工作状态或条件变化时(冷热转换、静动转换、感应电势、瞬态峰值电压、变化周期等) 所产生的最大合成电压。

例如负载为感性时，所选额定输出电压必须大于两倍电源电压值，而且所选产品的阻断(击穿)电压应高于负载电源电压峰值的两倍。

如在电源电压为交流220V、一般的小功率非阻性负载的情况下，建议选用额定电压为400V—600V的SSR产品；但对于频繁启动的单相或三相电机负载，建议选用额定电压为660V—800V的SSR产品。

2、额定输出电流和浪涌电流
额定输出电流是指在给定条件下(环境温度、额定电压、功率因素、有无散热器等)所能承受的电流最大的有效值。

一般生产厂家都提供热降额曲线。

如周围温度上升，应按曲线作降额使用。

浪涌电流是指在给定条件下(室温、额定电压、额定电流和持续的时间等)不会造成永久性损坏所允许的最大非重复性峰值电流。

交流继电器的浪涌电流为额定电流的5-10倍(一个周期)，直流产品为额定电流的1.5-5倍(一秒)。

在选用时，如负载为稳态阻性，SSR可全额或降额10%使用。

对于电加热器、接触器等，初始接通瞬间出现的浪涌电流可达3倍的稳态电流，因此，SSR降额20%-30%使用。

对于白织灯类负载，SSR应按降额50%使用，并且还应加上适当的保护电路。

对于变压器负载，所选产品的额定电流必须高于负载工作电流的两倍。

对于负载为感应电机，所选SSR的额定电流值应为电机运转电流的2—4倍，SSR的浪涌电流值应为额定电流的10倍。

固态继电器对温度的敏感性很强，工作温度超过标称值后，必须降热或外加散热器，例如额定电流为10A的JGX—10F产品，不加散热器时的允许工作电流只有10A。

四、应用电路
1、基本单元电路
如图a所示为稳定的阻性负载，为了防止输入电压超过额定值，需设置一限流电阻Rx；当负载为非稳定性负载或感性负载时，在输出回路中还应附加一个瞬态抑制电路，如图b所示，目的是保护固态继电器。

通常措施是在继电器输出端加装RC吸收回路(例如：R=150 Ω，C=0.5 μF或R=39 Ω，C=0.1 μF)，它可以有效的抑制加至继电器的瞬态电压和电压指数上升率dv/dt。

在设计电路时，建议用户根据负载的有关参数和环境条件，认真计算和试验RC回路的选值。

另一个常用的措施是在继电器输出端接入具有特定钳位电压的电压控制器件，如双向稳压二极管或压敏电阻(MOV)。

压敏电阻电流值应按下式计算：
I mov=(V max-V mov)/ZS
其中ZS为负载阻抗、电源阻抗以及线路阻抗之和，V max、V mov分别为最高瞬态电压、压敏电阻的标称电压，对于常规的220V和380V的交流电源，推荐的压敏电阻的标称电压值分别为440-470V 和760-810V。

在交流感性负载上并联RC电路或电容，也可抑制加至SSR输出端的瞬态电压和电压指数上升率。

但实验表明，RC吸收回路，特别是并联在SSR输出端的RC吸收回路，如果和感性负载组合不当，
容易导致振荡，在负载电源上电或继电器切换时，加大继电器输出端的瞬变电压峰值，增大SSR误导通的可能性，所以，对具体应用电路应先进行试验，选用合适的RC参数，甚至有时不用RC吸收电路更有利。

对于容性负载引起的浪涌电流可用感性元件抑制，如在电路中引入磁干扰滤波器、扼流圈等，以限制快速上升的峰值电流。

另外，如果输出端电流上升变化率(di/dt)很大，可以在输出端串联一个具有高磁导率的软化磁芯的电感器加以限制。

通常SSR均设计为“常开”状态，即无控制信号输入时，输出端是开路的，但在自动化控制设备中经常需要“常闭”式的SSR，这时可在输入端外接一组简单的电路，如图c所示，这时即为常闭式SSR。

2、多功能控制电路
图a为多组输出电路，当输入为“0”时，三极管BG截止，SSR1、SSR2、SSR3的输入端无输入电压，各自的输出端断开；当输入为“1”时，三极管BG导通，SSR1、SSR2、SSR3的输入端有输入电压，各自的输出端接通，因而达到了由一个输入端口控制多个输出端“通”、“断”的目的。

图b为单刀双掷控制电路，当输入为“0”时，三极管BG截止，SSR1输入端无输入电压，输出端断开，此时A点电压加到SSR2的输入端上(UA-UDW应使SSR2输出端可靠接通)，SSR2的输出端接通；当输入为“1”时，三极管BG导通，SSR1输入端有输入电压，输出端接通，此时A点虽有电压，但UA-UDW的电压值已不能使SSR2的输出端接通而处于断开状态，因而达到了“单刀双掷控制电路”的功能(注意：选择稳压二极管DW的稳压值时，应保证在导通的SSR1“+”端的电压不会使SSR2导通，同时又要兼顾到SSR1截止时期“+”端的电压能使SSR2导通)。

3、用计算机控制电机正反转的接口及驱动电路
图7计算机控制单相交流电机正反转的接口及驱动电路，在换向控制时，正反转之间的停滞时间应大于交流电源的1.5个周期(用一个“下降沿延时”电路来完成)，以免换向太快而造成线间短路。

电路中继电器要选用阻断电压高于600V和额定电压为380V以上的交流固态继电器。

为了限制电机换向时电容器的放电电流，应在各回路中外加一只限流电阻Rx，其阻值和功率可按下式计算：
R x=0.2×V P/I R(Ω), P=I m²×R x
其中：V P—电源峰值电压(V)；I R—固态继电器额定电流(A)；I m—电机运转电流(A)；P—限流电阻功率(W)
图8计算机控制三相交流电机正反转的接口及驱动电路，图中采用了4个与非门，用二个信号通道分别控制电动机的起动、停止和正转、反转。

当改变电动机转动方向时，给出指令信号的顺序应是“停止—反转—起动”或“停止—正转—起动”。

延时电路的最小延时不小于1.5个交流电源周期。

其中RD1、RD2、RD3为熔断器。

当电机允许时，可以在R1-R4位置接入限流电阻，以防止当万一两线间的任意二只继电器均误接通时，限制产生的半周线间短路电流不超过继电器所能承受的浪涌电流，从而避免烧毁继电器等事故，确保安全性；但副作用是正常工作时电阻上将产生压降和功耗。

该电路建议采用额定电压为660 V或更高一点的SSR产品。

五、结束语
由前述可以看到SSR的性能与电磁式继电器相比有着很多的优越性，特别易于实现计算机的编程控制，因此使得控制的实现更加方便、灵活。

但它也存在一些弱点，如：导通电阻(几Ω—几十Ω)、通态压降(小于2 V)、断态漏电流(5—10mA)等的存在，易发热损坏；截止时存在漏电阻，不能使电路完全分开；易受温度和辐射的影响，稳定性差；灵敏度高，易产生误动作；在需要联锁、互锁的控制电路中，保护电路的增设，使得成本上升、体积增大。

因此，对于SSR具有的独特性能，必须正确的理解和谨慎使用，方能发挥其独特的性能，并确保SSR无故障的工作。

六、固态继电器的检测方法
1、识别输入、输出引脚兼测好坏
在交流固态继电器的壳体上，输入端一般标有“＋”、“－”及“INPUT”字样，而输出端则不分正、负，但有的器件标有“LOAD”字样。

而对于直流固态继电器，一般在输入和输出端均标有“＋”、“－”，有的器件还标有“IN”（输入）、“OUT”（输出）字样，以示区别。

用数字万用表判别输入、输入端时，可使用二极管档，分别对四个引脚进行正反向测试，其中必定能测出一对引脚间的电压值符合正向导通、反向截止的规律，即正向测量时显示“1.3～1.6V”，反向测试时显示溢出符号“1”。

据此便可判定这两个引脚为输入端，而在正向测量时，显示“1.3～1.6V”的一次测量，红表笔所接的是正极，黑表笔所接的则为负极。

对于直流固态继电器，找到输入端后，一般与其横向两两相对的便是输出端的正极和负极。

需要指出的是，有些直流固态继电器的输出端带有保护二极管，保护管的正极接固态二极管的负极，保护管的负极则是与固态继电器的正极相接，测试时要注意正确区分。

检测举例：
被测器件为一只JGTIFA型直流固态继电器，其外形和内部结构如图5-78所示。

它的输出端并接有保护二极管。

为叙述方便，将该器件的四个引脚分别标上①、②、③、④。

测试时，先区分输入端的两个引脚。

使用DT890A型数字万用表二极管档，对①、②、③、④进行正、反向测量
由测试数据可知，当红表笔接①脚，黑表笔接②脚时，仪表显示值为1381（1.381V）,交换表笔测量时，仪表显示溢出符号为“1”；当红表笔接④脚，黑表笔接③时，仪表显示值为543（0.543V），交换表笔测量时，仪表显示溢出符号“1”；在其余的几种测试状态，仪表均显示溢出符号“1”。

由此不难得出结论：①、②脚为被测器件的直流输入端，①脚为正极，②脚为负极，“1.381V”是固态继电器内部发光二极管的正向压降；③、④脚为直流输出端，③脚为正极，④脚为负极，“0.543V”是固态继电器输出端所并联的保护二极管的正向压降。

注意，对于输出端未有保护二极管的固态继电器，无论怎样交换表笔测量其③、④脚，仪表均显示溢出符号“1”。

使用不同型号的数字万用表测量固态继电器内部发光二极管时，有的仪表显示值有时只是瞬间闪出读数，接着便显示溢出符号“1”，遇到此情况，可反复交换表笔多测几次，直到得出测试结论。

2、检测带载能力
现以测试JGC－4F型AC－SSR为例，介绍检测固态继电器带负载能力的方法。

JGC－4F的外形及其检测接线如图5-79所示。

被测固态继电器的输入电压为DC5V，输出电压为AC25V，输出电流为2A。

测试步骤如下：
（1）使用DT899A型数字万用表的二极管档，先对①、②脚进行正、反向测量，仪表均显示溢出符号“1”；再对③、④脚进行正、反向测量，当红表笔接③脚，黑表笔接④脚时，仪表显示1524（1.524V），调换表笔测量时，仪表显示溢出符号“1”，由此说明③、④脚为输入端，③脚为正极，④脚为负极。

而①、②脚则是被测器件的交流输出端。

（2）参照图5-80（a）所示，使用一台DC5V稳压电源，将DT890A型数字万用表拨至2kΩ电阻档测量输出端的通、断电阻。

将S1闭合加电后，测得电阻值为1.343kΩ，表明内部双向晶闸管导通，此时能接通负载。

将S1断开时，仪表显示溢出符号“1”（电阻值为无穷大），说明被测器件关断，此时可切断负载。

注意，根据被测固态继电器型号的不同，所测得的输出端的通态电阻值也有所不同，其值的范围是比较大的，有的为几时欧，有的为几千欧。

输出端的通态电阻与输入电流IS有关。

在10～20mA范围内，输入电流IS越大，通态电阻越小。

IS值的大小取决于输入端所加直流电压的大小，但所加的输入电压值不得超过被测器件的额定输入电压值。

此外，若输入端直流电压的极性接反了，固态继电器是不能正常工作的。

（3）如图5-80（b）所示，将JGC－4F的输出端串上一只220V、60W的白炽灯泡，接入220V交流电源。

闭合S1时灯泡正常发光，断开S1时灯泡立即熄灭。

由此证明被测交流固态继电器JGC－4F
的性能良好。

继电器一般其主要电气性能、参数指标有：额定工作电压、线圈绕组的直流电阻、吸合电流（电压）、释放电流（电压）以及电触点切换电压（电流）等。

继电器的型号规格比较繁杂，特别在平时无论是电子实验制作和设备检修，还是选购利用一些旧的拆卸继电器再使用，因有时不知道手中的继电器的工作电压、吸合电流、释放电流的具体数据，亦给制作维修和更换带来一定的难题。

为此，这里介绍利用万用表和直流电源串接的检测电路，即能对各型号小规格继电器的工作电压、电流迅速简便准确地加以判断测定，并给制作和维修及再利用带来很大方便。

测试电路准备一只10Ωk左右的电位器（最好采用线绕电位器，以利提高电路测试数据的正确性），直流电源可采用稳压电源，若无专用直流毫安电流表时，可利用万用表的直流电流档加以配合。

具体测试电路串接方法见图1所示。

将待测的继电器线圈绕组接入测试电路，直流电源送入25~30V电压，当接通直流电压后，此时待测的继电器的触点若立即产生吸合动作，这时应把直流电源电压适当略调低一些，直至当接通电源的瞬间，待测继电器的触点不应该立即产生吸合动作为止。

这时应慢慢调节电位器的电阻值（减小阻值或者增大阻值均可），此时万用表的直流毫安表已显示读数，若电位器调节至某一电阻值时，继电器的触点即产生吸合动作，那么此时万用表上显示的直流毫安值读数，便就是继电器原有的吸合电流。

如万用表显示读数为10mA处，即可证实该待测继电器的实际工作吸合电流为10mA.当然，一般来说继电器的工作电流要比实际吸合电流大得多，通常情况下，工作电流应是吸合电流的二倍左右。

当然，我们在整个测试过程中，可反复进行调测试几次，因为每次测试的数据都会存在一定的差异，所以在进行多次测试中求出相接近的几个数值为确定数据。

当已知测定继电器的吸合电流后，便可测试继电器的释放电流，即当继电器触点产生吸合动作后，再慢慢旋动电位器的阻值（应增大电位器阻值），待调节至继电器原吸合的触点在释放的瞬间，立即停止电位器的转动，此时万用表上的显示读数便是继电器的正常释放电流值。

如此时的电流指示为4.8mA,那么原来吸合时触点瞬间释放时，该电流值便是该继电器的正确释放电流值。

当然，我们在实际应用中还应注意的是：继电器其释放电流与吸合电流间的倍差值，特别对于一些高灵敏度的继电器而言，其继电器的释放电流大约是吸合电流的0.6~0.8倍左右，而对于常用的密封型小型继电器其释放电流大约是吸合电流的0.3~0.6倍左右。

如某继电器的释放电流是吸合电流的0.1倍左右，那则证明该继电器已不能在电路中使用。

其道理很简单，因为继电器的电气性能很差，若一旦在电器电路中使用，万一产生电源断电后，继电器内的衔铁仍会吸合住电极触点不释放，即会造成电路内自动切换功能系统的失灵。

当我们已知道继电器的吸合电流后，要测定其继电器的工作电压值是方便的。

将万用表拨至R 电阻档位，测量出继电器绕组线包的电阻值后，用欧姆定律加以换算后便可知道具体数值。

如某继电器的绕组电阻值为100Ω，而吸合电流为10mA,那么通过换算便知该继电器的工作电压约在10V左右。