德國(guó)皮尓茲PILZ固態(tài)繼電器的特點(diǎn)和主要參數(shù)
皮尓茲PILZ固態(tài)繼電器（SOLIDSTATE RELAYS），簡(jiǎn)寫成“SSR"，是一種全部由固態(tài)電子元件組成的新型無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)器件，它利用電子元件（如開(kāi)關(guān)三極管、雙向可控硅等半導(dǎo)體器件）的開(kāi)關(guān)特性，可達(dá)到無(wú)觸點(diǎn)無(wú)火花地接通和斷開(kāi)電路的目的，因此又被稱為“無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)"，它問(wèn)世于70年代，由于它的無(wú)觸點(diǎn)工作特性，使其在許多領(lǐng)域的電控及計(jì)算機(jī)控制方面得到日益廣范的應(yīng)用。
皮尓茲PILZ固態(tài)繼電器的特點(diǎn)
SSR 成功地實(shí)現(xiàn)了弱信號(hào)（Vsr）對(duì)強(qiáng)電（輸出端負(fù)載電壓）的控制。由于光耦合器的應(yīng)用，使控制信號(hào)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(shí)現(xiàn)直接聯(lián)接。這使SSR在數(shù)控和自控設(shè)備等方面得到廣泛應(yīng)用。在相當(dāng)程度上可取代傳統(tǒng)的“線圈—簧片觸點(diǎn)式"繼電器（簡(jiǎn)稱“MER"）。
SSR 由于是全固態(tài)電子元件組成，與MER相比，它沒(méi)有任何可動(dòng)的機(jī)械部件，工作中也沒(méi)有任何機(jī)械動(dòng)作；SSR由電路的工作狀態(tài)變換實(shí)現(xiàn)“通"和“斷"的開(kāi)關(guān)功 能，沒(méi)有電接觸點(diǎn)，所以它有一系列MER不具備的優(yōu)點(diǎn)，即工作高可靠、長(zhǎng)壽命（有資料表明SSR的開(kāi)關(guān)次數(shù)可達(dá)108-109次，比一般MER的106高 幾百倍）；無(wú)動(dòng)作噪聲；耐振耐機(jī)械沖擊；安裝位置無(wú)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。這些特點(diǎn)使SSR可在軍事（如飛行器、火炮、艦船、車載武器系統(tǒng)）、化工、井下采煤和各種工業(yè)民用電控設(shè)備的應(yīng)用中大顯身手，具有超越MER的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
交流型SSR由于采用過(guò)零觸發(fā)技術(shù)，因而可以使SSR安全地用在計(jì)算機(jī)輸出接口上，不必為在接口上采用MER而產(chǎn)生的一系列對(duì)計(jì)算機(jī)的干擾而煩惱。
此外，SSR還有能承受在數(shù)值上可達(dá)額定電流十倍左右的浪涌電流的特點(diǎn)。
德國(guó)皮尓茲PILZ固態(tài)繼電器的特點(diǎn)和主要參數(shù)
主要參數(shù)
皮尓茲PILZ功率固態(tài)繼電器的特性 參數(shù)包括輸入和輸出參數(shù)，下面以北京科通繼電器總廠生產(chǎn)的GX-10F繼電器為例，列出輸入、輸出參數(shù)，詳見(jiàn)表1，根據(jù)輸入電壓參數(shù)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(shí)，采用有足夠帶載能力的低電平驅(qū)動(dòng)，并盡可能使“0"電平低于0.8 V。如在噪聲很強(qiáng)的環(huán)境下工作，不能選用通、斷電壓值相差小的產(chǎn)品，必需選用通、斷電壓值相差大的產(chǎn)品，（如選接通電壓為8 V或12 V的產(chǎn)品）這樣不會(huì)因噪聲干擾而造成控制失靈 。
輸出參數(shù)的項(xiàng)目較多，現(xiàn)對(duì)主要幾個(gè)參數(shù)說(shuō)明如下：
1、額定輸入電壓
它是條件下能承受 的穩(wěn)態(tài)阻性負(fù)載的zui大允許電壓有效值。如果受控負(fù)載是非穩(wěn)態(tài)或非阻性的，必需考慮所選產(chǎn)品是否能承受工作狀態(tài)或條件變化時(shí)（冷熱轉(zhuǎn)換、靜動(dòng)轉(zhuǎn)換、感應(yīng)電勢(shì)、瞬態(tài)峰值電壓、變化周期等） 所產(chǎn)生的zui大合成電壓。例如負(fù)載為感性時(shí)，所選額定輸出電壓必須大于兩倍電源電壓值，而且所選產(chǎn)品的阻斷（擊穿）電壓應(yīng)高于負(fù)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(fù)載的情況下，建議選用額定電壓為400V—600V的SSR產(chǎn)品；但對(duì)于頻繁啟動(dòng)的單相或三相電機(jī)負(fù)載，建 議選用額定電壓為660V—800V的SSR產(chǎn)品。
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(huán)境溫度、額定電壓、功率因素、有無(wú)散熱器等）所能承受的電流zui大的有效值。一般生產(chǎn)廠家都提供熱降額曲線。如周圍溫度上升，應(yīng)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(xù)的時(shí)間等）不會(huì)造成*性損壞所允許的zui大非重復(fù)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(gè)周期），直流產(chǎn)品為額定電流的1.5-5倍（一秒）。在選用時(shí)，如負(fù)載為穩(wěn)態(tài)阻性，SSR可全額或降額10%使用。對(duì)于電加熱器、接觸器 等，初始接通瞬間出現(xiàn)的浪涌電流可達(dá)3倍的穩(wěn)態(tài)電流，因此，SSR降額20%-30%使用。對(duì)于白織燈類負(fù)載，SSR應(yīng)按降額50%使用，并且還應(yīng)加上適 當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)電路。對(duì)于變壓器負(fù)載，所選產(chǎn)品的額定電流必須高于負(fù)載工作電流的兩倍。對(duì)于負(fù)載為感應(yīng)電機(jī)，所選SSR的額定電流值應(yīng)為電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)電流的2—4 倍，SSR的浪涌電流值應(yīng)為額定電流的10倍。
固態(tài)繼電器對(duì)溫度的敏感性很強(qiáng)，工作溫度超過(guò)標(biāo)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(chǎn)品，不加散熱器時(shí)的允許工作電流只有10A。
德國(guó)皮尓茲PILZ固態(tài)繼電器的特點(diǎn)和主要參數(shù)
應(yīng)用電路
1、基本單元電路
如圖所示為穩(wěn)定的 阻性負(fù)載，為了防止輸入電壓超過(guò)額定值，需設(shè)置一限流電阻Rx；當(dāng)負(fù)載為非穩(wěn)定性負(fù)載或感性負(fù)載時(shí)，在輸出回路中還應(yīng)附加一個(gè)瞬態(tài)抑制電路，如圖5b所示，目的是保護(hù)固態(tài)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=150 Ω，C=0.5 μF或R=39 Ω，C=0.1 μF），它可以有效的抑制加至繼電器的瞬態(tài)電壓和電壓指數(shù)上升率dv/dt。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，建議用戶根據(jù)負(fù)載的有關(guān)參數(shù)和環(huán)境條件，認(rèn)真計(jì)算和試驗(yàn)RC回路的選值。另一個(gè)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(wěn)壓二極管或壓敏電阻（MOV）。壓敏電阻電流值應(yīng)按下式計(jì)算：
Imov=（Vmax-Vmov）/ZS
其中ZS為負(fù)載阻抗、電源阻抗以及線路阻抗之和，Vmax、Vmov分別為zui高瞬態(tài)電壓、壓敏電阻的標(biāo)稱電壓，對(duì)于常規(guī)的220V和380V的交流電源，推薦的壓敏電阻的標(biāo)稱電壓值分別為440-470V和760-810V。
在交流感性負(fù)載上并聯(lián)RC電路或電容，也可抑制加至SSR輸出端的瞬態(tài)電壓和電壓指數(shù)上升率。
但 實(shí)驗(yàn)表明，RC吸收回路，特別是并聯(lián)在SSR輸出端的RC吸收回路，如果和感性負(fù)載組合不當(dāng)，容易導(dǎo)致振蕩，在負(fù)載電源上電或繼電器切換時(shí)，加大繼電器輸 出端的瞬變電壓峰值，增大SSR誤導(dǎo)通的可能性，所以，對(duì)具體應(yīng)用電路應(yīng)先進(jìn)行試驗(yàn)，選用合適的RC參數(shù)，甚至有時(shí)不用RC吸收電路更有利。
對(duì)于容性負(fù)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(lián)一個(gè)具有高磁導(dǎo)率的軟化磁芯的電感器加以限制。
通常SSR均設(shè)計(jì)為“常開(kāi)"狀態(tài)，即無(wú)控制信號(hào)輸入時(shí)，輸出端是開(kāi)路的，但在自動(dòng)化控制設(shè)備中經(jīng)常需要“常閉"式的SSR，這時(shí)可在輸入端外接一組簡(jiǎn)單的電路，如圖5c所示，這時(shí)即為常閉式SSR。
2、多功能控制電路
圖6a 為多組輸出電路，當(dāng)輸入為“0"時(shí)，三極管BG截止，SSR1、SSR2、SSR3的輸入端無(wú)輸入電壓，各自的輸出端斷開(kāi)；當(dāng)輸入為“1"時(shí)，三極管BG 導(dǎo)通，SSR1、SSR2、SSR3的輸入端有輸入電壓，各自的輸出端接通，因而達(dá)到了由一個(gè)輸入端口控制多個(gè)輸出端“通"、“斷"的目的。
圖6b 為單刀雙擲控制電路，當(dāng)輸入為“0"時(shí)，三極管BG截止，SSR1輸入端無(wú)輸入電壓，輸出端斷開(kāi)，此時(shí)A點(diǎn)電壓加到SSR2的輸入端上（UA-UDW應(yīng)使 SSR2輸出端可靠接通），SSR2的輸出端接通；當(dāng)輸入為“1"時(shí)，三極管BG導(dǎo)通，SSR1輸入端有輸入電壓，輸出端接通，此時(shí)A點(diǎn)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(kāi)狀態(tài)，因而達(dá)到了“單刀雙擲控制電路"的功能（注意：選擇穩(wěn)壓二極管DW的穩(wěn)壓值時(shí)，應(yīng)保證在導(dǎo) 通的SSR1“+"端的電壓不會(huì)使SSR2導(dǎo)通，同時(shí)又要兼顧到SSR1截止時(shí)期“+"端的電壓能使SSR2導(dǎo)通）。
3、用計(jì)算機(jī)控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)的接口及驅(qū)動(dòng)電路
圖7計(jì)算機(jī)控制單相交 流電機(jī)正反轉(zhuǎn)的接口及驅(qū)動(dòng)電路，在換向控制時(shí)，正反轉(zhuǎn)之間的停滯時(shí)間應(yīng)大于交流電源的1.5個(gè)周期（用一個(gè)“下降沿延時(shí)"電路來(lái)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600 V和額定電壓為380 V以上的交流固態(tài)繼電器。
為了限制電機(jī)換向時(shí)電容器的放電電流，應(yīng)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(jì)算：
Rx=0.2×VP/IR（Ω）, P=Im2Rx
其中：VP—電源峰值電壓（V）；IR—固態(tài)繼電器額定電流（A）；Im—電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)電流（A）；P—限流電阻功率（W）
計(jì)算機(jī)控制三相交 流電機(jī)正反轉(zhuǎn)的接口及驅(qū)動(dòng)電路，圖中采用了4個(gè)與非門，用二個(gè)信號(hào)通道分別控制電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、停止和正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)。當(dāng)改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向時(shí)，給出指令信號(hào)的順序應(yīng)是“停止—反轉(zhuǎn)—起動(dòng)"或“停止—正轉(zhuǎn)—起動(dòng)"。延時(shí)電路的zui小延時(shí)不小于1.5個(gè)交流電源周期。其中RD1、RD2、RD3為熔斷器。當(dāng)電機(jī)允許時(shí)，可以在R1-R4位置接入限流電阻，以防止當(dāng)萬(wàn)一兩線間的任意二只繼電器均誤接通時(shí)，限制產(chǎn)生的半周線間短路電流不超過(guò)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(shí)電阻上將產(chǎn)生壓降和功耗。該電路建議采用額定電壓為660 V或更高一點(diǎn)的SSR產(chǎn)品。
固態(tài)繼電器的優(yōu)點(diǎn)
（1）高壽命，高可靠:SSR沒(méi)有機(jī)械零部件，有固體器件完成觸點(diǎn)功能，由于沒(méi)有運(yùn)動(dòng)的零部件，因此能在高沖擊，振動(dòng)的環(huán)境下工作，由于組成固態(tài)繼電器的元器件的固有特性，決定了固態(tài)繼電器的壽命長(zhǎng)，可靠性高。
（2）靈敏度高，控制功率小，電磁兼容性好:固態(tài)繼電器的輸入電壓范圍較寬，驅(qū)動(dòng)功率低，可與大多數(shù)邏輯集成電路兼容不需加緩沖器或驅(qū)動(dòng)器。
（3）快速轉(zhuǎn)換:固態(tài)繼電器因?yàn)椴捎霉腆w其間，所以切換速度可從幾毫秒至幾微妙。
（4）電磁干擾笑:固態(tài)繼電器沒(méi)有輸入"線圈"，沒(méi)有觸點(diǎn)燃弧和回跳，因而減少了電磁干擾。大多數(shù)交流輸出固態(tài)繼電器是一個(gè)零電壓開(kāi)關(guān)，在零電壓處導(dǎo)通，零電流處關(guān)斷，減少了電流波形的突然中斷，從而減少了開(kāi)關(guān)瞬態(tài)效應(yīng)。
固態(tài)繼電器的缺點(diǎn)
（1）導(dǎo)通后的管壓降大，可控硅或雙相控硅的正向降壓可達(dá)1~2V，大功率晶體管的飽和壓漿液災(zāi)1~2V之間，一般功率場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通電祖也較機(jī)械觸點(diǎn)的接觸電阻大。
（2）半導(dǎo)體器件關(guān)斷后仍可有數(shù)微安至數(shù)毫安的漏電流，因此不能實(shí)現(xiàn)理想的電隔離。
（3）由于管壓降大，導(dǎo)通后的功耗和發(fā)熱量也大，大功率固態(tài)繼電器的體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于同容量的電磁繼電器，成本也較高。
（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。
（5）固態(tài)繼電器對(duì)過(guò)載有較大的敏感性，必須用快速熔斷器或RC阻尼電路對(duì)其進(jìn)行過(guò)在保護(hù)。固態(tài)繼電器的負(fù)載與環(huán)境溫度明顯有關(guān)，溫度升高，負(fù)載能力將迅速下降。
在應(yīng)用中需要考慮下述問(wèn)題
1.器件的發(fā)熱
SSR在導(dǎo)通時(shí),元件將承受P耗=V有€譏有的熱耗散功率, 其中V有效值和I有效值分別為飽和壓降和工作電流的有效值。此時(shí),需依據(jù)實(shí)際工作環(huán)境條件,嚴(yán)格參照額定工作電流時(shí)允許的外殼溫升（75℃）,合理選用散 熱器尺寸或降低電流使用,否則將因過(guò)熱引起失控,甚至造成產(chǎn)品損壞。
在線路板上使用,連續(xù)負(fù)載電流2 3A時(shí),可選用S€?3,S€?4產(chǎn)品,時(shí),可選用S€?08W3封裝產(chǎn)品。10A以下,可采用散熱條件良好的儀器底板。10A以上,需配散熱器。30A以下,采用自然風(fēng)冷,連續(xù)負(fù)載電流大于30A時(shí),需采用儀器風(fēng)扇強(qiáng)制風(fēng)冷。
2.封裝和安裝形式
臥式W型、立式L型,體積小適用于印制板直接焊接安裝。立式 L2型,既能適合于線路板焊接安裝,也能適用于線路板上插接安裝。K型及F型,適合散熱器及儀器底板安裝。大功率SSR（K型和F型封裝）安裝時(shí),應(yīng)注意 散熱器接觸面應(yīng)平整,并需涂復(fù)導(dǎo)熱硅脂（先鋒T-50）。安裝力矩愈大,接觸熱阻愈小。大電流引出線,需配冷壓焊片,以減少引出線接點(diǎn)電阻。
3.輸入端驅(qū)動(dòng)
SSR按輸入控制方式,可分為電阻型、恒流源和交流輸入控制 型。目前主要提供的,是供5V TTL電平用電阻輸入型。使用其他控制電壓時(shí),可相應(yīng)選用限流電阻。SSR輸入屬于電流型器件,當(dāng)輸入端光耦可控硅*導(dǎo)通后（微秒數(shù)量級(jí)）,觸發(fā)功率可 控硅導(dǎo)通。當(dāng)激勵(lì)不足或斜波式的觸發(fā)電壓,有可能造成功率可控硅處于臨界導(dǎo)通邊緣,并造成主負(fù)載電流流經(jīng)觸發(fā)回路引起的損壞。
例如基本性能測(cè) 試電路,輸入為可調(diào)電壓源,測(cè)試負(fù)載用100W燈泡,輸入觸發(fā)信號(hào)應(yīng)為階躍邏輯電平,強(qiáng)觸發(fā)方式。國(guó)外廠商提供的器件標(biāo)準(zhǔn)電流為10mA,考慮到全溫度工 作范圍（-40 +70℃）,發(fā)光效率穩(wěn)定和抗干擾能力,推薦*直流觸發(fā)工作電流在12 25mA之間。
SSR輸入端可并聯(lián)或串聯(lián)驅(qū)動(dòng)。串聯(lián)使用時(shí),一個(gè)SSR按4V電壓考慮,12V電壓可驅(qū)動(dòng)3個(gè)SSR。
4.干擾問(wèn)題
SSR產(chǎn)品也是一種干擾源,導(dǎo)通時(shí)會(huì)通過(guò)負(fù)載產(chǎn)生輻射或電源 線的射頻干擾,干擾程度隨負(fù)載大小而不同。白熾燈電阻類負(fù)載產(chǎn)生的干擾較小,零壓型在交流電源的過(guò)零區(qū)（即零電壓）附近導(dǎo)通,因此干擾也較小。減少的方法 是在負(fù)載串聯(lián)電感線圈。另外,信號(hào)線與功率線之間,也應(yīng)避免交叉干擾。
5.過(guò)流/過(guò)壓保護(hù)
快速熔斷器和空氣開(kāi)關(guān),是通用的過(guò)電流保護(hù)方法?？焖偃蹟嗥?可按額定工作電流的1.2倍選擇,一般小容量可選用保險(xiǎn)絲。特別注意負(fù)載短路,是造成SSR產(chǎn)品損壞的主要原因。感性及容性負(fù)載,除內(nèi)部RC電路保護(hù)外, 建議采用壓敏電阻并聯(lián)在輸出端,作為組合保護(hù)。金屬氧化鋅壓敏電阻（MOV）面積大小決定吸收功率,厚度決定保護(hù)電壓值。
交流220V的SSR,選用 MYH12、430V、 12的壓敏電阻;380V選用MYH12、750V壓敏電阻;較大容量的電機(jī)變壓器應(yīng)選用MYH20、24通流容量大的壓敏電阻。
6.關(guān)于負(fù)載的考慮
SSR對(duì)一般的負(fù)載應(yīng)是沒(méi)有問(wèn)題的,但也必須考慮一些特殊的 負(fù)載條件,以避免過(guò)大的沖擊電流和過(guò)電壓,對(duì)器件性能造成不必要的損壞。白熾燈、電爐等類的“冷阻"特性,造成開(kāi)通瞬間的浪涌電流,超過(guò)額定工作電流值數(shù) 倍。一般普通型SSR,可按電流值的2/3選用。增強(qiáng)型SSR,可按廠商提供的參數(shù)選用。在惡劣條件下的工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng),建議留有足夠的電壓、電流余量。
某些類型的燈,在燒斷瞬間會(huì)出現(xiàn)低阻抗。氣化和放電通道以及容性負(fù)載,如切換電容器組或電容器電源,會(huì)造成類似短路狀態(tài)?？稍诰€路中進(jìn)一步串聯(lián)電 阻或電感,作為限流措施。電機(jī)的開(kāi)啟和關(guān)閉,也會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊電流和電壓。中間繼電器、電磁閥吸合不可靠時(shí)引起的抖動(dòng),以及電容換向式電機(jī)換向時(shí),電容 電壓和電源電壓的疊加會(huì)在SSR兩端產(chǎn)生二倍電源的浪涌電壓。
控制變壓器初級(jí)時(shí),也應(yīng)考慮次級(jí)線路上的瞬態(tài)電壓對(duì)初級(jí)的影響。此外,變壓器也 有可能因?yàn)閮蓚€(gè)方向電流不對(duì)稱,造成飽和引起的浪涌電流異常現(xiàn)象。
上述情況,使SSR在特殊負(fù)載的應(yīng)用,多少變得有點(diǎn)復(fù)雜。可行的辦法,就是通過(guò)示波器去 測(cè)量可能引起的浪涌電流和電壓,從而選用合適的SSR和保護(hù)措施。
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