固态继电器的特性及不足比较

1.概述

固态继电器（Solid state relays，SSR）是采用固态半导体元件组装而成的一种无触点开关。它利用电子元器件的电、磁和光特性来完成输入与输出的可靠隔离，利用大功率二极管、功率场效应管、单向晶闸管和双向晶闸管等器件的开关特性（P-N结的单向导电性），来达到无触点、无火花地接通和断开被控电路。固态继电器与电磁式继电器相比，是一种没有机械运动，不含运动零件的继电器，但它具有与机电继电器本质上相同的功能。由于固态继电器的接通和断开无机械触点，因而具有控制功率小、开关速度快、工作频率高、使用寿命长、抗干扰能力强和动作可靠等一系列特点，使其在电气的新技术改造中得到了广泛应用。

图1-42a所示为一款典型的固态继电器实物外形图。其驱动器件及其触点的图形符号和文字符号如图1-42b和1-42c所示。

图1-42 固态继电器外形和驱动器件及其触点的图形符号

a）实物 b）驱动器件 c）触点

2.固态继电器的工作原理

固态继电器作为一种无触点通断电子开关的四端口有源器件，其中两个端口为输入控制端，另外两个端口为输出受控端，中间采用光电隔离，作为输入输出之间电气隔离（浮空）。在输入端加上直流或脉冲信号，输出端就能从关断状态转变成导通状态（无信号时呈阻断状态，从而控制较大负载。整个器件无可动部件及触点，可实现相当于常用的机械式电磁继电器一样的功能。光耦合式固态继电器的工作原理图如图1-43所示。

图1-43 光耦合式固态继电器的工作原理图

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作负载的开关，不能混用。

下面以交流型的SSR为例来说明它的工作原理，图1-43是它的工作原理框图，图1-43中的部件VT1、VT2、VD2、VD6～VD9构成交流SSR的主体，从整体上看，SSR只有两个输入端（+和-）及两个输出端（B和C），是一种四端口器件。工作时只要在+、-上加上一定的控制信号，就可以控制B、C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+、-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/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/输出端之间的绝缘（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（VT2）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；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（R₁₀和C）是为防止从电源中传来的尖峰、浪涌（电压）对开关器件双向晶闸管的冲击和干扰（甚至误动作）而设计的，一般是用“RC”串联吸收电路或非线性电阻（压敏电阻器）。

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，其他工作原理相同。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，应在负载两端反向并联一只二极管以吸收电磁能，极性要正确，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。

由于固态继电器是由固体元件组成的无触点开关元件，所以与电磁继电器相比具有工作可靠、寿命长，对外界干扰小，能与逻辑电路兼容、抗干扰能力强、开关速度快和使用方便等一系列优点，因而具有很宽的应用领域，有逐步取代传统电磁继电器之势，并可进一步扩展到传统电磁继电器无法应用的计算机等领域。目前，国内已有北京先锋公司电子厂、上海超诚电子技术研究所、上海中沪电子仪器厂、无锡康裕电气元件厂、无锡天豪电子仪器设备厂、苏州无线电元件一厂等单位生产此类产品。

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V_in时，P型SSR立即导通。当V_in撤销后，负载电流低于双向晶闸管维持电流时（交流换向），SSR关断。(www.xing528.com)

Z型SSR内部包括过零检测电路，在施加输入信号V_in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。

3.固态继电器的种类

固态继电器是四端口器件，共中两端口为输入端，两端口为输出端，中间采用隔离器件，以实现输入与输出之间的隔离。

1）按切换负载性质分，有直流固态继电器和交流固态继电器。

2）按输入与输出之间的隔离分，有光电隔离固态继电器和磁隔离固态继电器。

3）按控制触发信号方式分，有过零型和非过零型、有源触发型和无源触发型。

4.固态继电器的优缺点

固态继电路的主要优点是：

（1）高寿命，高可靠性

SSR由固态器件完成触点功能，但没有机械零部件。由于没有运动的零部件，因此能在高冲击与振动的环境下工作。由于组成固态继电器的元器件的固有特性，决定了固态继电器的寿命长，可靠性高。

（2）灵敏度高，控制功率小，电磁兼容性好

固态继电器的输入电压范围较宽，驱动功率低，可与大多数逻辑集成电路兼容，而不需加缓冲器或驱动器。

（3）转换速度快

固态继电器由于采用固体器件，切换速度可从几毫秒至几微妙。

（4）电磁干扰小

固态继电器没有输入“线圈”，没有触点燃弧和回跳，因而减少了电磁干扰。大多数交流输出固态继电器是一个零电压开关，在零电压处导通，零电流处关断，减少了电流波形的突然中断，从而减少了开关瞬态效应。

尽管固态继电器有众多优点，但与传统的继电器相比，仍有其不足之处。如漏电流大、接触电阻大、触点单一、使用温度范围窄、过载能力差及价格偏高等，在使用中需要有可靠的保护设施。