定義與描述

SSR定義：固態(tài)繼電器(Solid?State?ReIay，SSR)是一?種通斷控制裝置，它用一個或多個半導(dǎo)體（如功率晶體?管、SCR或三端雙向可控硅開關(guān)）傳導(dǎo)負(fù)載電流。（SCR?和三端雙向可控硅開關(guān)通常稱為“半導(dǎo)體閘流管”，是由?閘流管和晶體管結(jié)合得出的術(shù)語，因為半導(dǎo)體閘流管是觸?發(fā)半導(dǎo)體開關(guān)。）

與所有繼電器一樣，SSR需要相對較低的控制電路能量來?在“通”和“斷”之間切換輸出狀態(tài)。由于該控制能量比?繼電器在滿負(fù)荷下能控制的輸出功率低得多，SSR的?“功率增益”相當(dāng)大，常常比額定輸出相當(dāng)?shù)碾姶攀嚼^電?器(EMR)大很多。換言之，SSR的靈敏度常常比額定輸出?相當(dāng)?shù)?/span>EMR高得多。

SSR的類型：一種簡單的方法是按輸入電路的性質(zhì)，并對?實現(xiàn)輸入輸出隔離的方法進(jìn)行一定的參考來分類SSR。公?認(rèn)的有三個主要類型：

·?舌簧繼電器耦合SSR（見圖1）在這類SSR中，控制信號?被（直接或通過一個前置放大器）加到一只舌簧繼電器的?線圈上。然后，簧片開關(guān)閉合會接通相應(yīng)的電路，從而觸?發(fā)可控硅開關(guān)。顯然，輸入輸出隔離是由舌簧繼電器實現(xiàn)?的，通常隔離度極高。

·?變壓器耦合SSR（見圖2），在這類SSR中，控制信號?（如果為DC，則通過一個DC-AC轉(zhuǎn)換器；如果為AC，則?直接）加到一個低功率小變壓器的初級電壓上，由初級電?壓激發(fā)產(chǎn)生的次級電壓（通過或不通過整流、放大或其它?調(diào)整）用于觸發(fā)可控硅開關(guān)。在這種類型中，輸入輸出隔?離度取決于變壓器的設(shè)計。

·?光耦合SSR（見圖3），在這類SSR中，控制信號施加到?一個光源或紅外光源（通常為發(fā)光二極管，或LED），有?一個光敏半導(dǎo)體（即光敏二極管、光敏晶體管或光敏閘?流管）檢測該光源發(fā)出的輻射。然后用光敏器件的輸出來觸發(fā)（選通）開關(guān)負(fù)載電流的三端雙向可控硅開關(guān)或?SCR。顯然，輸入和輸出之間唯一顯著的“耦合通路”?是光束或紅外輻射，電隔離度極高。這類SSR也稱為“?光學(xué)耦合”或“光隔離”。

除上述主要類型的SSR外，還有一些專用設(shè)計值得一提：

·?直接控制AC型（見圖4），在這類SSR中，用外部接觸器?觸發(fā)三端雙向可控硅開關(guān)（或背對背連接的SCR），外?部接觸器工作在與負(fù)載電路使用同一AC輸電線路供電的?電路中。這種類型也稱為具有一個“開關(guān)閉合”輸入。顯?然，雖然與較復(fù)雜的設(shè)計相比這種繼電器較為簡單，因而?成本較低，但它們具有在控制和負(fù)載電路之間沒有隔離的?巨大缺點(diǎn)（對大多數(shù)應(yīng)用而言）。

·?直接控制DC型（見圖5），在這類SSR中，用外部接觸?器控制晶體管的導(dǎo)通，外部接觸器工作在與負(fù)載電路使用?同一DC輸電線路供電的電路中。這種類型的繼電器可能?是所有類型中最簡單的，因而成本最低，但它們也具有在?控制和負(fù)載電路之間沒有隔離的巨大缺點(diǎn)（對大多數(shù)應(yīng)用?而言）

·?針對DC設(shè)計的SCR型，在這類SSR中，載有負(fù)載電流的?SCR通過接在“整流電路”（如圖6所示的電路）中的第?二個SCR斷開，該SCR通過將第一個SCR的電流瞬間降?到零而將其斷開。

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·?使用特殊隔離方法的設(shè)計，如：

...霍耳效應(yīng)，在這類SSR中，置于SSR外部臨近位置的磁?鐵運(yùn)動引起一種磁場敏感型材料中電阻的變化，從而觸?發(fā)通斷行為。

...振蕩器整定，在這類SSR中，外部信號改變振蕩器的頻?率，從而導(dǎo)致緊密耦合的諧振電路觸發(fā)通斷行為。

...飽和電抗器或磁放大器，在這類SSR中，一個繞組中的?DC控制電流控制另一繞組中的感應(yīng)電壓（來自AC源）?。然后用感應(yīng)電壓觸發(fā)通斷行為。

可以肯定地說：前面所述的三種主要類型（即圖1~3）中?的一種即可以很好地滿足95%以上的所有SSR要求。

輸入電路性能：隔離SSR的靈敏度（即可使SSR接通的最小?控制電壓和電流）取決于隔離器件或電路的特性

·?在混合式（舌簧繼電器隔離）設(shè)計中，SSR的靈敏度由舌?簧繼電器的工作功率要求決定，其工作功率范圍非常寬，?可低至40毫瓦（如5?Vdc，8?mA），可高達(dá)數(shù)百毫瓦。請?注意，低電壓小功率設(shè)計與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字計算機(jī)“邏輯電平”?兼容，數(shù)字計算機(jī)或數(shù)字控制器的標(biāo)準(zhǔn)“高扇出”TTL邏?輯電平輸出可以驅(qū)動兩個或兩個以上并聯(lián)的混合式SSR。

·?在變壓器耦合SSR中，靈敏度通常比混合式高很多，因為?輸入信號只須選通驅(qū)動變壓器的AC-DC轉(zhuǎn)換器（見圖2）?，一般所需的功率小于10?mW（如4.5?v?dc，2?mA），?極少超過50mW。這種靈敏度優(yōu)于任何單一TTL數(shù)字輸出?要求的值，一個高扇出TTL輸出可以驅(qū)動3-10個并聯(lián)的此?類SSR。

·?在光耦合SSR中，靈敏度從6?mW（如3?v?dc，2?mA）到?100?mW。使用合適的串聯(lián)電阻器或穩(wěn)流器，這種輸入電?路也與TTL邏輯電平兼容，高扇出邏輯線路可并聯(lián)驅(qū)動多?個光耦合SSR。

·?大多數(shù)“直接控制”SSR（圖4和圖5）的靈敏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低?于隔離式設(shè)計的靈敏度，但這一事實并不重要，因為要?求的控制功率幾乎總是在甚至最小的控制接觸器的能力?范圍內(nèi)。

SSR的最大斷開電平（電壓和/或電流）是其最小接通電平?的50%左右。這一特點(diǎn)在“通”和“斷”狀態(tài)之間提供了充?足的安全裕度，從而消除了由控制信號的小變化導(dǎo)致的不穩(wěn)?定行為。

在許多SSR設(shè)計中，控制電壓范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最小接通電?壓包含的范圍。在針對寬輸入電壓范圍進(jìn)行了優(yōu)化的設(shè)計?中，SSR額定用在6:1以上的控制電壓范圍（如3.0?V?~?32?V）上的情況并不少見。在混合式設(shè)計中，舌簧繼電器的?線圈可以繞成幾乎用于任何可用的控制電壓，低至3?V標(biāo)稱?值，高達(dá)50?V甚至更高，但混合式SSR可承受的輸入電壓范?圍受繼電器線圈中的耗散影響。一般來說，1.5到1的范圍是?可以接受的。另一方面，可以使用串聯(lián)電阻或一個“恒定電?流”有源輸入電路來使混合式繼電器適應(yīng)較高的輸入電壓。

輸入特性:除考慮靈敏度特性（第124頁）外，我們還必?須介紹SSR的輸入電路隔離特性，這一特性需要考慮許?多不同的參數(shù)，包括：

·?電介質(zhì)強(qiáng)度：用從控制電路到SSR外殼和輸出（負(fù)?載）電路的最小擊穿電壓來確定額定值。從控制電?路到外殼或從控制電路到輸出電路的典型額定值都是?1500?v?ac?(RMS)。

·?絕緣電阻：從控制電路到外殼和輸出電路的絕緣電?阻。對于變壓器型和混合式設(shè)計，典型額定值范圍從?10?MΩ到100,000?MΩ。對于光學(xué)隔離SSR，典型絕?緣電阻范圍1000?~?1,000,000?MΩ。

·?雜散電容：從控制電路到外殼和輸出電路的雜散電?容。到外殼的電容很少是顯著的，但到輸出電路的電?容可將交流和瞬變值反饋到敏感的控制電路，甚至進(jìn)?一步反饋到更遠(yuǎn)的控制信號源。幸運(yùn)的是，在精心設(shè)?計的SSR中，這種電容極少能大到足以引起交互作用?的程度。雜散電容的典型范圍為1?–?10?PF。

本節(jié)后面將講述SSR對控制電壓施加的響應(yīng)速度。

輸出電路性能:顯然，最重要的輸出電路參數(shù)是在“?斷”狀態(tài)下可以加在繼電器輸出電路上不會導(dǎo)致其擊穿?為導(dǎo)通或出故障的最大負(fù)載電路電壓，以及在“通”狀?態(tài)下可以流過輸出電路和負(fù)載的最大電流。

請注意，這些參數(shù)與電磁式繼電器上接觸器的普通額?定電壓和額定電流相似（至少乍一看是這樣）。但?是，EMR額定輸出和SSR額定輸出之間存在差別，我們?將隨著本講解的進(jìn)行在后面詳細(xì)研究這些差別。

在最普通的方法中，我們可以說SSR的“觸點(diǎn)額定值”?幾乎全由負(fù)載電流開關(guān)裝置的特性決定。也許從研究最簡單類型的交流SSR，即直接控制（非隔離）設(shè)計可以?最明顯地反映這個事實，例如最初在圖4中所示，后面?又在圖7中再次呈現(xiàn)并顯示了通斷狀態(tài)下的等效電路的?設(shè)計。在“通”狀態(tài)（圖7b），三端雙向可控硅開關(guān)呈?現(xiàn)出幾乎恒定的壓降（即幾乎與負(fù)載電流無關(guān)），該壓?降約等于兩個硅二極管的壓降?–?小于2?V。負(fù)載電流流過?此壓降導(dǎo)致功率耗散(Pd?=?Vd?x?I負(fù)載)，此功率將導(dǎo)致三?端雙向可控硅開關(guān)結(jié)點(diǎn)中的溫度升高。如果提供了合適?的“散熱”，即從三端雙向可控硅開關(guān)外殼到外面空氣?或到導(dǎo)熱金屬結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)，導(dǎo)熱金屬結(jié)構(gòu)可以再將功?率耗散到周圍空氣中，不會有明顯的升溫，則三端雙向?可控硅開關(guān)的溫度將不會上升到保證可靠運(yùn)行的額定最?大值（一般為100?C）以上。具有充分的散熱時，SSR的?額定電流可以不由功率耗散決定，而由三端雙向可控硅?開關(guān)的額定電流決定。

圖7c顯示了這種非常簡單的SSR在“斷”狀態(tài)的等效電?路。請注意，即使當(dāng)三端雙向可控硅開關(guān)被切斷時，也?會有非常少量的漏電流流過。該電流電路在等效電路中?用電阻表示，實際上是負(fù)載電路電壓的非線性函數(shù)。在?確定三端雙向可控硅開關(guān)的額定值時，通常習(xí)慣做法是?為這一“切斷狀態(tài)漏電流”規(guī)定一個最壞情況下的最大?值，對于5?A的負(fù)載額定電流，典型值為最大0.001?A。?負(fù)載電路電壓的額定值較簡單，由晶閘管的阻斷電壓額?定值決定。

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更常用的隔離SSR（大多設(shè)計用于控制交流負(fù)載電路）?的輸出電路額定值的確定與上述方法非常相似，只是“?切斷狀態(tài)漏電流”通常更高一些，對于一個5?A的裝置，?在140?V時漏電流約為5?mA，仍然只是額定負(fù)載電流的?千分之一左右。圖7顯示了一個用三端雙向可控硅開關(guān)控?制的SSR設(shè)計的等效電路，圖8顯示了負(fù)載電路中的電流?波形，都分別顯示了“斷”狀態(tài)和“通”狀態(tài)的情況。?請注意，“通”狀態(tài)壓降曲線的刻度范圍比“斷”狀態(tài)?和負(fù)載電壓曲線寬得多。

即使在我們研究SSR性能的早期階段，也有必要考慮控?制信號和交流負(fù)載電路電壓和電流之間的時間關(guān)系。

至于定時，有兩種類型的開關(guān)SSR。其中一種沒有采取?特殊的措施來在負(fù)載電路-電源線路交變與可控硅開關(guān)?接通之間實現(xiàn)同步。在這類“非同步”開關(guān)SSR中，?控制電壓的施加和負(fù)載電路開始導(dǎo)通之間的響應(yīng)延時?非常短，在光耦合和變壓器耦合SSR上一般從20μS到?200μS，在混合式SSR上小于1mS（因舌簧式繼電器的?操作時間而較長一些）。在非同步設(shè)計中，“通”狀態(tài)?的電流波形顯然是交流循環(huán)中施加控制信號時的函數(shù)，?如圖9a所示。

在同步（零電壓接通）設(shè)計中，施加控制信號的效果被?延遲（如果需要），直到電源線路電壓通過零點(diǎn)（見圖?9b）。（這是由內(nèi)部選通電路完成的，該電路感應(yīng)線路?電壓的量值，并在發(fā)生下一次零值跨越前阻止觸發(fā)半導(dǎo)?體閘流管。）?因此，如果恰好在跨越零值后立即施加控?制信號，SSR實際上將不開始導(dǎo)通，直到幾乎完整的半?個周期后才導(dǎo)通。另一方面，如果恰好在剛要跨越零值?前施加控制信號，SSR將幾乎立即導(dǎo)通，只有很小的接?通延遲（上面針對非同步設(shè)計所述）。那么，很明顯，?同步SSR的接通延遲可以是任何值，從小于一毫秒到電源線路的完整半個周期（對于60?Hz電源線路，約為8.3?毫秒）。通常，對于60?Hz的供電線，所有固態(tài)設(shè)計的額?定延遲的最大值給定為8.3毫秒，混合式設(shè)計最大值給定?為1.5毫秒。

AC開關(guān)SSR的最后一個主要特性是切斷行為。由于半導(dǎo)?體閘流管在一旦觸發(fā)時并不立即停止導(dǎo)通，直到流過它?的負(fù)載電流降為零時才停止導(dǎo)通，最大可能切斷延遲（?控制信號撤消和負(fù)載電流停止之間）為半個周期。與接?通時的情況一樣，最小切斷延遲接近于零。因此，典型?60?Hz線路切斷時間額定值為最大9毫秒。

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