德国皮尓兹PILZ固态继电器的特点和主要参数

德国皮尓兹PILZ固态继电器的特点和主要参数
皮尓兹PILZ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”，它问世于70年代，由于它的无触点工作特性，使其在许多领域的电控及计算 机控制方面得到日益广范的应用。
皮尓兹PILZ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。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。
德国皮尓兹PILZ固态继电器的特点和主要参数
主要参数
皮尓兹PILZ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，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
它是条件下能承受 的稳态阻性负载的zui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zui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zui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*性损坏所允许的zui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。
德国皮尓兹PILZ固态继电器的特点和主要参数
应用电路
1、基本单元电路
如图所示为稳定的 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5b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：
Imov=（Vmax-Vmov）/ZS
其中ZS为负载阻抗、电源阻抗以及线路阻抗之和，Vmax、Vmov分别为zui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5c所示，这时即为常闭式SSR。
2、多功能控制电路
图6a 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6b 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600 V和额定电压为380 V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：
Rx=0.2×VP/IR（Ω）, P=Im2Rx
其中：VP—电源峰值电压（V）；IR—固态继电器额定电流（A）；Im—电机运转电流（A）；P—限流电阻功率（W）
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zui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。

固态继电器的优点
（1）高寿命，高可靠:SSR没有机械零部件，有固体器件完成触点功能，由于没有运动的零部件，因此能在高冲击，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不需加缓冲器或驱动器。
（3）快速转换:固态继电器因为采用固体其间，所以切换速度可从几毫秒至几微妙。
（4）电磁干扰笑: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。
固态继电器的缺点
（1）导通后的管压降大，可控硅或双相控硅的正向降压可达1~2V，大功率晶体管的饱和压浆液灾1~2V之间，一般功率场效应管的导通电祖也较机械触点的接触电阻大。
（2）半导体器件关断后仍可有数微安至数毫安的漏电流，因此不能实现理想的电隔离。
（3）由于管压降大，导通后的功耗和发热量也大，大功率固态继电器的体积远远大于同容量的电磁继电器，成本也较高。
（4）电子元器件的温度特性和电子线路的抗干扰能力较差，耐辐射能力也较差，如不采取有效措施，则工作可靠性低。
（5）固态继电器对过载有较大的敏感性，必须用快速熔断器或RC阻尼电路对其进行过在保护。固态继电器的负载与环境温度明显有关，温度升高，负载能力将迅速下降。
在应用中需要考虑下述问题
1.器件的发热
SSR在导通时,元件将承受P耗=V有€譏有的热耗散功率, 其中V有效值和I有效值分别为饱和压降和工作电流的有效值。此时,需依据实际工作环境条件,严格参照额定工作电流时允许的外壳温升（75℃）,合理选用散 热器尺寸或降低电流使用,否则将因过热引起失控,甚至造成产品损坏。
在线路板上使用,连续负载电流2　3A时,可选用S€?3,S€?4产品,时,可选用S€?08W3封装产品。10A以下,可采用散热条件良好的仪器底板。10A以上,需配散热器。30A以下,采用自然风冷,连续负载电流大于30A时,需采用仪器风扇强制风冷。
2.封装和安装形式
卧式W型、立式L型,体积小适用于印制板直接焊接安装。立式 L2型,既能适合于线路板焊接安装,也能适用于线路板上插接安装。K型及F型,适合散热器及仪器底板安装。大功率SSR（K型和F型封装）安装时,应注意 散热器接触面应平整,并需涂复导热硅脂（先锋T-50）。安装力矩愈大,接触热阻愈小。大电流引出线,需配冷压焊片,以减少引出线接点电阻。
3.输入端驱动
SSR按输入控制方式,可分为电阻型、恒流源和交流输入控制 型。目前主要提供的,是供5V TTL电平用电阻输入型。使用其他控制电压时,可相应选用限流电阻。SSR输入属于电流型器件,当输入端光耦可控硅*导通后（微秒数量级）,触发功率可 控硅导通。当激励不足或斜波式的触发电压,有可能造成功率可控硅处于临界导通边缘,并造成主负载电流流经触发回路引起的损坏。
例如基本性能测 试电路,输入为可调电压源,测试负载用100W灯泡,输入触发信号应为阶跃逻辑电平,强触发方式。国外厂商提供的器件标准电流为10mA,考虑到全温度工 作范围（-40　+70℃）,发光效率稳定和抗干扰能力,推荐*直流触发工作电流在12　25mA之间。
SSR输入端可并联或串联驱动。串联使用时,一个SSR按4V电压考虑,12V电压可驱动3个SSR。
4.干扰问题
SSR产品也是一种干扰源,导通时会通过负载产生辐射或电源 线的射频干扰,干扰程度随负载大小而不同。白炽灯电阻类负载产生的干扰较小,零压型在交流电源的过零区（即零电压）附近导通,因此干扰也较小。减少的方法 是在负载串联电感线圈。另外,信号线与功率线之间,也应避免交叉干扰。
5.过流/过压保护
快速熔断器和空气开关,是通用的过电流保护方法。快速熔断器 可按额定工作电流的1.2倍选择,一般小容量可选用保险丝。特别注意负载短路,是造成SSR产品损坏的主要原因。感性及容性负载,除内部RC电路保护外, 建议采用压敏电阻并联在输出端,作为组合保护。金属氧化锌压敏电阻（MOV）面积大小决定吸收功率,厚度决定保护电压值。
交流220V的SSR,选用 MYH12、430V、　12的压敏电阻;380V选用MYH12、750V压敏电阻;较大容量的电机变压器应选用MYH20、24通流容量大的压敏电 阻。
6.关于负载的考虑
SSR对一般的负载应是没有问题的,但也必须考虑一些特殊的 负载条件,以避免过大的冲击电流和过电压,对器件性能造成不必要的损坏。白炽灯、电炉等类的“冷阻”特性,造成开通瞬间的浪涌电流,超过额定工作电流值数 倍。一般普通型SSR,可按电流值的2/3选用。增强型SSR,可按厂商提供的参数选用。在恶劣条件下的工业控制现场,建议留有足够的电压、电流余量。
     某些类型的灯,在烧断瞬间会出现低阻抗。气化和放电通道以及容性负载,如切换电容器组或电容器电源,会造成类似短路状态。可在线路中进一步串联电 阻或电感,作为限流措施。电机的开启和关闭,也会产生较大的冲击电流和电压。中间继电器、电磁阀吸合不可靠时引起的抖动,以及电容换向式电机换向时,电容 电压和电源电压的叠加会在SSR两端产生二倍电源的浪涌电压。
控制变压器初级时,也应考虑次级线路上的瞬态电压对初级的影响。此外,变压器也 有可能因为两个方向电流不对称,造成饱和引起的浪涌电流异常现象。
上述情况,使SSR在特殊负载的应用,多少变得有点复杂。可行的办法,就是通过示波器去 测量可能引起的浪涌电流和电压,从而选用合适的SSR和保护措施。
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