固态继电器工作原理

固态继电器内容1.固态继电器的介绍2.固态继电器的工作原理1.固态继电器的介绍1.1固态继电器（亦称固体继电器）英文名称为SolidStateRelay，简称SSR。它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。1.2固态继电器可分类。1）交流固态继电器按开关方式分有电压过零导通型（简称过零型）和随机导通型（简称随机型）；2）按输出开关元件分有双向可控硅输出型（普通型）和单向可控硅反并联型（增强型）；3）按安装方式分有印刷线路板上用的针插式（自然冷却，不必带散热器）和固定在金属底板上的装置式（靠散热器冷却）；4）另外输入端又有宽范围输入（DC3－32V）的恒流源型和串电阻限流型等。1.3固态继电器的优缺点1）优点：固态继电器工作可靠，寿命长，无噪声，无火花，无电磁干扰，开关速度快，抗干扰能力强，且体积小，耐冲击，耐振荡，防爆、防潮、防腐蚀、能与逻辑电路兼容，以微小的控制信号达到直接驱动大电流负载。2）缺点:主要不足是存在通态压降（需相应散热措施），有断态漏电流，交直流不能通用，触点组数少，另外过电流、过电压及电压上升率、电流上升率等指标差。1.4固态继电器与普通继电器的区别固态继电器是一种全电子电路组合的元件，它依靠半导体器件和电子元件的电磁和光特性来完成其隔离和继电切换功能。固态继电器与传统的电磁继电器相比，是一种没有机械，不含运动零部件的继电器，但具有与电磁继电器本质上相同的功能。下面以电磁继电器与相应固态继电器比较说明它们的区别:1）结构区别:电磁继电器利用输入电路内电路在电磁铁铁芯与衔铁间产生的吸力作用而工作的;固体继电器用电子元件履行其功能而无机械运动构件，输入和输出是隔离的。电磁继电器固态继电器2）工作方式区别:电磁继电器是利用电磁感应的原理，通过电磁铁的力量来控制电路通断，因此，用直流电接线圈，触点可以通交、直流电;固态继电器依靠半导体器件和电子元件的电、磁和光特性来完成其隔离和继电切换功能，因此，分直流输入-交流输出型、直流输入-直流输出型、交流输入-交流输出型、交流输入-直流输出型。3）工作状态区别:电磁继电器利用衔铁间产生的吸力作用，通、断电路，因此，动作反应慢、有噪声、寿命有限;固态继电器响应快，运行无噪音，寿命长。4）使用环境:温度、湿度、大气压力(海拔高度)、砂尘污染、化学气体和电磁干扰等要素影响中，电磁继电器普遍不如固态继电器。5）电气性能区别:电磁继电器与相应固态继电器比较，前者驱动简单，但功耗大，隔离好，短时过载耐受性好，控制大电流、大功率场合不如后者，控制动作濒繁的电路时，寿命不如后者长。2.固态继电器工作原理2.1常用固态继电器的电路图1）下图是交流固态继电器原理图2）下图是直流固态继电器原理图2.2固态继电器内部电子元器的介绍1）二极管二极管是最常用的电子元件之一，它最大的特性就是单向导电，也就是电流只可以从二极管的一个方向流过，二极管的作用有整流电路，稳压电路，各种调制电路，主要都是由二极管来构成的。晶体二极管为一个由p型半导体和n型半导体形成的p-n结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场当不存在外加电压时，由于p-n结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。N型、P型其实是针对载流子来说的，载流子分为电子和空穴，如果材料以电子载流子导电为主那么就叫N型，如果以空穴载流子导电为主那么就叫P型。因为电子带负电，所以N是negaTIve的缩写;而空穴带正电，所以P是posiTIve的缩写。在PN结两端外加电压，称为给PN结以偏置电压，给PN结加正向偏置电压，即P区接电源正极，N区接电源负极，此时称PN结为正向偏置。反之为反向偏置。2）光电耦合器光电耦合器它是一种以光为主要媒介的光电转换元件，它能够实现由光到电、再由电到光的转化。光电耦合器又叫光电隔离器。它能够对电路中的电信号产生很好的隔离作用，特别是在照明的电路中，它更是能够有效地保护电路和导线，使光信号和电信号互不干扰，各自进行工作，确保了电源和光源各自的正常有序工作，具有较好的电绝缘能力和防干扰能力。光电耦合器主要是由两部分组成，分别是发光源和受光器，这两部分的元件都同时处于一个密闭的空间中，而且彼此之间都是用绝缘的透明壳体隔离。电流工作的方式是以发光源的接线口为输入端，电流从这里进入。以受光器的接线口为输出端，电流从这里输出。当电流进入到发光源中，发光的元件受到电流作用发光，而且光的亮度会因为输入电流的大小而改变。当光照到受光器上，受光器发生反应，电流从这里输出就会成为光电流。光电耦合器主要应用在各种电路中，能够对调节电流的状态，对电路起到一定的保护作用。3）三极管晶体三极管，是半导体基本元器件之一，具有电流放大作用，是电子电路的核心元件。广义上，三极管有多种，常见如下图所示。狭义上，三极管指双极型三极管，是最基础最通用的三极管。三极管是一种电流控制电流的半导体器件·其作用是把微弱信号放大成幅度值较大的电信号，也用作无触点开关。晶体三极管，是半导体基本元器件之一，具有电流放大作用，是电子电路的核心元件。三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结，两个PN结把整块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，排列方式有PNP和NPN两种。三极管工作状态：分别为三种：放大，饱和，截止电流放大：下面的分析仅对于NPN型硅三极管。如上图所示，我们把从基极B流至发射极E的电流叫做基极电流Ib；把从集电极C流至发射极E的电流叫做集电极电流Ic。这两个电流的方向都是流出发射极的，所以发射极E上就用了一个箭头来表示电流的方向。三极管的放大作用就是集电极电流受基极电流的控制（假设电源能够提供给集电极足够大的电流的话），并且基极电流很小的变化，会引起集电极电流很大的变化，且变化满足一定的比例关系：集电极电流的变化量是基极电流变化量的β倍，即电流变化被放大了β倍，所以我们把β叫做三极管的放大倍数（β一般远大于1，例如几十，几百）。如果我们将一个变化的小信号加到基极跟发射极之间，这就会引起基极电流Ib的变化，Ib的变化被放大后，导致了Ic很大的变化。如果集电极电流Ic是流过一个电阻R的，那么根据电压计算公式U=R*I可以算得，这电阻上电压就会发生很大的变化。我们将这个电阻上的电压取出来，就得到了放大后的电压信号了。饱和，截止状态（开关状态）：因为受到电阻Rc的限制（Rc是固定值，那么最大电流为U/Rc，其中U为电源电压），集电极电流是不能无限增加下去的。当基极电流的增大，不能使集电极电流继续增大时，三极管就进入了饱和状态。进入饱和状态之后，三极管的集电极跟发射极之间的电压将很小，可以理解为一个开关闭合了。这样我们就可以拿三极管来当作开关使用：当基极电流为0时，三极管集电极电流为0（这叫做三极管截止），相当于开关断开；当基极电流很大，以至于三极管饱和时，相当于开关闭合。如果三极管主要工作在截止和饱和状态，那么这样的三极管我们一般把它叫做开关管。4）整流桥整流桥就是将整流管封在一个壳内了，分全桥和半桥。全桥是将连接好的桥式整流电路的四个二极管封在一起。半桥是将两个二极管桥式整流的一半封在一起，用两个半桥可组成一个桥式整流电路，一个半桥也可以组成变压器带中心抽头的全波整流电路，选择整流桥要考虑整流电路和工作电压。5)可控硅(SCR:SiliconControlledRectifier)可控硅,又叫晶闸管，是一种半导体功率器件。多用可控整流，逆变，调压等电路，也可以作无触点开关使用。可控硅有三个极----阳极（A）、门极（G）和阴极（K）。管芯是P型导体和N型导体交迭组成的四层结构，共有三个PN结，与只有一个PN结的硅整流二极管在结构上迥然不同。可控硅应用时，只要在控制极（门极）加上很小的电流或电压，就能控制很大的阳极电流或电压。可控硅导通之后即使门极上正向电压撤走，可控硅还会继续导通，只有当阳极A和阴极K之间的正向偏置消失或者阴极电流降到某一值时才会停止。为了能够直观的认识晶闸管的特性，我们来分析下图。补充：如果晶闸管阳极和阴极之间外加的交流电压或者脉冲的直流电压，那么在电压过零时，晶闸管会自行关闭。6)双向晶闸管IAC(TRI-ELECTRODEACSWITCH)为三极交流开关，亦称为双向晶闸管或双向可控硅。TRIAC为三端元件，其三端分别为T1(第二端子或第二阳极)，T2(第一端子或第一阳极)和G(控制极)亦为一闸极控制开关，与SCR最大的不同点在于TRIAC无论于正向或反向电压时皆可导通，其符号构造及外型，如下图所示。因为它是双向元件，所以不管T1,T2的电压极性如何，若闸极有信号加入时，则T1,T2间呈导通状态；反之，加闸极无触发信号，则T1,T2间有极高的阻抗。交流固态继电器工作原理分析交流固态继电器电路采用了过零触发技术，具有电压过零时开启，负裁电流过零时关断的特性，在负载上可以得到一个完整的正弦波形，因此电路的射频干扰很小。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。当有输入信号时，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，VTH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，VTH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。当输入信号关断后GD中的光敏三极管截止，G1饱和导通使VTH门极箝位在低电位而关断，但是此时TR仍保持导通状态，负载上仍有电流流过，直到负载电流随VAC减小到小于双向晶闸管TR的维持电流后才会自行关断，切断负载电源。