如何選擇和正確的使用固態(tài)繼電器

1、固態(tài)繼電器的合理選擇

選擇固態(tài)繼電器時，應(yīng)對照應(yīng)用條件，分析研究手冊、詳細規(guī)范和產(chǎn)品技術(shù)性能及參數(shù)，同時應(yīng)該注意到固態(tài)繼電器性能參數(shù)和負載能力受環(huán)境溫度和自身溫度的影響較大，其輸入有極性要求，感性和容性負載時輸出電路容易受尖封電壓和浪涌電流的損害，導(dǎo)通時通態(tài)壓降產(chǎn)生的功率損耗和散熱等。重點處理好這些問題，有助于實現(xiàn)固態(tài)繼電器的科學(xué)利用，使其更具可靠性。

（1）：負載類型、輸出電流和浪涌電流：使用中流過固態(tài)繼電器輸出端的穩(wěn)態(tài)電流不得超過產(chǎn)品詳細規(guī)范的相應(yīng)環(huán)境溫度下的額定輸出電流，可能出現(xiàn)的浪涌電流不得超過繼電器的過負載能力，一般都留有一定的余量。雙向可控硅輸出大多用于阻性負載，單向可控硅反并聯(lián)輸出大多用于感性和容性負載。大多數(shù)負載都可使用“零控”型，但需要調(diào)壓（如調(diào)光）和少數(shù)感性負載（如變壓器）必須使用“隨機控”型

幾乎沒有完全無浪涌的固態(tài)繼電器負載，即使電熱元件，盡管它們是純阻性的，由于具有正的溫度系數(shù)，低溫時電阻較小，因而通常表現(xiàn)為較大的起動電流。如電熱爐接通電流常為穩(wěn)態(tài)電流的1.3-1.4倍，白熾燈接通電流常為穩(wěn)態(tài)電流10倍。鹵鎢燈的浪、涌電流可以高達穩(wěn)態(tài)值的25倍。有些金屬鹵化物燈的開啟過程需10分鐘，在這一過程中，燈及其鎮(zhèn)流器可能表現(xiàn)為容性和感性?？赡馨殡S有高達穩(wěn)定值100倍的電流脈沖。

容性負載具有潛在危險性。因為通電時其最初表現(xiàn)為短路，在充電時會出現(xiàn)很高的浪涌電流，該電流靠電源內(nèi)阻、電路電阻和電路電感來限制。如投切電力電容器不但要考慮浪涌電流，還要考慮“過補”時的過電壓。建議選用本公司生產(chǎn)的電容器投切專用固態(tài)繼電器或SGDF系列復(fù)合固態(tài)繼電器。

感性負載會產(chǎn)生大的浪涌電流，關(guān)斷時又可能產(chǎn)生2倍于電源電壓的過電壓。如交流電磁鐵、接觸器在非激勵狀態(tài)輸入阻抗低、通電時會出現(xiàn)3-4倍于穩(wěn)態(tài)電流的浪涌電流。有飽和剩磁的變壓器，若接通時繼續(xù)向剩磁方向激磁，由于嚴重的磁飽和，在開始的半周會出現(xiàn)幾乎僅由繞阻電阻決定的浪涌電流，它甚至可達穩(wěn)態(tài)電的30倍。交流感應(yīng)電動機起動時的浪涌電流最大值是穩(wěn)態(tài)額定電流的5-7倍，而且其起動時的浪涌電流，從初始的堵轉(zhuǎn)電流逐漸過渡到穩(wěn)態(tài)電流，過渡的持續(xù)時間與電機及負載的慣性關(guān)系很大，可以從十幾個電源周波到幾十秒。所以建議用戶選用固態(tài)繼電器時，應(yīng)先認真分析研究或測試負載的浪涌特性、然后再選擇固態(tài)繼電器。固態(tài)繼電器必須在保證穩(wěn)態(tài)工作的前提下，能夠承受這個浪涌電流。

下面給出考慮負載浪涌電流和固態(tài)繼電器過負載能力后，常溫下各種負載的穩(wěn)壓電流對固態(tài)繼電器額定輸出電流的降額系數(shù)的推薦值。當(dāng)固態(tài)繼電器處于頻繁操作和要求長壽命、高可靠的應(yīng)用場合，還應(yīng)將下表的降額系數(shù)再乘以0.6，并且用耐熱疲勞性能好的加強型固態(tài)繼電器。

直流固態(tài)繼電器只適用于控制直流電源和負載，交流固態(tài)繼電器只適用于控制交流電源和負載。負載電源的電壓不能超過繼電器的額定輸出電壓，也不能低于規(guī)定的最小輸出電壓。使用中，可能加至固態(tài)繼電器輸出端的最大電壓峰值，一定要低于固態(tài)繼電器的瞬態(tài)電壓值。切換交流電感負載、單相電機和三相電機負載，或這些負載電路上電時，固態(tài)繼電器輸出端都可能會出現(xiàn)兩倍于電源電壓峰值的電壓。對此類負載，最好選用額定輸出電壓單相為280Vac、三相為530VaC的交流固態(tài)繼電器。峰值阻斷電壓分別可達800V和1400V。對感性和容性負載，當(dāng)交流固態(tài)繼電器在零電流關(guān)斷時，電源電壓不為零，并且以較大的dv/dt值加至固態(tài)繼電器輸出端。因此應(yīng)選用dv/dt高的繼電器。尤其用于正反轉(zhuǎn)控制的固態(tài)繼電器，應(yīng)選用本公司SGR系列產(chǎn)品。

（3）輸入特性

直流阻性輸入固態(tài)繼電器的輸入電壓一般為4-16Vdc。這種固態(tài)繼電器在輸入電路中串聯(lián)一電阻，電流隨電壓的增加而增加，簡單耐用。在應(yīng)用時，如果控制電壓或電流不合適，可通過控制回路串接電阻的方法來解決，推薦采用。另外是輸入電壓范圍較寬的恒流輸入固態(tài)繼電器，范圍在3-32Vdc。它在輸入端串聯(lián)有恒流源電路，在電壓加大到一定值時電流基本不變。交流輸入多數(shù)使用在無直流電源的場合，注意其開通時有最大40mS的延時。

（4）其它特性

這方面包括分析考慮固態(tài)繼電器的輸出電壓降、輸出漏電流、絕緣耐壓等電氣特性，熱阻、工作于儲存溫度、耐潮濕、氣密性等氣候環(huán)境特性，耐振動、沖擊等機械環(huán)境特性，重量、尺寸、接線端方式等物理特性是否符合使用要求。

采用輸出漏電流來表征固態(tài)繼電器處于關(guān)斷狀態(tài)時同一輸出端之間的絕緣狀態(tài)。不允許用測試電壓高于輸出電壓的儀表測量它們之間的絕緣電阻和介質(zhì)耐壓，也不允許在未規(guī)定的方向上測試漏電流。對于特殊的使用，比如感性、容性負載和頻繁操作，建議選型時與生產(chǎn)廠應(yīng)用工程師聯(lián)系，以取得他們的支持。

2、固態(tài)繼電器的保護

（1）過電流的保護

固態(tài)繼電器是以半導(dǎo)體開關(guān)器件作為功率輸出部件的，對溫度的變化較為敏感，過電流會使半導(dǎo)體芯片過熱而造成品質(zhì)下降，壽命降低甚至永久性損壞。雖然固態(tài)繼電器在瞬間可以承受額定電流10倍以上的浪涌電流，但超過此值很容易造成永久性損壞。因而，過電流的保護是很重要的，過電流的保護方法很多，關(guān)鍵在于反映速度要快。對以可控硅為輸出器件的交流固態(tài)繼電器，由于可控硅需電流過零關(guān)斷的特性則對于在10Ms（50Hz）以內(nèi)超過SSR浪涌電流承受值的浪涌電流和短路電流，一般的保護電路是無效的，應(yīng)考慮采用半導(dǎo)體器件專用的快速熔斷器。熔斷器的標稱熔斷電流不應(yīng)超過SSR的標稱電流值。市售的快速熔斷器種類較多，但質(zhì)量差異較大，請選擇時加以注意。

（2）過電壓的保護

當(dāng)負載為感性或容性時，很可能產(chǎn)生大于固態(tài)繼電器所能承受的瞬態(tài)電壓（阻斷電壓）和電壓上升率（dv/dt）。若保護措施不當(dāng)或響應(yīng)不靈敏，不僅會造成固態(tài)繼電器失控，嚴重時還可能燒毀固態(tài)繼電器或設(shè)備。因此，過電壓的保護是必須的。普遍的應(yīng)用是外加瞬態(tài)抑制（RC吸收）電路和電壓鉗位電路（雙向穩(wěn)壓二極管、壓敏電阻）。本公司在設(shè)計產(chǎn)品時，多數(shù)產(chǎn)品內(nèi)部已加上RC吸收回路或壓敏電阻，能起到一定保護作用，建議用戶在使用時根據(jù)負載的有關(guān)參數(shù)和環(huán)境條件，認真計算和實驗RC回路的選值。若滿足不了，應(yīng)再并聯(lián)一個RC回路和壓敏保護電路。在一般情況下，RC吸收回路可以有效地抑制加至固態(tài)繼電器的瞬態(tài)電壓和電壓指數(shù)上升率（dv/dt），壓敏電阻保護電路可以吸收寬脈沖的過電壓。RC吸收回路的RC值選擇要經(jīng)過計算和驗證。經(jīng)驗的選擇（僅供參考）是電阻在27-150歐姆、功率為2-5瓦之間，電容容量在0.01-1uf、耐壓在250-500VAC之間，（例：R=51歐/2W，C=0.2uF/500VAC）精確值應(yīng)在實驗后確定。注意不要發(fā)生振蕩。壓敏電阻的選擇同樣要經(jīng)過認真的計算和驗證。一般情況下（僅供參考），在220VAC電路里使用標稱470-680V、?12-16的，在380VAC電路里使用標稱780-1000V、?12-16的。

（3）過熱保護

如固態(tài)繼電器過熱，輕則失控，重則造成永久性損壞，建議加裝過熱保護措施，通常的做法是保證固態(tài)繼電器的底板處溫度不超過75-80℃。一般的溫度保護電路就可以達到目的，比較經(jīng)濟實惠的是在散熱器上靠近SSR底板處安裝溫控開關(guān)，溫升達到限定溫度時切斷SSR輸入信號。

固態(tài)繼電器工作時，在其內(nèi)部芯片上存在一定的功率損耗，這個損耗功率主要由固態(tài)繼電器輸出電壓降與負載電流乘積決定，以發(fā)熱的形式消耗掉。因此散熱的好壞直接影響到固態(tài)繼電器工作的可靠性，優(yōu)良的熱學(xué)設(shè)計可避免由于散熱不良造成的失敗和損壞。

一般而言，負載電流小于5A的固態(tài)繼電器，利用空氣對流散熱即可。要求安裝在有良好對流環(huán)境、兩個固態(tài)繼電器間距離大于一個固態(tài)繼電器的寬度。電流大于10A的固態(tài)繼電器應(yīng)加裝散熱器，對于負載電流大于40A的固態(tài)繼電器，根據(jù)設(shè)計體積大小，必要時要使用風(fēng)冷或水冷。

3、固態(tài)繼電器的應(yīng)用熱設(shè)計和散熱器的選擇

固態(tài)繼電器在工作中內(nèi)部存在著一定的功率耗散，這個耗散值主要由輸出電壓降與負載電流乘積決定，以發(fā)熱的形式體現(xiàn)。散熱的好壞直接影響到固態(tài)繼電器的最大負載電流和允許的最高工作環(huán)境溫度值，是影響固態(tài)繼電器可靠工作的重要因素之一。所以，我們應(yīng)重視固態(tài)繼電器的應(yīng)用熱設(shè)計和散熱器的選擇，使固態(tài)繼電器穩(wěn)定可靠的工作，避免由于散熱不良而造成的固態(tài)繼電器的失效和損壞。

一般而言，輸出電流小于5A的固態(tài)繼電器，利用空氣自然對流，足以達到冷卻散熱的目的，但安裝時要有一個良好的對流環(huán)境，固態(tài)繼電器之間的距離不得小于一個固態(tài)繼電器的寬度。

負載電流大于10A的固態(tài)繼電器使用合適的散熱器是必不可少的，必要時還要進行風(fēng)冷（風(fēng)冷風(fēng)速6米/秒）或水冷。良好的散熱條件對于固態(tài)繼電器的可靠工作是十分重要的。產(chǎn)品手冊中一般都會給用戶提供工作電流、通態(tài)壓降和熱阻等參數(shù)，有的還會給出工作電流/耗散功率與環(huán)境溫度/基板溫度曲線，供使用時參考。利用這些參數(shù)就可以計算出所需散熱器的熱阻，再根據(jù)散熱器廠家產(chǎn)品手冊上的熱阻參數(shù)選擇散熱器。
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