固態(tài)繼電器輸入電路案例

固態(tài)繼電器是機(jī)電繼電器的半導(dǎo)體等效物，可用于控制電氣負(fù)載而無(wú)需使用移動(dòng)部件

與。

就像普通的機(jī)電繼電器一樣，SSR在輸入和輸出觸點(diǎn)之間提供完全的電氣隔離，其輸出就像傳統(tǒng)的電氣開關(guān)一樣，它在非導(dǎo)通（開路）時(shí)具有非常高的幾乎無(wú)限的電阻，導(dǎo)電（閉合）時(shí)電阻非常低。固態(tài)繼電器可以設(shè)計(jì)為通過(guò)使用SCR，TRIAC或開關(guān)晶體管輸出而不是通常的機(jī)械常開（NO）觸點(diǎn)來(lái)切換AC或DC電流。

固態(tài)繼電器和機(jī)電繼電器基本相似，因?yàn)樗鼈兊牡碗妷狠斎肱c切換和控制負(fù)載的輸出電氣隔離，機(jī)電繼電器的接觸生命周期有限，可占用大量空間并且開關(guān)速度較慢，特別是大功率繼電器和接觸器。固態(tài)繼電器沒(méi)有這樣的限制。

因此固態(tài)繼電器相對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)電繼電器的主要優(yōu)點(diǎn)是它們沒(méi)有移動(dòng)零件磨損，因此沒(méi)有觸點(diǎn)彈跳問(wèn)題，能夠比機(jī)械繼電器電樞可以移動(dòng)更快地“開”和“關(guān)”，以及零電壓開啟和零電流關(guān)閉消除電氣噪聲和瞬態(tài)。

固態(tài)繼電器可以采用標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)成封裝，從幾伏特或幾安培到數(shù)百伏特和安培的輸出切換能力。然而，由于其功率半導(dǎo)體和散熱要求，具有極高額定電流（150A以上）的固態(tài)繼電器仍然太昂貴，因此，仍然使用更便宜的機(jī)電接觸器。

類似于機(jī)電繼電器，可以使用小的輸入電壓（通常為3到32伏DC）來(lái)控制大得多的輸出電壓或電流。例如240V，10Amps。這使得它們成為微控制器，PIC和Arduino接口的理想選擇，因?yàn)榭梢允褂脕?lái)自微控制器或邏輯門的低電流，5伏信號(hào)來(lái)控制特定的電路負(fù)載，這可以通過(guò)使用opto-來(lái)實(shí)現(xiàn)。隔離器。

固態(tài)繼電器輸入

固態(tài)繼電器（SSR）的主要組件之一是光隔離器（也稱為光耦合器），其中包含一個(gè)（或更多） ）紅外發(fā)光二極管，或LED光源，以及單個(gè)外殼內(nèi)的光敏器件。光隔離器將輸入與輸出隔離。

LED光源連接到SSR的輸入驅(qū)動(dòng)部分，并通過(guò)間隙提供光耦合到相鄰的光敏晶體管，達(dá)林頓對(duì)或三端雙向可控硅開關(guān)。當(dāng)電流通過(guò)LED時(shí)，它會(huì)發(fā)光并且其光線會(huì)通過(guò)間隙聚焦到光電晶體管/光電三端雙向可控硅開關(guān)。

因此，光耦合SSR的輸出被“接通”。通常用低壓信號(hào)激勵(lì)這個(gè)LED。由于輸入和輸出之間的唯一連接是光束，因此通過(guò)內(nèi)部光隔離實(shí)現(xiàn)了高壓隔離（通常為幾千伏）。

光隔離器不僅提供了隔離器更高程度的輸入/輸出隔離，它還可以傳輸直流和低頻信號(hào)。此外，LED和光敏器件可以完全相互分離，并通過(guò)光纖進(jìn)行光耦合。

SSR的輸入電路可能只包含一個(gè)串聯(lián)的限流電阻使用光隔離器的LED，或者帶有整流，電流調(diào)節(jié)，反極性保護(hù)，濾波等的更復(fù)雜電路。

激活或打開“銷售狀態(tài)繼電器”導(dǎo)通，必須在其輸入端子（相當(dāng)于機(jī)電繼電器線圈）上施加大于其最小值（通常為3伏直流電壓）的電壓。該DC信號(hào)可以從機(jī)械開關(guān)，邏輯門或微控制器導(dǎo)出，如圖所示。

固態(tài)繼電器直流輸入電路

使用機(jī)械觸點(diǎn)，開關(guān)，按鈕，其他繼電器觸點(diǎn)等作為激活信號(hào)，所用的電源電壓可以等于SSR的最小輸入電壓值，而當(dāng)使用固態(tài)器件如晶體管，柵極和微控制器時(shí)，最小電源電壓需要為1或者比SSR的導(dǎo)通電壓高兩個(gè)電壓，以解決開關(guān)器件的內(nèi)部壓降問(wèn)題。

但是使用直流電壓（無(wú)論是吸收還是源極）來(lái)切換固態(tài)繼電器導(dǎo)通，我們?nèi)鐖D所示，通過(guò)添加用于全波整流的橋式整流器和用于DC輸入的濾波器電路，也可以使用正弦波形。

固態(tài)繼電器AC輸入電路

橋式整流器將正弦電壓轉(zhuǎn)換為輸入頻率兩倍的全波整流脈沖。這里的問(wèn)題是這些電壓脈沖從零伏開始和結(jié)束，這意味著它們將低于SSR輸入閾值的最小導(dǎo)通電壓要求，導(dǎo)致輸出每半個(gè)周期“導(dǎo)通”和“關(guān)閉”。 / p>

為了克服輸出的這種不穩(wěn)定的觸發(fā)，我們可以通過(guò)在橋式整流器的輸出端使用平滑電容器（C1）來(lái)消除整流的紋波。電容器的充電和放電效應(yīng)將使整流信號(hào)的DC分量升高到高于固態(tài)繼電器輸入的最大導(dǎo)通電壓值。然后，即使使用不斷變化的正弦電壓波形，SSR的輸入也會(huì)看到恒定的直流電壓。

降壓電阻R 1 的值和平滑選擇電容器C 1 以適應(yīng)電源電壓，120伏交流電或240伏交流電以及固態(tài)繼電器的輸入阻抗。但是40kΩ和10uF左右的情況就可以了。

然后，通過(guò)添加這個(gè)橋式整流器和平滑電容器電路，可以使用AC或非極化DC電源來(lái)控制標(biāo)準(zhǔn)DC固態(tài)繼電器。當(dāng)然，制造商已經(jīng)生產(chǎn)和銷售AC輸入固態(tài)繼電器（通常為90到280伏AC）。

固態(tài)繼電器輸入

固態(tài)繼電器的輸出切換能力可以可以是AC或DC，類似于其輸入電壓要求。大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)固態(tài)繼電器的輸出電路配置為僅執(zhí)行一種類型的開關(guān)動(dòng)作，相當(dāng)于機(jī)電繼電器的常開，單極，單擲（SPST-NO）操作。

對(duì)于大多數(shù)DC SSR，常用的固態(tài)開關(guān)器件是功率晶體管，達(dá)林頓和MOSFET，而對(duì)于AC SSR，開關(guān)器件是三端雙向可控硅開關(guān)元件或背對(duì)背晶閘管。由于其高電壓和電流能力，晶閘管是優(yōu)選的。如圖所示，單個(gè)晶閘管也可用于橋式整流電路。

固態(tài)繼電器輸出電路

固態(tài)繼電器最常見(jiàn)的應(yīng)用是交流負(fù)載的切換，無(wú)論是控制交流電源進(jìn)行開/關(guān)切換，調(diào)光，電機(jī)速度控制還是其他功率控制應(yīng)用如果需要，可以使用固態(tài)繼電器通過(guò)低電流直流電壓輕松控制這些交流負(fù)載，從而提供長(zhǎng)壽命和高開關(guān)速度。

固態(tài)繼電器相對(duì)于機(jī)電繼電器的最大優(yōu)勢(shì)之一是它能夠在零負(fù)載電流點(diǎn)切換“關(guān)閉”交流負(fù)載，從而完全消除與傳統(tǒng)機(jī)械繼電器和感應(yīng)負(fù)載相關(guān)的電弧，電噪聲和觸點(diǎn)反彈。

這是因?yàn)榻涣鏖_關(guān)固態(tài)繼電器使用SCR和TRIAC作為其輸出開關(guān)裝置，一旦輸入信號(hào)被移除，其繼續(xù)導(dǎo)通，直到流過(guò)裝置的AC電流降至其閾值或保持電流值以下。然后，SSR的輸出永遠(yuǎn)不會(huì)在正弦波峰值的中間關(guān)閉。

零電流關(guān)閉是使用固態(tài)繼電器的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樗梢越档碗娫肼暫捅趁骐妷?。與電感負(fù)載的切換相關(guān)聯(lián)的電動(dòng)勢(shì)，如電機(jī)械繼電器的觸點(diǎn)所示的電弧放電?？紤]下面典型交流固態(tài)繼電器的輸出波形圖。

固態(tài)繼電器輸出波形

在沒(méi)有施加輸入信號(hào)的情況下，沒(méi)有負(fù)載電流流過(guò)SSR，因?yàn)樗鼘?shí)際上是OFF（開路），輸出端子看到完整的AC電源電壓。通過(guò)施加直流輸入信號(hào)，無(wú)論正弦波形的哪一部分，無(wú)論是正周期還是負(fù)周期，由于SSR的零電壓開關(guān)特性，輸出僅在波形交叉時(shí)導(dǎo)通零點(diǎn)。

當(dāng)電源電壓在正向或負(fù)向上增加時(shí)，它達(dá)到使輸出晶閘管或三端雙向可控硅開關(guān)完全導(dǎo)通所需的最小值（通常小于約15伏）。 SSR輸出端子上的電壓降是開關(guān)器件導(dǎo)通電壓降的電壓降，V T （通常小于2伏）。因此，與無(wú)功或燈負(fù)載相關(guān)的任何高浪涌電流都會(huì)大大降低。

當(dāng)直流輸入電壓信號(hào)被消除時(shí)，輸出不會(huì)突然關(guān)閉，因?yàn)橐坏┯|發(fā)導(dǎo)通，使用晶閘管或三端雙向可控硅開關(guān)因?yàn)殚_關(guān)器件在半個(gè)周期的剩余時(shí)間內(nèi)保持接通，直到負(fù)載電流下降到保持電流的器件以下，此時(shí)它關(guān)斷。因此，與正弦波中間的感應(yīng)負(fù)載開關(guān)相關(guān)的高dv / dt反電動(dòng)勢(shì)大大降低。

那么交流固態(tài)繼電器相對(duì)于機(jī)電繼電器的主要優(yōu)點(diǎn)是零交流功能，當(dāng)交流負(fù)載電壓接近零電壓時(shí)接通SSR，從而抑制任何高浪涌電流，因?yàn)樨?fù)載電流總是從接近0V的點(diǎn)開始，并且晶閘管的固有零電流關(guān)斷特性或三端雙向可控硅因此，在半個(gè)周期內(nèi)存在最大可能的關(guān)斷延遲（在移除輸入信號(hào)和去除負(fù)載電流之間）。

相位調(diào)光固態(tài)繼電器

固態(tài)繼電器可以執(zhí)行負(fù)載的直接過(guò)零切換，它們還可以通過(guò)數(shù)字邏輯電路，微處理器和存儲(chǔ)器執(zhí)行更復(fù)雜的功能。固態(tài)繼電器的另一個(gè)出色應(yīng)用是在燈調(diào)光應(yīng)用中，無(wú)論是在家中還是在演出或音樂(lè)會(huì)上。

非零（瞬時(shí)接通）開關(guān)固態(tài)繼電器在接通后立即開啟。施加輸入控制信號(hào)而不是過(guò)零SSR，其上等待直到AC正弦波的下一個(gè)過(guò)零點(diǎn)。這種隨機(jī)點(diǎn)火開關(guān)用于電阻應(yīng)用，例如燈調(diào)光和需要僅在AC周期的一小部分時(shí)通電的應(yīng)用。

隨機(jī)開關(guān)輸出波形

雖然這允許負(fù)載波形的相位控制，但隨機(jī)開啟SSR的主要問(wèn)題是初始負(fù)載浪涌電流在繼電器接通的瞬間，當(dāng)電源電壓接近其峰值（90 o ）時(shí)，由于SSR開關(guān)電源可能會(huì)很高。當(dāng)輸入信號(hào)被移除時(shí)，當(dāng)負(fù)載電流低于保持電流的晶閘管或三端雙向可控硅開關(guān)時(shí)，它會(huì)停止導(dǎo)通，如圖所示。顯然，對(duì)于DC SSR，ON-OFF切換動(dòng)作是即時(shí)的。

固態(tài)繼電器是各種ON / OFF切換應(yīng)用的理想選擇，因?yàn)樗鼈儧](méi)有移動(dòng)與機(jī)電繼電器（EMR）不同的零件或觸點(diǎn)。交流和直流輸入控制信號(hào)以及交流和直流輸出切換有許多不同的商業(yè)類型可供選擇，因?yàn)樗鼈儾捎冒雽?dǎo)體開關(guān)元件，如晶閘管，三端雙向可控硅和晶體管。

但是通過(guò)使用結(jié)合良好的光隔離器和三端雙向可控硅開關(guān)，我們可以制造出價(jià)格低廉且簡(jiǎn)單的固態(tài)繼電器來(lái)控制交流負(fù)載，如加熱器，燈或電磁閥。由于光隔離器僅需要少量輸入/控制功率來(lái)操作，控制信號(hào)可以來(lái)自PIC，Arduino，Raspberry PI或任何其他此類微控制器。

固態(tài)繼電器示例No1

讓我們假設(shè)我們想要一個(gè)只有+5伏的數(shù)字輸出端口信號(hào)的微控制器來(lái)控制120V AC，600瓦的加熱元件。為此，我們可以使用MOC 3020光電三端雙向可控硅隔離器，但內(nèi)部三端雙向可控硅開關(guān)只能在120V交流電源的峰值處通過(guò)1安培峰值的最大電流（I TSM ），因此需要額外的切換還必須使用三端雙向可控硅開關(guān)。

首先考慮MOC 3020光隔離器的輸入特性（其他光電三端雙向可控硅可用）。光隔離器數(shù)據(jù)表告訴我們輸入發(fā)光二極管的正向電壓（V F ）是1.2伏特和最大正向電流，（I F ）是50mA。

LED需要大約10mA才能合理地發(fā)光，最大值達(dá)到50mA。但是，微控制器的數(shù)字輸出端口最多只能提供30mA的電流。然后，所需電流值介于10到30毫安之間。因此：

因此可以使用一個(gè)值為126和380Ω的串聯(lián)限流電阻。由于數(shù)字輸出端口始終切換+5伏特并通過(guò)光耦合器LED降低功耗，我們將選擇240Ω的優(yōu)選電阻值。這使LED的正向電流小于16mA。在這個(gè)例子中，150Ω和330Ω之間的任何優(yōu)選電阻值都可以。

加熱元件負(fù)載為600瓦電阻。使用120V AC電源可以為我們提供5安培的負(fù)載電流（I = P / V）。由于我們想在交流波形的兩個(gè)半周期（所有4個(gè)象限）中控制這個(gè)負(fù)載電流，我們需要一個(gè)電源開關(guān)三端雙向可控硅開關(guān)。

BTA06是一個(gè)6安培（I T（ RMS））600伏特三端雙向可控硅開關(guān)適用于交流負(fù)載的通用開/關(guān)切換，但任何類似的6至8安培額定三端雙向可控硅開關(guān)都可以。此開關(guān)三端雙向可控硅只需50mA的柵極驅(qū)動(dòng)即可開始導(dǎo)通，遠(yuǎn)低于MOC 3020光隔離器的1安培最大額定值。

考慮到光隔離器的輸出三端雙向可控硅開關(guān)已切換在120V RMS AC電源電壓的峰值（90 o ）處導(dǎo)通。該峰值電壓的值為：120x1.414 = 170Vpk。如果光三端雙向可控硅的最大電流（I TSM ）是1安培峰值，那么串聯(lián)電阻所需的最小值是170/1 =170Ω，或180Ω到最接近的優(yōu)選值。這個(gè)180Ω的值將保護(hù)光耦合器輸出三端雙向可控硅開關(guān)，以及120VAC電源上BTA06三端雙向可控硅開關(guān)的柵極。

如果光隔離器的三端雙向可控硅開關(guān)在零交叉值時(shí)接通（ 0 o ）120V RMS AC電源電壓，然后提供所需的50mA柵極驅(qū)動(dòng)電流以迫使開關(guān)三端雙向可控硅開關(guān)導(dǎo)通所需的最小電壓為：180Ωx50mA= 9.0伏。當(dāng)正弦Gate-to-MT1電壓大于9伏時(shí)，三端雙向可控硅觸發(fā)導(dǎo)通。

因此，交流波形零交叉點(diǎn)后所需的最小電壓將為9伏峰值功率該系列柵極電阻的功耗非常小，因此可以安全地使用額定電阻為180Ω，額定功率為0.5瓦的電阻器。考慮下面的電路。

交流固態(tài)繼電器電路

這種類型的光耦合器配置構(gòu)成了非常簡(jiǎn)單的固態(tài)繼電器應(yīng)用的基礎(chǔ)，該應(yīng)用可用于控制任何交流電源供電的負(fù)載，例如燈和電機(jī)。這里我們使用了MOC 3020，它是一個(gè)隨機(jī)切換隔離器。 MOC 3041光電三端雙向可控硅隔離器具有相同的特性，但具有內(nèi)置的過(guò)零檢測(cè)功能，允許負(fù)載在切換感性負(fù)載時(shí)無(wú)需大浪涌電流即可接收全功率。

二極管D 1 防止輸入電壓反向連接造成的損壞，而當(dāng)三端雙向可控硅開關(guān)關(guān)閉時(shí)，56歐姆電阻（R 3 ）分流任何di / dt電流，消除誤觸發(fā)。它還將柵極端子連接到MT1，確保三端雙向可控硅開關(guān)完全關(guān)斷。

如果使用脈沖寬度調(diào)制的PWM輸入信號(hào)，交流負(fù)載的ON / OFF開關(guān)頻率應(yīng)設(shè)置為小于10Hz，否則此固態(tài)繼電器電路的輸出切換可能無(wú)法跟上