什么是固态继电器？(3)--固态继电器的工作原理

§6。固态继电器的工作原理是什么

由于应用环境不同，固态继电器的内部组件略有不同，但工作原理相似。普通固态继电器的内部等效电路图如下图所示（图6.1）。固态继电器的原理可以简单地描述为：对于NO-SSR，当适当的 控制信号时 如果将其应用于固态继电器的输入端子（IN），则输出端子（OUT）将从关闭状态切换到打开状态；如果取消控制信号，则输出端子（OUT）将恢复为关闭状态。在该过程中，固态继电器实现了与输出端子连接的负载电源的开关状态的非接触式控制。应当注意，输入端子只能连接到控制信号，而负载只能连接到输出电路。

根据负载的类型，SSR可以分为两种类型：DC固态继电器（DC-SSR）和AC固态继电器（AC-SSR）。DC-SSR充当直流电源上的负载开关，而AC-SSR充当交流电源上的负载开关。它们彼此不兼容并且不能混合。

  1）DC固态继电器（图6.1，左），其控制信号电压从输入端子（IN）输入，然后控制信号通过光电耦合器耦合到接收电路，最终信号被放大放大器驱动晶体管的开关状态。显然，直流固态继电器的输出端子（OUT）分为正极端子（+极）和负极端子（-极），将DC SSR继电器的输出端子连接到受控电路时请注意不要出错。 。

  2）AC固态继电器（图6.1，右）用于控制AC负载电路的ON / OFF状态。与DC固态继电器不同，AC SSR继电器使用双向晶闸管（Triac）或其他AC电子开关组件。因此，AC固态继电器的输出端子（OUT）中没有正/负端子。

零交叉交流固态继电器的工作原理

由于过零交流固态继电器比其他类型的固态继电器更完整，更典型，因此交流过零SSR继电器的操作细节可以帮助说明SSR继电器的完整工作原理：

1.各部分的功能：

以下是交流过零SSR的表示（图6.2）。框图中的A〜E电路构成了零交叉AC SSR的主体。总体而言，SSR继电器是一个四端子负载开关，只有两个输入端子（③和④）和两个输出端子（①和②）。当交流零交叉SSR继电器工作时，只要在③和④端子上加上一定的控制信号，就可以控制①和②端子之间的回路的ON / OFF状态。

该 耦合电路A 用于为连接到③和④端子的控制设备提供I / O通道，并电气切断SSR的输入端子和输出端子之间的连接，以防止输出电路干扰输入电路。耦合电路中最常用的组件是光耦合器，它具有高动作灵敏度，高响应速度以及输入和输出端子之间的高介电强度（耐电压）。由于光电耦合器的输入负载是发光二极管（LED），因此使得固态继电器的输入值易于与控制设备的输入信号电平匹配，并且可以连接输入端子SSR的继电器直接连接到计算机输出接口，即

触发电路B 的功能是产生合适的触发信号以驱动 开关电路D 工作。但是，如果不添加任何特殊的控制电路，则开关电路将产生射频干扰（RFI），射频干扰将通过较高的谐波和尖峰污染电网，因此，过 零检测器电路C 专门用于解决此问题。 。

该 缓冲电路E 是为了防止尖峰，从造成的影响和干扰（甚至误动作），开关晶体管的电源浪涌。通常， RC电路 （电阻电容电路或RC滤波器或RC网络）或 非线性 电阻（如压敏电阻）用作 缓冲电路 。所述 压敏电阻 ，也被称为电压相关电阻器（VDR），是一种电子元件，其电阻值与所施加的电压非线性地变化，和变阻器的最常见的类型是 金属氧化物变阻器 （MOV），例如 氧化锌非线性电阻 （ ZNR）。

2.每个组件的功能：

下图是过零触发类型AC-SSR的内部示意图（图6.3）

R1 是限流电阻，可限制输入信号电流并确保光耦合器不会损坏。 LED 用于显示输入控制信号的输入状态。该 二极管 VD1 用于防止光电耦合器从当被损坏 正 和 负极 输入信号的反转。光耦合器 OPT 将输入和输出电路电隔离。三极管 M1 用作反相器，并与晶闸管 SCR 构成过零检测电路同时，SCR晶闸管的工作状态由交流零电压检测晶体管M1确定。 VD2〜VD4 形成全波整流桥（或全波二极管桥） UR 。可以从SCR和UR获得用于开启双向可控硅 BCR的 双向触发脉冲。 R6 是用于保护BCR 的 并联电阻 。 R7 和 C1 组成一个电涌吸收网络，以吸收电源中的 尖峰电压 或电涌电流，以防止对开关电路造成冲击或干扰。 逆转录 是一种热敏电阻，用作过热保护器，可防止由于温度过高而损坏固态继电器。 VDR 是一个压敏电阻，用作限压设备，可钳位电压并吸收过量电流，以在输出电路过压时保护固态继电器。

3.工作过程：

交流过零固态继电器具有电压过零时接通和负载电流过零时断开的特性。

当光耦合器OPT关断时（即OPT的控制端没有输入信号），M1饱和并通过从R2获得基极电流而导通，因此，MPT的栅极触发电压（UGT）晶闸管SCR钳位到低电位并关闭。因此，三端双向可控硅开关元件BCR处于截止状态，因为在栅极控制端子R6上没有触发脉冲。

当在固态继电器的输入端子上施加输入控制信号时，光电晶体管OPT导通（即，OPT的控制端子具有输入信号）。将电源电压除以R2和R3后，如果A点的电压大于M1的过零电压（即VA> VBE1），则M1将处于 饱和导通状态 ，SCR和BCR晶闸管都将处于关闭状态。如果A点的电压小于M1的过零电压（即VA
通过以上过程，可以理解，M1被用作AC电压检测器，以在负载电压为零时接通固态继电器，而在负载电流为零时关闭固态继电器。并且由于过零检测器的功能，相应地减小了负载电路对负载的影响，并且还大大减小了在控制回路中产生的射频干扰。

4.零交叉的定义：

这里需要说明什么是零交叉。在交流电中，零交叉点是不存在电压的瞬时点，即交流波形的正半周和负半周之间的结。在交流电的每个周期中，通常会有两个零交叉。如果电源在过零的瞬间切换，则不会产生电气干扰。当输入端子连接到控制信号并且输出交流电压过零时，交流固态继电器（配备过零控制电路）将处于导通状态。相反，当控制信号关闭时，SSR处于OFF状态，直到下一个零交叉为止。

此外，应该指出的是，固态继电器的过零实际上并不意味着电源电压波形为零伏。图6.5是交流电压正弦波的一部分。根据交流开关组件的特性，图中的交流电压分为三个区域，分别对应于SSR输出电路的三种状态。U1和U2分别代表开关元件的 阈值电压 和 饱和电压 。

  1） 区域Ⅰ 是 死区 （截止区，切除区或截止区），电压范围的绝对值为0〜U1。并且在该区域中，即使添加了输入信号，也无法打开SSR开关。

  2） Ⅱ区 是 响应区 （有源区，切入区，切入区或接通区），电压范围的绝对值为U1〜U2。在此区域中，一旦添加了输入信号，SSR即会立即打开，并且输出电压会随着电源电压的增加而增加。

  3） 区域Ⅲ 是电压范围的绝对值大于U2 的 抑制区域 （饱和区域）。在该区域中，开关元件（晶闸管）处于饱和状态。并且固态继电器的输出电压将不再随着电源电压的增加而增加，而是电流随着电压的增加而增加，这可以看作是固态输出电路的内部短路状态继电器，即固态继电器作为电子开关处于“接通”状态。

图6.6显示了过零固态继电器的 I / O波形 。并且由于晶闸管的特性，在输出端子的电压达到阈值电压（或触发电路的触发电压）之后，固态继电器将处于导通状态。然后，固态继电器在达到饱和电压后将处于实际导通状态，同时会产生非常低 的导通状态压降 。如果输入信号关闭，则当负载电流降至晶闸管的保持电流以下或下一个交流换向点以下时（即，SSR继电器关闭后负载电流首次通过零），固态继电器将被关闭。 ）。