直流固態(tài)繼電器的原理及應(yīng)用

祁傳琦　劉培勇　劉巧燕　張文金

摘要：文章闡述了直流固態(tài)繼電器的工作原理、特點以及在設(shè)計時需要注意的一些問題，并以BKL-3080型顆粒包裝機(jī)為例介紹了直流固態(tài)繼電器在工業(yè)控制中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：直流固態(tài)繼電器；顆粒包裝；工作原理

中圖分類號：TM581 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-1145（2009）14-0161-02

固態(tài)繼電器SSR（Solid state releys）是一種無觸點通斷電子開關(guān)，它利用電子元件（如開關(guān)三極管、雙向可控硅等半導(dǎo)體器件）開關(guān)特性，可達(dá)到無觸點無火花地接通和斷開電路的目的，因此又被稱為“無觸點開關(guān)”。固態(tài)繼電器為四端有源器件，其中兩個端子為輸入控制端,另外兩端為輸出受控端，中間采用光電隔離，作為輸入輸出之間電氣隔離（浮空）。在輸入端加上直流或脈沖信號，輸出端就能從關(guān)斷狀態(tài)轉(zhuǎn)變成導(dǎo)通狀態(tài)（無信號時呈阻斷狀態(tài)），從而控制較大負(fù)載。整個器件無可動部件及觸點，可實現(xiàn)相當(dāng)于常用的機(jī)械式電磁繼電器一樣的功能。

一、直流固態(tài)繼電器的工作原理

SSR按使用場合可以分成交流型和直流型兩大類，它們分別在交流或直流電源上做負(fù)載的開關(guān)，兩者不能混用。

固態(tài)繼電器由三部分組成：輸入電路、隔離（耦合）和輸出電路組成。

圖1是直流固態(tài)繼電器的工作原理圖。在輸入控制回路中，電阻R1串接在光電耦合器IC1的輸入端，對發(fā)光二極管LED進(jìn)行限流保護(hù)，發(fā)光二極管LED能對輸入控制信號給予指示，VD1可防止當(dāng)輸入信號正負(fù)極性反接時以保護(hù)光電耦合器IC1。當(dāng)控制端無信號輸入時，光電耦合器IC1中的光敏三極管呈截止高阻狀態(tài)，三極管V1通過電阻R2獲得其基極電流使之飽和導(dǎo)通,從而導(dǎo)致三極管V2、V3、V4均處在截止?fàn)顟B(tài)，使固態(tài)繼電器呈關(guān)斷狀態(tài)。

當(dāng)控制端有信號輸入時，光電耦合器IC1中的光敏三極管導(dǎo)通，使三極管V1呈截止?fàn)顟B(tài)，從而使三極管V2、V3、V4導(dǎo)通，這時固態(tài)繼電器處于接通狀態(tài)，并將電源加至負(fù)載上，直流固態(tài)繼電器的輸出端隨著輸入端信號的加入而導(dǎo)通，隨著輸入信號的消失而關(guān)斷。

另外，大功率低電壓的直流固態(tài)繼電器的輸出開關(guān)普遍采用功率場效應(yīng)管來替代功率三極管，以此來降低輸入功率。

二、直流固態(tài)繼電器的特點

由全固態(tài)電子元件組成，與機(jī)械式電磁繼電器相比，它沒有任何可動的機(jī)械部件，所以它具有一系列機(jī)械直流固態(tài)繼電器成功地實現(xiàn)了弱電（輸入信號）對強(qiáng)電（輸出端負(fù)載電壓）的控制。直流固態(tài)繼電器式電磁繼電器不具備的優(yōu)點：

（1）靈敏度高：固態(tài)繼電器的輸入電壓范圍較寬，驅(qū)動功率低，可與大多數(shù)邏輯集成電路兼容不需加緩沖器或驅(qū)動器，驅(qū)動功率小于30mW。

（2）可靠性高：能在高沖擊振動的環(huán)境下工作，由固態(tài)器件完成觸點的接通和關(guān)斷。

（3）壽命長：無機(jī)械運動部件，是無觸點開關(guān)

（4）轉(zhuǎn)換快：切換速度只有幾毫秒甚至幾微秒

（5）電磁干擾?。汗虘B(tài)繼電器沒有輸入“線圈”，沒有觸點燃弧和回跳，因而減少了電磁干擾。

三、使用直流固態(tài)繼電器時的注意事項

固態(tài)繼電器廣泛應(yīng)用于航天、航海、家電、機(jī)床、通訊、化工、煤礦等工業(yè)自動化等領(lǐng)域，但在使用中需要考慮下述問題。

直流固態(tài)繼電器在使用時應(yīng)注意：

（1）負(fù)載為感性負(fù)載時，如直流電磁閥或電磁鐵，應(yīng)在負(fù)載兩端并聯(lián)一只二極管，極性如圖2所示，二極管的電流應(yīng)等于工作電流，電壓應(yīng)大于工作電壓的4倍。

（2）直流固態(tài)繼電器工作時應(yīng)盡量把它靠近負(fù)載，其輸出引線應(yīng)滿足負(fù)載電流的需要。

（3）在選用小電流規(guī)格印刷電路板使用的固態(tài)繼電器時，因引線端子為高導(dǎo)熱材料制成，焊接時應(yīng)在溫度小于250℃、時間小于10S的條件下進(jìn)行。

（4）固態(tài)繼電器的負(fù)載能力受環(huán)境溫度和自身溫升的影響較大，在安裝使用過程中,應(yīng)保證其有良好的散熱條件，額定工作電流在10A以上的產(chǎn)品應(yīng)配散熱器，100A 以上的產(chǎn)品應(yīng)配散熱器加風(fēng)扇強(qiáng)冷。

（5）在安裝使用時應(yīng)遠(yuǎn)離電磁干擾,射頻干擾源，以防繼電器誤動失控。

（6）應(yīng)考慮“導(dǎo)通電阻”和漏電流對系統(tǒng)的影響。

四、直流固態(tài)繼電器的應(yīng)用實例

直流固態(tài)繼電器在工業(yè)中的一個重要應(yīng)用就是替代傳統(tǒng)的繼電器控制電機(jī)。BKL-3080型顆粒包裝機(jī)用于計量、制袋、充填、封合、打印批號、切斷及計數(shù)等工作，圖3是BKL-3080型顆粒包裝機(jī)的工作原理圖。傳輸切斷是顆粒包裝機(jī)的一個重要功能，當(dāng)走紙速度與切紙速度不一致時，會造成包裝紙切割錯位，從而引起包裝顆粒散落，因此控制走紙速度與切紙速度的一致性是提高顆粒包裝機(jī)性能的關(guān)鍵。BKL-3080型顆粒包裝機(jī)，該功能的工作原理是包裝紙上和切割刀處的光電識別系統(tǒng)發(fā)出的信號通過光電隔離器件后由微處理器經(jīng)實時采集，經(jīng)運算處理后發(fā)出一個加速或減慢的疊加信號（與正常的走紙速度疊加），該修正信號通過固態(tài)繼電器sp2110控制伺服電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，從而修正走紙速度，達(dá)到走紙速度與切紙速度相一致，使包裝紙在正常位置被切割。BKL-3080型顆粒包裝機(jī)現(xiàn)已投入使用，客戶反映良好。

五、結(jié)語

相比傳統(tǒng)的電磁繼電器，固態(tài)繼電器有許多優(yōu)點，并且特別易于實現(xiàn)計算機(jī)的編程控制，使得這種器件成為愈來愈多設(shè)計師的首選。

參考文獻(xiàn)

[1]黃正．淺談固態(tài)繼電器的正確使用[J]．電子質(zhì)量，2000，（7）．

[2]李序葆編．電力電子器件及應(yīng)用[M]．機(jī)械工業(yè)出版社，1996．

作者簡介：祁傳琦（1977- ），女，河南周口人，成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，碩士，研究方向：機(jī)械電子控制技術(shù)教學(xué)與研究。