固體繼電器電氣系統(tǒng)峰值測試儀研制與應用

劉 超，葉明生

(中國電子科技集團公司第四十研究所，安徽蚌埠，233010)

1 引言

固體繼電器(Solid State Relay，縮寫SSR)是由微電子電路、分立電子器件、電力電子功率器件組成的具有繼電器特性的無觸點開關(guān)，它采用半導體器件替代傳統(tǒng)的電接觸點作為切換裝置，屬于半導體組成的器件，與半導體器件使用特性一樣，都存在耐瞬時系統(tǒng)峰值電壓考核問題。在GJB1515A－2001《固體繼電器總規(guī)范》中，規(guī)定了對固體繼電器進行電氣系統(tǒng)峰值的測試，其目的就是測量固體繼電器輸出端能夠承受的最大迭加的瞬時峰值擊穿電壓。

2 電氣系統(tǒng)峰值試驗要求與方法

電氣系統(tǒng)峰值測試，是指在規(guī)定的環(huán)境條件下，固體繼電器輸入端開路，輸出端呈高阻狀態(tài)，在輸出端的額定輸出電壓之上迭加特定波形和能量的電壓，試驗時間1min(或按詳細規(guī)范規(guī)定的時間)。試驗后，固體繼電器仍符合有關(guān)規(guī)定的要求。

對于固體繼電器的電氣系統(tǒng)峰值測試，GJB1515A －2001《固體繼電器總規(guī)范》3.12.29 條款中要求如下:電氣系統(tǒng)峰值(當規(guī)定時)，固體繼電器按4.7.7.23規(guī)定進行試驗時，應能經(jīng)受規(guī)定的(見3.1)電壓而無損壞。"規(guī)定的(見3.1)電壓"應理解為詳細規(guī)范規(guī)定的電壓，如無規(guī)定，則按GJB1515A －2001《固體繼電器總規(guī)范》4.7.7.23 條款中，峰值最小為600V進行試驗。

在試驗方法上，GJB1515A－2001《固體繼電器總規(guī)范》4.7.7.23條款中，詳細規(guī)定了電氣系統(tǒng)峰值的試驗方法和測試儀器要求如下。

電氣系統(tǒng)峰值(只適用于鑒定和周期檢驗)(僅適用于25℃):

a)按電氣系統(tǒng)峰值試驗電路圖(見圖1)所示，將固體繼電器接入試驗電路;

b)斷開S3，閉合S2，循環(huán)S1，觀察示波器CH1(信道1)(或其它等效儀器)。調(diào)整V1，使觀察到的峰值最小為600V;

c)接通開關(guān)S3，在規(guī)定的(見3.1)時間內(nèi)，以(10±1)次每秒的速率循環(huán)開關(guān)S1;

d)變換V1的極性，重復(b)和(c);

e)完成上述試驗后，測試固體繼電器的輸出漏電流(按 4.7.7.16)，接通時間(按 4.7.7.13)和關(guān)斷時間(按4.7.7.14)。"在規(guī)定的(見3.1)時間內(nèi)"解釋應為詳細規(guī)范規(guī)定的時間，一般規(guī)定為1min。

圖1 電氣系統(tǒng)峰值試驗電路圖

3 電氣系統(tǒng)峰值測試儀的設計

依據(jù)電氣系統(tǒng)峰值試驗要求與方法，電氣系統(tǒng)峰值測試儀的設計應滿足以下技術(shù)指標要求。

a)電氣系統(tǒng)峰值疊加電路，輸出電路以及相互隔離電路，介質(zhì)耐電壓≥1000Va.c.;

b)電氣系統(tǒng)峰值試驗控制定時電路，電子開關(guān)S1循環(huán)速率(10±1)次每秒，脈寬為50ms，負載占空比為50%，循環(huán)定時1min或30min(連續(xù)可調(diào));開關(guān)S1的負載電流不小于1A(見圖1)。

c)0～330V連續(xù)可調(diào)的直流電源V1的極性變換電路。

根據(jù)電氣系統(tǒng)峰值測試技術(shù)指標的要求，我們設計出以下的電氣系統(tǒng)峰值測試儀電路原理圖(見圖2)。其工作原理如下:

利用微處理器(PIC)預置程序，控制U1、U2交替導通，來控制高壓直流固體繼電器SSR1、SSR2的交替導通，實現(xiàn)循環(huán)速率10次/每秒，脈寬為50ms，負載占空比為50%，循環(huán)定時1min或30min(連續(xù)可調(diào))。

SSR1導通，SS2關(guān)斷時，直流電源(0～330V)通過R1對電容C1進行充電;SSR1關(guān)斷，SS2導通時，電容C1放電，在C1、Np間形成阻尼振蕩，產(chǎn)生一個衰減的正弦波，通過空心變壓器T1及電感L1耦合到輸出端。因此，通過SSR1、SS2之間的循環(huán)，按預置的10次/每秒循環(huán)速率周期進行轉(zhuǎn)換時，調(diào)整直流電源(0～330V)的電壓，在SSR的輸出端，我們就可以得到一個需要的一定的電壓值的周期性的衰減的正弦波。

直流電源(0～330V)極性變換，我們通過K1控制電磁繼電器J1的觸點，來實現(xiàn)其直流電源正負極性的變換。

工作開始(或停止)用K2開關(guān)控制，循環(huán)定時1min(或30min連續(xù)可調(diào))用K3開關(guān)控制。

圖2 電氣系統(tǒng)峰值測試儀電路原理圖

元件參數(shù)如下:

C1:2μF，1500Vd.c.;

C2:0.03μF，2000Vd.c.;

C3:10μF，1000Vd.c.;

C4:0.01μF，1000Vd.c.;

R1、R2:100Ω，1W;

R3:1MΩ，0.5W;

S2、S3:KD1;

L1:50 匝，直徑51mm，線徑1.295mm;

T1:空芯變壓器(采用雙線繞制)，直徑51mm，線徑 1.295mm，

Np:20匝，Ns:60匝;

U3:微處理器PIC16F877;

U1、U2:三極管 S8050;

SSR1、SSR2:JG－54F型固體繼電器;

J1:JQX－13F型電磁繼電器;

K1、K2、K3:KD2(250V/2A)。

4 電氣系統(tǒng)峰值測試平臺

要實現(xiàn)對固體繼電器電氣系統(tǒng)峰值的測試，還需配套相關(guān)的儀器，組成電氣系統(tǒng)峰值測試平臺(見圖3)，完成對固體繼電器電氣系統(tǒng)峰值的測試。

a)根據(jù)被試固體繼電器的負載特性，交流負載還是直流負載，配備相應的交流輸入電源(Va.c.)或直流輸入電源(Vd.c.);交流輸入電源為達到準確性，可采用隔離型變壓調(diào)壓器進行精確調(diào)壓;直流輸入電源要符合被試繼電器的參數(shù)要求。

b)直流電源(0～330V連續(xù)可調(diào))，要求直流電源阻抗遠小于R1(100Ω)，滿足R1、C1充電時間常數(shù)的需要。本測試平臺采用的直流電源為:SMD1－350型線性直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源，規(guī)格，電壓:350Vd.c.，電流 1Ad.c.;

c)示波器，本測試平臺采用泰克TDS210型，規(guī)格60MHz、1GS/s示波器;

d)額定負載，本測試平臺采用BX70型滑線式變阻器。

圖3 電氣系統(tǒng)峰值測試平臺組成

5 電氣系統(tǒng)峰值測試平臺的應用

通過電氣系統(tǒng)峰值電路原理研究和設計，我們完成了JC－13型固體繼電器電氣系統(tǒng)峰值測試儀的制造(見圖4)，該測試儀完全按照GJB1515A－2001《固體繼電器總規(guī)范》中的要求制作，電路原理符合GJB1515A－2001中電氣系統(tǒng)峰值試驗電路圖的要求，該測試儀通過檢測中心的檢驗，完全符合GJB1515A－2001軍標要求。

圖4 JC－13型電氣系統(tǒng)峰值測試儀

JC－13型固體繼電器電氣系統(tǒng)峰值測試儀，與配套的電源、示波器等一起組成了電氣系統(tǒng)峰值測試平臺，完成了固體繼電器電氣系統(tǒng)峰值的測試功能。圖5是交流負載型固體繼電器電氣系統(tǒng)峰值測試圖，圖6是直流負載型固體繼電器電氣系統(tǒng)峰值測試圖，圖7是迭加的電氣系統(tǒng)峰值衰減的正弦波形圖。從圖中分析可知，迭加的瞬時最大峰值尖峰脈沖寬度在100微秒左右。

圖5 交流負載型系統(tǒng)峰值測試圖

圖6 直流負載型系統(tǒng)峰值測試圖

圖7 電氣系統(tǒng)峰值衰減的正弦波形圖

［1］ GJB1515A－2001，固體繼電器總規(guī)范，2001.

［2］ 方大千，鮑俏偉.實用電子控制電路［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2003.