交流固態繼電器在自動控制系統中的應用

0 概述
　　固態繼電器（SSR）是一種全部由固態電子元件組成的新型無觸點開關器件，它利用電子元件（如開關三極管、雙向可控硅等半導體器件）的開關特性，可達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”。它問世于20世紀70年代。由于它的無觸點工作特性，使其在許多領域的電控及計算機控制方面得到日益廣范的應用。
1 交流固態繼電器的結構與工作原理
　　交流固態繼電器可分為過零輸出和非過零（隨機）輸出2種類型，下面以過零輸出型為例介紹交流固態繼電器的結構與工作原理。
　　過零輸出型交流固態繼電器的內部電路原理圖如圖1所示。

　　固態繼電器由三部分組成：輸入電路、隔離（耦合）電路和輸出電路。在輸入電路控制端加入信號后，IC1光電耦合器內光敏三極管呈導通狀態，R1串接電阻對輸入信號進行限流，以保證光耦合器不致損壞。LED發光二極管指示輸入端控制信號，VD1可防止當輸入信號正負極性接反時以保護光耦IC1。
　　V1在線路中起到交流電壓檢測作用，使固態繼電器在電壓過零時開啟、負載電流過零時關斷。當IC1光敏三極管截止時（控制端無信號輸入時），V1通過R2獲得基極電流使之飽和導通，從而使SCR可控硅門極觸發電壓被箝在低電位而處于關斷狀態，最終導致BTA雙向可控硅在門極控制端R6上無觸發脈沖而處于關斷狀態。當IC1光敏三極管導通時（控制端有信號輸入時），SCR可控硅的工作狀態由交流電壓零點檢測三極管V1來確定其工作狀態。如電源電壓經R2與R3分壓，A處電壓大于過零電壓（ ）時，V1處于飽和導通狀態，SCR、BTA可控硅都處于關斷狀態。如電源電壓經R2與R3分壓，A處電壓小于過零電壓（）時，V1處于截止狀態，SCA可控硅通過R4獲得觸發信號而導通，從而使BTA在R6上也獲得觸發信號而呈導通狀態，對負載電源進行關斷控制。如此時控制端信號關斷后，負載電流也隨之減小至BTA雙向可控硅的維持電流時可自行關斷，切斷負載電源。
　　交流過零型固態繼電器，因有其電壓過零時開啟、負載電流過零時關斷的特性，它的最大接通、關斷時間是半個電源周期，在負載上可得到一個完整的正弦波形，也相應地減少了對負載的沖擊。而在相應的控制回路中產生的射頻干擾也大大減少。過零型與隨機型的工作波形如圖2所示。

2 固態繼電器的特點
　　（1）輸入控制電壓低（3～14 V），驅動電流小（3～15 mA），輸入控制電壓與TTL、DTL、HTL電平兼容，直流或脈沖電壓均能作輸入控制電壓；
　　（2）輸出與輸入之間采用光電隔離，可實現在以弱控強的同時，做到強電與弱電完全隔離，兩部分之間的安全絕緣電壓大于2 kV，符合國際電氣標準；
　　（3）輸出無觸點、無噪音、無火花、開關速度快；
　　（4）輸出部分內部一般含有RC過壓吸收電路，以防止瞬間過壓而損壞固態繼電器；
　　（5）有多種規格可選擇：輸入有電阻限流直流、恒流直流和交流等類型。輸出有直流輸出方式和交流輸出方式。輸出額定電壓有（220～380 V）交流電壓及（30～180 V）直流電壓。交流輸出中有過零觸發型和非過零觸發型（隨機型）；
　　（6）過零觸發型固態繼電器對外界的干擾非常小；
　　（7）采用環氧樹脂全灌封裝，具有防塵、耐濕、壽命長等優點。
3 交流固態繼電器在自控系統中的應用實例
（1）多組輸出電路
　　多組輸出電路如圖3所示。當輸人為“0”時。三極管BG截止，SSRl、SSR2、SSR3的輸入端無輸入電壓，各自的輸出端斷開；當輸人為“1”時，三極管BG導通，SSRl、SSR2、SSR3的輸人端有輸入電壓，各自的輸出端接通，因而達到了由一個輸入端口控制多個輸出端“通”、“斷”的目的。

（2）單刀雙擲控制電路
　　單刀雙擲控制電路如圖4所示。當輸人為“0”時，三極管BG截止，SSRl輸入端無輸入電壓，輸出端斷開，此時A點電壓加到SSR2的輸入端上（）應使SSR,輸出端可靠接通），SSR2的輸出端接通。當輸人為“1”時，三極管BG導通，SSR。輸入端有輸入電壓，輸出端接通，此時A點雖有電壓，但的電壓值已不能使SSR2的輸出端接通而處于斷開狀態，因而達到了“單刀雙擲控制電路”的功能。

　　值得注意的是，選擇穩壓二極管DW 的穩壓值時，應保證在導通的SSR1“+”端的電壓不會使SSR2導通，同時又要兼顧到SSR1截止時“+”端的電壓能使SSR2導通。
（3）溫度控制電路
　　由單片機和交流固態繼電器控制的溫度控制電路如圖5所示。

　　該電路采用周波控制法，調節負載功率而達到調節溫度的目的。調功原理為：
設電網連接N個完整的正弦波（周期）為一個控制周期T，則

　　式中f——電網頻率，Hz。
　　設在設定的周期T內控制加到SSR輸入端的n（n≤N個完整的正弦波周期數，則負載功率

式中 U—— 電網電壓有效值；
Rs—負載有效電阻。
　　可見，只要控制在設定周期T內的周波數n，就可調節負載的功率。或者反過來說，可根據不同的功率要求，導算出n，將n轉換成時間，作為 的定時設定，每當T0溢出，在中斷服務程序中由P1．0來控制SSR的導通和截止，就可在設定的周期 內控制加載到電熱器上的定額周期的正弦波，達到調控溫度的目的。
（4）單相交流電動機正反轉控制電路
　　單相交流電動機的正反轉控制電路如圖6所示。電路中開關S分別置于“I”、“Ⅱ”位置時，電機分別為正轉和反轉。圖中M為單相交流電動機，RC串聯組成外加吸收電路，RV為氧化鋅壓敏電阻，起過電壓保護作用。該電路工作效果的好壞，關鍵在于AC—SSR額定電壓的選取。由電路中運行電容C回路的工作特點可知，當AC—SSR1或AC—SSR2中任何一個關斷時，關斷SSR輸出端的電壓約為交流電源電壓的2倍。因此在選用SSR額定電壓時，應大于電源電壓的2倍，換向時間也必須有30ms以上的延時。

（5）計算機控制的三相交流電動機正反轉控制電路
　　計算機控制三相交流電動機正反轉控制電路如圖7所示。圖中采用了4個與非門，用2個信號通道分別控制電動機的起動、停止和正轉、反轉。當改變電動機轉動方向時，給出指令信號的順序應是“停止一反轉一起動”或“停止一正轉一起動”。延時電路的最小延時不小于1．5個交流電源周期。其中RD。、RD2、RD3為熔斷器。當電機允許時，可以在R一R4位置接入限流電阻，以防止當萬一兩線間的任意2只繼電器均誤接通時，限制產生的半周線間短路電流不超過繼電器所能承受的浪涌電流，從而避免燒毀繼電器等事故，確保安全性；但副作用是正常工作時電阻上將產生壓降和功耗。該電路建議采用額定電壓為66O V或更高一點的SSR產品。