交流固态继电器在自动控制系统中的应用

0 概述
　　固态继电器（SSR）是一种全部由固态电子元件组成的新型无触点开关器件，它利用电子元件（如开关三极管、双向可控硅等半导体器件）的开关特性，可达到无触点无火花地接通和断开电路的目的，因此又被称为“无触点开关”。它问世于20世纪70年代。由于它的无触点工作特性，使其在许多领域的电控及计算机控制方面得到日益广范的应用。
1 交流固态继电器的结构与工作原理
　　交流固态继电器可分为过零输出和非过零（随机）输出2种类型，下面以过零输出型为例介绍交流固态继电器的结构与工作原理。
　　过零输出型交流固态继电器的内部电路原理图如图1所示。

　　固态继电器由三部分组成：输入电路、隔离（耦合）电路和输出电路。在输入电路控制端加入信号后，IC1光电耦合器内光敏三极管呈导通状态，R1串接电阻对输入信号进行限流，以保证光耦合器不致损坏。LED发光二极管指示输入端控制信号，VD1可防止当输入信号正负极性接反时以保护光耦IC1。
　　V1在线路中起到交流电压检测作用，使固态继电器在电压过零时开启、负载电流过零时关断。当IC1光敏三极管截止时（控制端无信号输入时），V1通过R2获得基极电流使之饱和导通，从而使SCR可控硅门极触发电压被箝在低电位而处于关断状态，最终导致BTA双向可控硅在门极控制端R6上无触发脉冲而处于关断状态。当IC1光敏三极管导通时（控制端有信号输入时），SCR可控硅的工作状态由交流电压零点检测三极管V1来确定其工作状态。如电源电压经R2与R3分压，A处电压大于过零电压（ ）时，V1处于饱和导通状态，SCR、BTA可控硅都处于关断状态。如电源电压经R2与R3分压，A处电压小于过零电压（）时，V1处于截止状态，SCA可控硅通过R4获得触发信号而导通，从而使BTA在R6上也获得触发信号而呈导通状态，对负载电源进行关断控制。如此时控制端信号关断后，负载电流也随之减小至BTA双向可控硅的维持电流时可自行关断，切断负载电源。
　　交流过零型固态继电器，因有其电压过零时开启、负载电流过零时关断的特性，它的最大接通、关断时间是半个电源周期，在负载上可得到一个完整的正弦波形，也相应地减少了对负载的冲击。而在相应的控制回路中产生的射频干扰也大大减少。过零型与随机型的工作波形如图2所示。

2 固态继电器的特点
　　（1）输入控制电压低（3～14 V），驱动电流小（3～15 mA），输入控制电压与TTL、DTL、HTL电平兼容，直流或脉冲电压均能作输入控制电压；
　　（2）输出与输入之间采用光电隔离，可实现在以弱控强的同时，做到强电与弱电完全隔离，两部分之间的安全绝缘电压大于2 kV，符合国际电气标准；
　　（3）输出无触点、无噪音、无火花、开关速度快；
　　（4）输出部分内部一般含有RC过压吸收电路，以防止瞬间过压而损坏固态继电器；
　　（5）有多种规格可选择：输入有电阻限流直流、恒流直流和交流等类型。输出有直流输出方式和交流输出方式。输出额定电压有（220～380 V）交流电压及（30～180 V）直流电压。交流输出中有过零触发型和非过零触发型（随机型）；
　　（6）过零触发型固态继电器对外界的干扰非常小；
　　（7）采用环氧树脂全灌封装，具有防尘、耐湿、寿命长等优点。
3 交流固态继电器在自控系统中的应用实例
（1）多组输出电路
　　多组输出电路如图3所示。当输人为“0”时。三极管BG截止，SSRl、SSR2、SSR3的输入端无输入电压，各自的输出端断开；当输人为“1”时，三极管BG导通，SSRl、SSR2、SSR3的输人端有输入电压，各自的输出端接通，因而达到了由一个输入端口控制多个输出端“通”、“断”的目的。

（2）单刀双掷控制电路
　　单刀双掷控制电路如图4所示。当输人为“0”时，三极管BG截止，SSRl输入端无输入电压，输出端断开，此时A点电压加到SSR2的输入端上（）应使SSR,输出端可靠接通），SSR2的输出端接通。当输人为“1”时，三极管BG导通，SSR。输入端有输入电压，输出端接通，此时A点虽有电压，但的电压值已不能使SSR2的输出端接通而处于断开状态，因而达到了“单刀双掷控制电路”的功能。

　　值得注意的是，选择稳压二极管DW 的稳压值时，应保证在导通的SSR1“+”端的电压不会使SSR2导通，同时又要兼顾到SSR1截止时“+”端的电压能使SSR2导通。
（3）温度控制电路
　　由单片机和交流固态继电器控制的温度控制电路如图5所示。

　　该电路采用周波控制法，调节负载功率而达到调节温度的目的。调功原理为：
设电网连接N个完整的正弦波（周期）为一个控制周期T，则

　　式中f——电网频率，Hz。
　　设在设定的周期T内控制加到SSR输入端的n（n≤N个完整的正弦波周期数，则负载功率

式中 U—— 电网电压有效值；
Rs—负载有效电阻。
　　可见，只要控制在设定周期T内的周波数n，就可调节负载的功率。或者反过来说，可根据不同的功率要求，导算出n，将n转换成时间，作为 的定时设定，每当T0溢出，在中断服务程序中由P1．0来控制SSR的导通和截止，就可在设定的周期 内控制加载到电热器上的定额周期的正弦波，达到调控温度的目的。
（4）单相交流电动机正反转控制电路
　　单相交流电动机的正反转控制电路如图6所示。电路中开关S分别置于“I”、“Ⅱ”位置时，电机分别为正转和反转。图中M为单相交流电动机，RC串联组成外加吸收电路，RV为氧化锌压敏电阻，起过电压保护作用。该电路工作效果的好坏，关键在于AC—SSR额定电压的选取。由电路中运行电容C回路的工作特点可知，当AC—SSR1或AC—SSR2中任何一个关断时，关断SSR输出端的电压约为交流电源电压的2倍。因此在选用SSR额定电压时，应大于电源电压的2倍，换向时间也必须有30ms以上的延时。

（5）计算机控制的三相交流电动机正反转控制电路
　　计算机控制三相交流电动机正反转控制电路如图7所示。图中采用了4个与非门，用2个信号通道分别控制电动机的起动、停止和正转、反转。当改变电动机转动方向时，给出指令信号的顺序应是“停止一反转一起动”或“停止一正转一起动”。延时电路的最小延时不小于1．5个交流电源周期。其中RD。、RD2、RD3为熔断器。当电机允许时，可以在R一R4位置接入限流电阻，以防止当万一两线间的任意2只继电器均误接通时，限制产生的半周线间短路电流不超过继电器所能承受的浪涌电流，从而避免烧毁继电器等事故，确保安全性；但副作用是正常工作时电阻上将产生压降和功耗。该电路建议采用额定电压为66O V或更高一点的SSR产品。