固态继电器的基础知识

固态继电器（SSR）是由微电子电路、分立电子器件和电力电子功率器件组成的非接触式开关。隔离装置用于实现控制端与负载端之间的隔离。固态继电器的输入端使用微小的控制信号直接驱动大电流负载。

固态继电器是一种由固态电子元件组成的新型非接触式开关器件，可以以较小的控制信号驱动大电流负载。它利用电子元件（如开关晶体管、三端双向可控硅等半导体器件）的开关特性，可以达到无接触和火花的导通和断开电路的目的，因此也称为“非接触开关”。固态继电器是四端有源器件，其中两个是输入控制端子，另外两个端子是输出控制端子。它兼具放大和驱动功能和隔离功能，非常适合驱动大功率开关执行器。与电磁继电器相比，固态继电器具有以下优点：可靠性高、无接触、无火花、寿命长、开关速度快、抗干扰能力强、体积小。广泛应用于数控机床、远程控制系统、工业自动化设备、化工、医疗设备、安防系统等。

一、固态继电器工作原理

固态继电器是如何工作的？固态继电器按应用可分为交流固态继电器和直流固态继电器。现在以交流固态继电器为例，说明SSR的工作原理。如图1所示，它是交流SSR工作原理图。SSR只有1个输入端子（A&B）和0个输出端子（C&D），是一个四端子有源器件。

工作时，只要在A和B上加入一定的控制信号，就可以控制C和D两端之间的“开”和“关”，可以实现“开关”的功能。耦合电路的功能是为来自A和B端子的输入控制信号提供输入/输出端子之间的通道，但在SSR中电气断开输入端子和输出端子之间的（电气）连接，以防止输出端子影响输入端子。耦合电路中使用的元件是“光耦合器”，它灵敏，响应速度高，输入和输出端子之间具有高绝缘（耐压）水平。由于输入端的负载是发光二极管，这使得SSR的输入端易于匹配输入信号电平，并且在使用时可以直接连接到计算机输出接口，由逻辑电平“1”和“0”控制。触发电路的作用是产生符合要求的触发信号，以驱动开关电路（4）工作，但由于开关电路没有添加特殊的控制电路，会产生射频干扰，污染电网的高谐波或尖峰。因此，设计了“过零控制电路”。所谓“过零”是指当增加控制信号，交流电压过零时，SSR处于导通状态;当控制信号断开时，SSR等待交流电的正半周期和负半周期的交点，SSR处于关断状态。这种设计可以防止高次谐波干扰和对电网的污染。吸收电路旨在防止开关器件三端双向可控硅受到电源尖峰和浪涌（电压）的影响和干扰（甚至故障）。通常，使用“RC”系列吸收电路或非线性电阻（压敏电阻）。与交流SSR相比，直流SSR内部没有过零控制电路和缓冲电路，开关元件通常采用大功率晶体管。此外，其他工作原则也是一样的。

固态继电器的输入输出电路可以通过两种方式进行隔离和耦合：光电耦合和变压器耦合。光电耦合通常采用光电二极管-光电晶体管、光电二极管-双向光控晶闸管、光伏电池实现控制侧和负载侧隔离控制;高频变压器耦合是将输入控制信号产生的自激高频信号耦合到次级，经逻辑电路检测整流，处理形成驱动信号。

SSR根据使用场合可分为交流型和直流型。它们用作交流或直流电源上的负载开关，不能混合使用。

SSR的电源开关直接连接到电源和负载侧，实现负载电源的开关。主要采用大功率晶体管、单向晶闸管（晶闸管或SCR）、双向晶闸管（可控硅）、功率场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）。固态继电器的输出电路也可分为直流输出电路、交流输出电路和AC/DC输出电路。按负载类型可分为直流固态继电器和交流固态继电器。直流输出可使用双极器件或功率场效应管，交流输出通常采用两个晶闸管或一个双向晶闸管。交流固态继电器可分为单相交流固态继电器和三相交流固态继电器。交流固态继电器按开启和关闭的时间可分为随机交流固态继电器和过零交流固态继电器。

二、固态继电器特性、优点及特点

固态继电器的特性：

1.SSR没有内部机械元件，结构中全密封灌注。因此，SSR具有抗振、耐腐蚀、寿命长、可靠性高等优点。

2.低噪音。交流SSR采用过零触发技术，从而有效降低了线路上的电压上升率dv/dt和电流上升率di/dt，使SSR在长期工作中对电源的干扰最小。

3.开关时间短，因此SSR可用于高频应用。

4.输入电路和输出电路之间采用光电隔离，绝缘电压大于2500V。

5.低输入功耗，兼容TTL和COMS电路。

6.保护电路设置在输出端子中。

7.高负载能力。

固态继电器的优点：

高寿命，高可靠：在高冲击、振动的环境下工作，由于组成固态继电器的元器件的固有特性，决定了固态继电器的寿命长，可靠性高。

灵敏度高，控制功率小、电磁兼容性强：固态继电器的输入电压范围较宽，驱动功率低，可与大多数逻辑集成电路兼容不需加缓冲器或驱动器。

快速转换：采用固体其间，切换速度可从几毫秒至几微妙。

电磁干扰小：固态继电器没有输入"线圈"，没有触点燃弧和回跳，因而减少了电磁干扰。

固态继电器的缺点：

抗干扰能力与耐辐射能力较差、工作可靠性低。

不能实现理想的电隔离。

大功率固态继电器的体积较大，成本较高。

固态继电器对过载有较大的敏感性，其负载能力随温度升高而迅速下降。

三、固态光耦继电器APH2223（国产替代系列）

这是一颗型号为APH2223的光耦固态继电器，它是松下的一款可控硅输出固态继电器。它是拥有0.9A的最大负载电流、600V的最大负载电压、随机切换类型、8引脚贴片封装的交流负载控制开关。如图。

这是它的原理图。第2引脚为输入的正极，第1、3、4引脚在芯片内部互通，引出为输入的负极。第8引脚与5、6引脚之间分别连接一只双向可控硅，构成了芯片的输出。

一般使用第6引脚配合第8引脚连接负载即可。如图：

APH2223在结构上，就是将一只发光二极管与两只光敏双向可控硅封装在一起。如图：

探究一下光敏双向可控硅的作用：这是二极管，它可以很轻松地将交流电整流为脉动直流电，如图5。但是何时导通何时截止却无法控制。

改变内部结构，再引出一个控制极G。这时就可以通过这只引脚来控制器件的导通与关断了。这就是单向可控硅。如图。

但是单向可控硅的导通方向固定，无法反向导通，于是我们将两只单向可控硅反向并联，这样，其导通方向就随着触发信号极性的改变而改变，这就是双向可控硅流。

特点：

1.紧凑倾斜类型SSR这是理想用于AC负载控制

2.支持0.3A，0.6A，0.9A和1.2A开启状态rms电流。

3.1.2A型使用A DIP 8针包装节省空间（仅竞争对手提供A 16针型。）

4.能同时处理100和200伏的AC负载，此继电器处理A单个产品中的两个电压对于用户不需要使用两个类型来管理单独零件号。

5.高介电强度：5000V AC（在输入和输出之间）

6.提供两种类型：零交叉类型和非零交叉类型

典型应用：1.家用电器（空调，微波炉，洗衣机，个人卫生系统，冰箱，风扇加热器，感应加热炊具，和热水器等）；2.工业设备市场。

APH2223在工作时，其内部进行的是两个相反的光电转换的过程，输入端的发光二极管将电能以光子的形式释放出来。输出端的光敏可控硅，接收光电子带来的能量，在光电导效应下，引起光电发射，产生光电流，从而使输出端导通。

审核编辑：汤梓红