欧姆龙固态继电器技术解析与应用指南

引言

在电子工程领域，固态继电器（SSR）是一种至关重要的电子元件，广泛应用于各种电路中。欧姆龙作为知名的电子元件制造商，其固态继电器以高性能、可靠性强而著称。本文将深入解析欧姆龙固态继电器的技术信息，为电子工程师在设计和使用过程中提供全面的指导。

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一、固态继电器的基本电路功能

1. 光耦合器与光三端双向可控硅耦合器

光耦合器是用于传输输入信号并实现输入输出隔离的关键电路。它能有效防止输入和输出之间的电气干扰，保障电路的稳定性。光三端双向可控硅耦合器则在光耦合的基础上，实现了对负载电流的控制。

2. 零交叉电路

零交叉电路在交流负载电压接近零相位时启动工作。这种设计可以减少负载开启时产生的咔嗒声，降低对电路的冲击，提高设备的使用寿命。

3. 触发电路

触发电路用于控制三端双向可控硅的触发信号，从而实现负载电流的通断控制。它是固态继电器实现精确控制的核心部分。

4. 缓冲电路

缓冲电路由电阻R和电容C组成，其作用是抑制施加在三端双向可控硅上的电压突然上升，防止固态继电器三端双向可控硅出现误触发，保障电路的正常运行。

二、输入与输出参数

1. 输入参数

• 输入阻抗：输入电路的阻抗以及限流电阻的阻值。在恒流输入方式下，阻抗会随输入信号电压的变化而改变。
• 工作电压：输出状态从关断变为导通时的最小输入电压。
• 复位电压：输出状态从导通变为关断时的最大输入电压。
• 额定电压：作为输入信号电压标准值的电压。
• 输入电流：施加额定电压时的电流值。

2. 输出参数

• 泄漏电流：当固态继电器输出关断，施加指定负载电压时，流入输出端子的电流有效值。
• 负载电压：固态继电器输出端子与负载和电源串联时，能够连续通电的有效电源电压。
• 最大负载电流：在指定冷却条件下，能够连续流入输出端子的最大电流有效值。
• 最小负载电流：固态继电器能够正常工作的最小负载电流。
• 输出导通电压降：在指定冷却条件下，当最大负载电流流过固态继电器时，输出端子两端出现的交流电压有效值。

三、固态继电器的特性

1. 介电强度

固态继电器在输入端子、输出端子与金属外壳（散热器）之间施加交流电压，且持续1分钟以上所能承受的有效交流电压。

2. 绝缘电阻

在施加直流电压时，输入端子、输出端子与金属外壳（散热器）之间的电阻。

3. 工作时间

从向输入端子施加指定信号电压到输出导通的时间延迟。

4. 释放时间

从施加的信号输入关断到输出关断的时间延迟。

5. 环境温度和湿度（工作）

在指定冷却、输入输出电压和电流条件下，固态继电器能够正常工作的温度和湿度范围。

6. 储存温度

固态继电器在不施加电压的情况下能够储存的温度范围。

四、使用固态继电器的注意事项

1. 安全警告

• 电源开启时，切勿触摸固态继电器的端子部分（带电部分），对于有端子盖的固态继电器，使用前务必安装好盖子，以免触电。
• 电源开启时或关闭后不久，不要触摸固态继电器或散热器，因为它们可能很烫，会导致烫伤。
• 电源关闭后，不要立即触摸固态继电器的负载端子，因为内部缓冲电路可能带电，会导致触电。

2. 正确使用的注意事项

• 不要向固态继电器的输入或输出电路施加过大的电压或电流，否则可能导致固态继电器故障或引发火灾。
• 输出端子的螺丝松动时，不要操作固态继电器，因为端子错误产生的热量可能导致火灾。
• 不要阻碍固态继电器或散热器的空气流通，否则固态继电器错误产生的热量可能导致输出元件短路或引发火灾。
• 务必在电源关闭的情况下进行接线，否则可能导致触电。
• 接线和焊接时，要遵循正确的使用说明。如果在接线或焊接完成前使用产品，电源错误产生的热量可能导致火灾。
• 将固态继电器直接安装到控制面板上作为散热器时，要使用热阻低的面板材料，如铝或钢。如果使用热阻高的材料，如木材，固态继电器产生的热量可能导致火灾或燃烧。

五、输入电路的问题与解决方法

1. 输入噪声

固态继电器只需少量功率即可工作，但输入端子必须尽可能屏蔽电气噪声，否则可能导致故障。

• 脉冲噪声：电容和电阻的组合可以有效吸收脉冲噪声。但R和C的值需要仔细确定，R值不能太大，否则电源电压可能无法满足所需的输入电压值；C值越大，释放时间越长，因为电容放电需要时间。对于低压型号，由于C、R和内部阻抗的关系，可能无法向固态继电器施加足够的电压，因此在确定R值时，要检查固态继电器的输入阻抗。
• 感应噪声：不要将电源线与输入线并排布线，否则感应噪声可能导致固态继电器故障。如果固态继电器输入端子受到感应噪声影响，可以根据感应噪声的类型使用双绞线（用于电磁噪声）或屏蔽电缆（用于静电噪声），并使用电容和电阻组成的滤波器降低噪声水平，使其低于固态继电器的必须释放电压。

2. 开关频率

交流负载切换的开关频率最大应设置为10Hz，直流负载切换的开关频率最大应设置为100Hz。如果开关频率超过这些值，固态继电器的输出将无法跟上。

3. 输入阻抗

对于输入电压范围较宽的固态继电器，输入阻抗会随输入电压和输入电流的变化而改变。对于半导体驱动的固态继电器，电压变化可能导致半导体故障，因此在使用前务必检查实际设备。

4. 输入电压纹波

当输入电压存在纹波时，要设置输入电压，使峰值电压低于最大工作电压，根电压高于最小工作电压。

5. 泄漏电流的对策

当固态继电器由晶体管输出供电时，由于电源关闭时的泄漏电流，必须释放电压可能不足。为了解决这个问题，可以连接泄放电阻，并将泄放电阻设置为使VR为0.5V或更低。

六、输出电路的问题与解决方法

1. 交流开关固态继电器输出噪声浪涌

如果固态继电器使用的交流电流存在较大的电压浪涌，内置在固态继电器负载端子之间的C/R缓冲电路可能不足以抑制浪涌，导致固态继电器瞬态峰值元件电压超过额定值，从而造成过电压损坏。只有部分型号内置浪涌吸收压敏电阻，对于其他型号，在切换感性负载时，必须采取浪涌抑制措施，如添加浪涌吸收元件。

2. 直流开关固态继电器输出噪声浪涌

当连接电感负载（如螺线管或电磁阀）时，要连接防止反电动势的二极管。如果反电动势超过固态继电器输出元件的耐压，可能会损坏输出元件。为了防止这种情况发生，可以在负载两端并联吸收元件。二极管是抑制反电动势最有效的吸收元件，但会增加螺线管或电磁阀的释放时间。为了缩短释放时间，可以将齐纳二极管和普通二极管串联连接。

七、不同负载下固态继电器的选择

1. 加热器负载（电阻性负载）

电阻性负载没有浪涌电流，固态继电器通常与电压输出温度控制器一起用于加热器的开关控制。使用具有零交叉功能的固态继电器可以抑制大部分产生的噪声。但全金属和陶瓷加热器除外，因为它们在常温下的电阻值较低，会导致固态继电器过电流，造成损坏。对于全金属和陶瓷加热器的开关控制，应选择具有长软启动时间的功率控制器或恒流开关。

2. 灯负载

白炽灯、卤素灯等设备会有较大的浪涌电流（约为额定电流的10 - 15倍）。选择固态继电器时，要确保浪涌电流的峰值不超过固态继电器浪涌电流电阻的一半。如果施加的重复浪涌电流超过浪涌电流电阻的一半，固态继电器的输出元件可能会损坏。

3. 电机负载

电机启动时，会有5 - 10倍额定电流的浪涌电流，且浪涌电流持续时间比灯或变压器长。选择固态继电器时，除了测量电机的启动时间和使用时的浪涌电流外，还要确保浪涌电流的峰值小于固态继电器浪涌电流电阻的一半。同时，要安装过电流保护装置，以防止电机产生的反电动势损坏固态继电器。

4. 变压器负载

固态继电器接通时，会有10 - 20倍额定电流的通电电流在10 - 500ms内流过。如果二次电路没有负载，通电电流将达到最大值。选择固态继电器时，要确保通电电流不超过固态继电器浪涌电流电阻的一半。

5. 半波整流电路

交流电磁计数器和螺线管内置二极管，作为半波整流器。对于这类负载，半波交流电压无法到达固态继电器输出，具有零交叉功能的固态继电器可能无法导通。可以通过连接约为固态继电器负载电流20%的泄放电阻或使用无零交叉功能的固态继电器来解决这个问题。

6. 全波整流负载

交流电磁计数器和螺线管内置二极管，作为全波整流器。这类负载的负载电流具有矩形波模式，交流固态继电器使用三端双向可控硅（仅在电路电流为0A时关断元件）作为输出元件。如果负载电流波形为矩形，会导致固态继电器复位错误。在开关全波整流负载时，应使用 -V 型号或功率MOS FET继电器。

7. 小容量负载

即使固态继电器没有输入信号，其输出（负载）也会有小的泄漏电流。如果泄漏电流大于负载释放电流，固态继电器可能无法复位。可以并联泄放电阻来增加固态继电器的开关电流。

8. 逆变器负载

不要使用逆变器控制的电源作为固态继电器的负载电源，因为逆变器控制的波形变为矩形，dV/dt比极大，固态继电器可能无法复位。但如果有效电压在固态继电器的正常工作电压范围内，可以在输入侧使用逆变器控制的电源。

9. 电容性负载

固态继电器关断时，电源电压加上电容的充电电压会施加在其两端。因此，要使用输入电压额定值为电源电压两倍的固态继电器，并将电容的充电电流限制在固态继电器允许的峰值浪涌电流值的一半以下。

八、负载电源的注意事项

1. 整流电流

如果使用直流负载电源用于全波或半波整流交流电流，要确保峰值负载电流不超过固态继电器的最大使用负载电源，否则过电压会损坏固态继电器的输出元件。

2. 交流负载电源的工作频率

交流负载电源的工作频率范围为47 - 63Hz。

3. 低交流电压负载

如果负载电源在低于固态继电器最小工作负载电压的电压下使用，施加到负载的电压损失时间将比固态继电器工作电压范围的损失时间更长。在操作固态继电器之前，要确保这种损失时间不会导致问题。如果负载电压低于触发电压，固态继电器将无法导通，因此要将负载电压设置为至少24VAC（G3PA - VD和G3NA - 2@@B除外）。

九、固态继电器的安全考虑

1. 错误模式

固态继电器适用于高频和高速开关，但使用不当或处理不当可能会损坏元件并导致其他问题。固态继电器由半导体元件组成，如果这些元件受到浪涌电压或过电流的损坏，会发生故障，大多数故障为短路故障，导致负载无法关断。因此，在使用固态继电器的控制电路中，要设计一个电路，当固态继电器出现错误时，负载电源侧的接触器或断路器能够关断负载，而不是仅依靠固态继电器关断负载电源。

2. 安装面板质量

如果将G3NA或G3NE固态继电器直接安装到控制面板上而不使用散热器，要使用热阻低的面板材料，如铝或钢。不要将固态继电器安装在热阻高的面板上，如涂漆的面板，否则会降低固态继电器的散热效率，导致输出元件热损坏。也不要将固态继电器安装在木材或其他易燃材料制成的面板上，否则固态继电器产生的热量会使木材碳化，可能引发火灾。

3. 过电流保护

固态继电器负载中的短路电流或过电流会损坏其输出元件。可以在负载中串联快速熔断器作为短路保护措施。设计电路时，要使快速熔断器的保护协调条件满足固态继电器浪涌电阻、快速熔断器限流特性和负载浪涌电流之间的关系。

4. 操作指示灯

操作指示灯在输入电路中有电流流过时亮起，但它并不表示输出元件导通。

5. 固态继电器的寿命

固态继电器不受机械磨损的影响，其耐久性取决于内部组件的故障发生率。例如，G3M - 202P的故障率为321 Fit，根据该值计算的MTTF为3.12 × 10⁶次操作。在估计固态继电器的总寿命时，还需要考虑热量对焊料的影响，欧姆龙估计固态继电器在首次安装约10年后可能会因焊料劣化而开始出现故障。

6. 操作和储存环境注意事项

• 不要在阳光直射或紫外线照射的地方操作或储存继电器，否则树脂会劣化，导致外壳出现裂缝和其他损坏。
• 不要在有水或化学品的地方操作或储存继电器，否则会发生生锈、腐蚀和树脂劣化。
• 如果固态继电器长时间储存，端子会暴露在空气中，由于氧化等影响，其可焊性会降低。因此，在长时间储存后将继电器安装到电路板上时，使用前要检查焊料的状态，并采取预防措施，防止端子在储存期间接触水、油或溶剂。
• 不要使固态继电器受到过度的振动或冲击，否则会导致其故障并可能损坏内部组件。为了防止固态继电器异常振动，不要将其安装在会受到其他设备（如电机）振动影响的位置或方式。
• 不要让固态继电器接触溶剂（如稀释剂或汽油），否则会溶解固态继电器上的标记。
• 不要让固态继电器的端子盖接触油，否则会导致盖子开裂和变模糊。

十、PCB固态继电器的焊接与安装

1. 焊接

• 固态继电器必须在260°C下在5秒内完成焊接。对于符合单独条件的型号，要按照指定要求进行焊接。
• 使用与固态继电器材料兼容的松香基无腐蚀性助焊剂。

2. 超声波清洗

不要进行超声波清洗，因为在固态继电器底座安装后进行超声波清洗会使超声波在固态继电器内部结构中产生共振，从而损坏内部组件。

3. 处理固态继电器

• 固态继电器是高精度组件，无论是否安装，都不要掉落或使其受到过度的振动或冲击。不同型号的固态继电器所能承受的最大振动和冲击不同，要参考相关数据表。
• 如果固态继电器掉落或受到过度的振动或冲击，可能会损坏其内部组件，从而无法保持其全部性能。

4. PCB安装

• 合适的PCB：PCB分为环氧PCB和酚醛PCB，要根据应用和成本选择合适的PCB。为了防止焊料开裂，建议使用环氧PCB。
• PCB厚度：要考虑PCB的材料来确定其厚度，以防止PCB因尺寸、安装方法、环境工作温度或安装在PCB上的组件重量而翘曲，从而导致固态继电器内部机构变形，影响其性能。
• 端子孔和焊盘直径：要根据固态继电器的安装尺寸选择端子孔和焊盘直径。如果焊盘进行了通孔电镀，焊盘直径可以更小。
• 安装空间：固态继电器安装部位周围的环境温度必须在允许的环境工作温度范围内。如果安装多个固态继电器，要确保它们之间保持一定的距离，以避免过热。同时，要为固态继电器提供足够的通风。

5. 安装步骤

• 步骤1：不要弯曲端子使固态继电器自立，否则可能无法发挥其全部性能。焊接后要确保固态继电器冷却，避免焊接热量损坏固态继电器或其他组件。不要在焊接后立即将固态继电器浸入冷液体中。要根据安装尺寸正确处理PCB。
• 步骤2：使用适合固态继电器材料的无腐蚀性松香助焊剂，并使用酒精溶剂溶解助焊剂。确保固态继电器除端子外的所有部分都没有助焊剂，否则会降低其绝缘电阻。
• 步骤3：要对固态继电器进行预热，以实现更好的焊接。预热条件为温度最高100°C，时间最长1分钟。不要长时间将固态继电器置于高温下，否则会改变其特性。
• 步骤4：推荐使用波峰焊来保持均匀的焊接质量。焊接温度约为260°C，焊接时间约为5秒（DWS首次约2秒，第二次约3秒）。要进行焊料液位调整，防止焊料溢出到PCB上。手动焊接时，要在平滑烙铁头后，在280 - 300°C的温度下焊接约3秒，并使用带有防止助焊剂分散凹槽的烙铁进行焊接。
• 步骤5：焊接后进行冷却。
• 步骤6：根据清洗方法和洗涤剂的选择表进行清洗。可以对固态继电器进行煮沸或浸泡清洗，但不要进行超声波清洗或切割端子，以免损坏内部部件。要确保洗涤剂的温度在固态继电器允许的环境工作温度范围内。
• 步骤7：不要用树脂固定整个固态继电器，否则会改变其特性。涂层材料的温度必须在允许的环境工作温度范围内。

十一、销售条款与条件

欧姆龙电子元件有限责任公司的