固态继电器输入电路案例

固态继电器是机电继电器的半导体等效物，可用于控制电气负载而无需使用移动部件

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就像普通的机电继电器一样，SSR在输入和输出触点之间提供完全的电气隔离，其输出就像传统的电气开关一样，它在非导通（开路）时具有非常高的几乎无限的电阻，导电（闭合）时电阻非常低。固态继电器可以设计为通过使用SCR，TRIAC或开关晶体管输出而不是通常的机械常开（NO）触点来切换AC或DC电流。

固态继电器和机电继电器基本相似，因为它们的低电压输入与切换和控制负载的输出电气隔离，机电继电器的接触生命周期有限，可占用大量空间并且开关速度较慢，特别是大功率继电器和接触器。固态继电器没有这样的限制。

因此固态继电器相对于传统机电继电器的主要优点是它们没有移动零件磨损，因此没有触点弹跳问题，能够比机械继电器电枢可以移动更快地“开”和“关”，以及零电压开启和零电流关闭消除电气噪声和瞬态。

固态继电器可以采用标准的现成封装，从几伏特或几安培到数百伏特和安培的输出切换能力。然而，由于其功率半导体和散热要求，具有极高额定电流（150A以上）的固态继电器仍然太昂贵，因此，仍然使用更便宜的机电接触器。

类似于机电继电器，可以使用小的输入电压（通常为3到32伏DC）来控制大得多的输出电压或电流。例如240V，10Amps。这使得它们成为微控制器，PIC和Arduino接口的理想选择，因为可以使用来自微控制器或逻辑门的低电流，5伏信号来控制特定的电路负载，这可以通过使用opto-来实现。隔离器。

固态继电器输入

固态继电器（SSR）的主要组件之一是光隔离器（也称为光耦合器），其中包含一个（或更多） ）红外发光二极管，或LED光源，以及单个外壳内的光敏器件。光隔离器将输入与输出隔离。

LED光源连接到SSR的输入驱动部分，并通过间隙提供光耦合到相邻的光敏晶体管，达林顿对或三端双向可控硅开关。当电流通过LED时，它会发光并且其光线会通过间隙聚焦到光电晶体管/光电三端双向可控硅开关。

因此，光耦合SSR的输出被“接通”。通常用低压信号激励这个LED。由于输入和输出之间的唯一连接是光束，因此通过内部光隔离实现了高压隔离（通常为几千伏）。

光隔离器不仅提供了隔离器更高程度的输入/输出隔离，它还可以传输直流和低频信号。此外，LED和光敏器件可以完全相互分离，并通过光纤进行光耦合。

SSR的输入电路可能只包含一个串联的限流电阻使用光隔离器的LED，或者带有整流，电流调节，反极性保护，滤波等的更复杂电路。

激活或打开“销售状态继电器”导通，必须在其输入端子（相当于机电继电器线圈）上施加大于其最小值（通常为3伏直流电压）的电压。该DC信号可以从机械开关，逻辑门或微控制器导出，如图所示。

固态继电器直流输入电路

使用机械触点，开关，按钮，其他继电器触点等作为激活信号，所用的电源电压可以等于SSR的最小输入电压值，而当使用固态器件如晶体管，栅极和微控制器时，最小电源电压需要为1或者比SSR的导通电压高两个电压，以解决开关器件的内部压降问题。

但是使用直流电压（无论是吸收还是源极）来切换固态继电器导通，我们如图所示，通过添加用于全波整流的桥式整流器和用于DC输入的滤波器电路，也可以使用正弦波形。

固态继电器AC输入电路

桥式整流器将正弦电压转换为输入频率两倍的全波整流脉冲。这里的问题是这些电压脉冲从零伏开始和结束，这意味着它们将低于SSR输入阈值的最小导通电压要求，导致输出每半个周期“导通”和“关闭”。 / p>

为了克服输出的这种不稳定的触发，我们可以通过在桥式整流器的输出端使用平滑电容器（C1）来消除整流的纹波。电容器的充电和放电效应将使整流信号的DC分量升高到高于固态继电器输入的最大导通电压值。然后，即使使用不断变化的正弦电压波形，SSR的输入也会看到恒定的直流电压。

降压电阻R 1 的值和平滑选择电容器C 1 以适应电源电压，120伏交流电或240伏交流电以及固态继电器的输入阻抗。但是40kΩ和10uF左右的情况就可以了。

然后，通过添加这个桥式整流器和平滑电容器电路，可以使用AC或非极化DC电源来控制标准DC固态继电器。当然，制造商已经生产和销售AC输入固态继电器（通常为90到280伏AC）。

固态继电器输入

固态继电器的输出切换能力可以可以是AC或DC，类似于其输入电压要求。大多数标准固态继电器的输出电路配置为仅执行一种类型的开关动作，相当于机电继电器的常开，单极，单掷（SPST-NO）操作。

对于大多数DC SSR，常用的固态开关器件是功率晶体管，达林顿和MOSFET，而对于AC SSR，开关器件是三端双向可控硅开关元件或背对背晶闸管。由于其高电压和电流能力，晶闸管是优选的。如图所示，单个晶闸管也可用于桥式整流电路。

固态继电器输出电路

固态继电器最常见的应用是交流负载的切换，无论是控制交流电源进行开/关切换，调光，电机速度控制还是其他功率控制应用如果需要，可以使用固态继电器通过低电流直流电压轻松控制这些交流负载，从而提供长寿命和高开关速度。

固态继电器相对于机电继电器的最大优势之一是它能够在零负载电流点切换“关闭”交流负载，从而完全消除与传统机械继电器和感应负载相关的电弧，电噪声和触点反弹。

这是因为交流开关固态继电器使用SCR和TRIAC作为其输出开关装置，一旦输入信号被移除，其继续导通，直到流过装置的AC电流降至其阈值或保持电流值以下。然后，SSR的输出永远不会在正弦波峰值的中间关闭。

零电流关闭是使用固态继电器的一个主要优点，因为它可以降低电噪声和背面电压。与电感负载的切换相关联的电动势，如电机械继电器的触点所示的电弧放电。考虑下面典型交流固态继电器的输出波形图。

固态继电器输出波形

在没有施加输入信号的情况下，没有负载电流流过SSR，因为它实际上是OFF（开路），输出端子看到完整的AC电源电压。通过施加直流输入信号，无论正弦波形的哪一部分，无论是正周期还是负周期，由于SSR的零电压开关特性，输出仅在波形交叉时导通零点。

当电源电压在正向或负向上增加时，它达到使输出晶闸管或三端双向可控硅开关完全导通所需的最小值（通常小于约15伏）。 SSR输出端子上的电压降是开关器件导通电压降的电压降，V T （通常小于2伏）。因此，与无功或灯负载相关的任何高浪涌电流都会大大降低。

当直流输入电压信号被消除时，输出不会突然关闭，因为一旦触发导通，使用晶闸管或三端双向可控硅开关因为开关器件在半个周期的剩余时间内保持接通，直到负载电流下降到保持电流的器件以下，此时它关断。因此，与正弦波中间的感应负载开关相关的高dv / dt反电动势大大降低。

那么交流固态继电器相对于机电继电器的主要优点是零交流功能，当交流负载电压接近零电压时接通SSR，从而抑制任何高浪涌电流，因为负载电流总是从接近0V的点开始，并且晶闸管的固有零电流关断特性或三端双向可控硅因此，在半个周期内存在最大可能的关断延迟（在移除输入信号和去除负载电流之间）。

相位调光固态继电器

固态继电器可以执行负载的直接过零切换，它们还可以通过数字逻辑电路，微处理器和存储器执行更复杂的功能。固态继电器的另一个出色应用是在灯调光应用中，无论是在家中还是在演出或音乐会上。

非零（瞬时接通）开关固态继电器在接通后立即开启。施加输入控制信号而不是过零SSR，其上等待直到AC正弦波的下一个过零点。这种随机点火开关用于电阻应用，例如灯调光和需要仅在AC周期的一小部分时通电的应用。

随机开关输出波形

虽然这允许负载波形的相位控制，但随机开启SSR的主要问题是初始负载浪涌电流在继电器接通的瞬间，当电源电压接近其峰值（90 o ）时，由于SSR开关电源可能会很高。当输入信号被移除时，当负载电流低于保持电流的晶闸管或三端双向可控硅开关时，它会停止导通，如图所示。显然，对于DC SSR，ON-OFF切换动作是即时的。

固态继电器是各种ON / OFF切换应用的理想选择，因为它们没有移动与机电继电器（EMR）不同的零件或触点。交流和直流输入控制信号以及交流和直流输出切换有许多不同的商业类型可供选择，因为它们采用半导体开关元件，如晶闸管，三端双向可控硅和晶体管。

但是通过使用结合良好的光隔离器和三端双向可控硅开关，我们可以制造出价格低廉且简单的固态继电器来控制交流负载，如加热器，灯或电磁阀。由于光隔离器仅需要少量输入/控制功率来操作，控制信号可以来自PIC，Arduino，Raspberry PI或任何其他此类微控制器。

固态继电器示例No1

让我们假设我们想要一个只有+5伏的数字输出端口信号的微控制器来控制120V AC，600瓦的加热元件。为此，我们可以使用MOC 3020光电三端双向可控硅隔离器，但内部三端双向可控硅开关只能在120V交流电源的峰值处通过1安培峰值的最大电流（I TSM ），因此需要额外的切换还必须使用三端双向可控硅开关。

首先考虑MOC 3020光隔离器的输入特性（其他光电三端双向可控硅可用）。光隔离器数据表告诉我们输入发光二极管的正向电压（V F ）是1.2伏特和最大正向电流，（I F ）是50mA。

LED需要大约10mA才能合理地发光，最大值达到50mA。但是，微控制器的数字输出端口最多只能提供30mA的电流。然后，所需电流值介于10到30毫安之间。因此：

因此可以使用一个值为126和380Ω的串联限流电阻。由于数字输出端口始终切换+5伏特并通过光耦合器LED降低功耗，我们将选择240Ω的优选电阻值。这使LED的正向电流小于16mA。在这个例子中，150Ω和330Ω之间的任何优选电阻值都可以。

加热元件负载为600瓦电阻。使用120V AC电源可以为我们提供5安培的负载电流（I = P / V）。由于我们想在交流波形的两个半周期（所有4个象限）中控制这个负载电流，我们需要一个电源开关三端双向可控硅开关。

BTA06是一个6安培（I T（ RMS））600伏特三端双向可控硅开关适用于交流负载的通用开/关切换，但任何类似的6至8安培额定三端双向可控硅开关都可以。此开关三端双向可控硅只需50mA的栅极驱动即可开始导通，远低于MOC 3020光隔离器的1安培最大额定值。

考虑到光隔离器的输出三端双向可控硅开关已切换在120V RMS AC电源电压的峰值（90 o ）处导通。该峰值电压的值为：120x1.414 = 170Vpk。如果光三端双向可控硅的最大电流（I TSM ）是1安培峰值，那么串联电阻所需的最小值是170/1 =170Ω，或180Ω到最接近的优选值。这个180Ω的值将保护光耦合器输出三端双向可控硅开关，以及120VAC电源上BTA06三端双向可控硅开关的栅极。

如果光隔离器的三端双向可控硅开关在零交叉值时接通（ 0 o ）120V RMS AC电源电压，然后提供所需的50mA栅极驱动电流以迫使开关三端双向可控硅开关导通所需的最小电压为：180Ωx50mA= 9.0伏。当正弦Gate-to-MT1电压大于9伏时，三端双向可控硅触发导通。

因此，交流波形零交叉点后所需的最小电压将为9伏峰值功率该系列栅极电阻的功耗非常小，因此可以安全地使用额定电阻为180Ω，额定功率为0.5瓦的电阻器。考虑下面的电路。

交流固态继电器电路

这种类型的光耦合器配置构成了非常简单的固态继电器应用的基础，该应用可用于控制任何交流电源供电的负载，例如灯和电机。这里我们使用了MOC 3020，它是一个随机切换隔离器。 MOC 3041光电三端双向可控硅隔离器具有相同的特性，但具有内置的过零检测功能，允许负载在切换感性负载时无需大浪涌电流即可接收全功率。

二极管D 1 防止输入电压反向连接造成的损坏，而当三端双向可控硅开关关闭时，56欧姆电阻（R 3 ）分流任何di / dt电流，消除误触发。它还将栅极端子连接到MT1，确保三端双向可控硅开关完全关断。

如果使用脉冲宽度调制的PWM输入信号，交流负载的ON / OFF开关频率应设置为小于10Hz，否则此固态继电器电路的输出切换可能无法跟上