固态继电器

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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与使用线圈、磁场、弹簧和各种机械触点来控制和切换电源的标准机电继电器和接触器不同，固态继电器没有移动部件，而是利用固态半导体的电气和光学特性来执行其输入到输出的隔离和切换功能。

就像普通的机电继电器一样，SSR在其输入和输出触点之间提供完全的电气隔离，其输出类似于传统的电气开关，在不导通时（开路）具有非常高的、几乎无限的电阻，而在导通时（闭合）具有非常低的电阻。固态继电器可以通过使用SCR、TRIAC或开关晶体管输出来设计为切换交流或直流电流，而不是通常的机械常开（NO）触点。

尽管固态继电器和机电继电器在低电压输入与切换和控制负载的输出之间电气隔离方面基本相似，但机电继电器的触点寿命有限，可能占用大量空间，并且切换速度较慢，尤其是大型功率继电器和接触器。固态继电器没有这些限制。

因此，固态继电器相对于传统机电继电器的主要优势在于它们没有移动部件会磨损，因此没有触点弹跳问题，能够比机械继电器的衔铁移动速度快得多地切换“开”和“关”，以及零电压开启和零电流关闭，消除了电气噪声和瞬态。

固态继电器可以以标准现货供应的形式购买，输出切换能力从几伏或几安培到数百伏和数百安培不等。然而，由于功率半导体和散热要求，具有非常高额定电流（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，小的输入电压（通常为3至32伏直流）可用于控制更大的输出电压或电流。例如240V，10A。这使得它们非常适合微控制器、PIC和Arduino接口，因为来自微控制器或逻辑门的低电流5伏信号可用于控制特定的电路负载，这是通过使用光隔离器实现的。

固态继电器输入

固态继电器的主要组件之一是光隔离器（也称为光耦合器），它包含一个（或多个）红外发光二极管或LED光源，以及一个光敏器件，全部封装在一个外壳内。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。当电流通过LED时，它会发光，其光线通过间隙聚焦到光敏晶体管/光敏三端双向可控硅上。

因此，光耦合SSR的输出通过激励这个LED（通常使用低电压信号）来“开启”。由于输入和输出之间的唯一连接是一束光，因此通过这种内部光隔离实现了高电压隔离（通常为几千伏）。

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

SSR的输入电路可能仅由一个与光隔离器LED串联的限流电阻组成，或者由更复杂的电路组成，包括整流、电流调节、反极性保护、滤波等。

要激活或“开启”固态继电器使其导通，必须在其输入端子上施加大于其最小值（通常为3伏直流）的电压（相当于机电继电器的线圈）。这个直流信号可以来自机械开关、逻辑门或微控制器，如图所示。

固态继电器直流输入电路

当使用机械触点、开关、按钮、其他继电器触点等作为激活信号时，使用的电源电压可以等于SSR的最小输入电压值，而当使用晶体管、门和微控制器等固态器件时，最小电源电压需要比SSR的开启电压高出一两伏，以考虑开关器件的内部电压降。

但是，除了使用直流电压（无论是吸收还是源出）来使固态继电器导通外，我们还可以通过添加桥式整流器进行全波整流和滤波电路到直流输入来使用正弦波形，如图所示。

固态继电器交流输入电路

桥式整流器将正弦电压转换为全波整流脉冲，频率为输入频率的两倍。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输入阈值的最小开启电压要求，导致输出每半个周期“开启”和“关闭”。

为了克服这种不稳定的输出触发，我们可以通过在桥式整流器输出端使用平滑电容器（C1）来平滑整流纹波。电容器的充电和放电效应将提高整流信号的直流分量，使其超过固态继电器输入的最大开启电压值。因此，即使使用不断变化的正弦电压波形，SSR的输入也会看到一个恒定的直流电压。

降压电阻R1和平滑电容器C1的值根据电源电压（120伏交流或240伏交流）以及固态继电器的输入阻抗选择。但大约40kΩ和10uF的值就可以了。

然后，通过添加这个桥式整流器和平滑电容器电路，可以使用交流或非极化直流电源来控制标准的直流固态继电器。当然，制造商已经生产和销售交流输入固态继电器（通常为90至280伏交流）。

固态继电器输出

与输入一样，固态继电器的输出切换能力可以是交流或直流电压。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切换操作，提供类似于机电继电器的常开、单极、单掷（SPST-NO）操作。

对于大多数直流SSR，常用的固态开关器件是功率晶体管、达林顿和MOSFET。对于交流SSR，开关器件是三端双向可控硅或两个反向并联连接的硅控整流器（SCR），以允许双向切换。请注意，三端双向可控硅只不过是两个反向并联连接的SCR，它们的栅极连接在一起。

硅控整流器（晶闸管）通常因其高电压和电流能力而受到青睐。单个SCR也可以用于桥式整流器电路中，如图所示，以在所需的触发角处短路桥。

固态继电器输出电路

固态继电器最常见的应用是切换交流负载，无论是用于控制交流电源的开关、调光、电机速度控制还是其他需要功率控制的应用，这些交流负载可以很容易地使用低电流直流电压通过固态继电器控制，提供长寿命和高切换速度。

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关闭交流负载，从而完全消除与传统机械继电器和感性负载相关的电弧、电气噪声和触点弹跳。

这是因为交流切换固态继电器使用SCR和TRIAC作为其输出开关器件，一旦输入信号被移除，它们会继续导通，直到通过器件的交流电流低于其阈值或保持电流值。因此，SSR的输出永远不会在正弦波峰值中间关闭。

零电流关闭是使用固态继电器的主要优势，因为它减少了电气噪声和与感性负载切换相关的反电动势，这在机电继电器的触点中表现为电弧。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

在没有输入信号的情况下，没有负载电流通过SSR，因为它实际上是关闭的（开路），输出端子看到完整的交流电源电压。在施加直流输入信号时，无论正弦波形的哪个部分（正或负）正在通过，由于SSR的零电压切换特性，输出仅在波形过零时开启。

随着电源电压在正或负方向上增加，它达到使输出晶闸管或三端双向可控硅完全开启所需的最小值（通常小于约15伏）。SSR输出端子上的电压降是开关器件的导通电压降VT（通常小于2伏）。因此，与感性或灯负载相关的高涌入电流大大减少。

当直流输入电压信号被移除时，输出不会突然关闭，因为一旦触发导通，用作开关器件的晶闸管或三端双向可控硅会在剩余的半周期内保持开启，直到负载电流下降到器件的保持电流以下，此时它会关闭。因此，与在正弦波中间切换感性负载相关的高dv/dt反电动势大大减少。

因此，交流固态继电器相对于机电继电器的主要优势是其零交叉功能，当交流负载电压接近零伏时开启SSR，从而抑制任何高涌入电流，因为负载电流总是从接近0V的点开始，以及晶闸管或三端双向可控硅固有的零电流关闭特性。因此，最大可能的关闭延迟（在移除输入信号和移除负载电流之间）为半个周期。

相位调光固态继电器

虽然固态继电器可以执行直接的零交叉负载切换，但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家庭或演出或音乐会中的灯调光应用。

非零（即时开启）切换固态继电器在施加输入控制信号后立即开启，而不是像上述零交叉SSR那样等待交流正弦波的下一个零交叉点。这种随机触发切换用于电阻性应用，如灯调光和应用，这些应用只需要在交流周期的一小部分时间内为负载供电。

随机切换输出波形

虽然这允许对负载波形进行相位控制，但随机开启SSR的主要问题是继电器开启瞬间的初始负载涌入电流可能很高，因为SSR在电源电压接近其峰值（90度）时切换电源。当输入信号被移除时，当负载电流下降到晶闸管或三端双向可控硅的保持电流以下时，它会停止导通，如图所示。显然，对于直流SSR，开关动作是瞬间的。

固态继电器非常适合各种开关应用，因为它们不像机电继电器（EMR）那样有移动部件或触点。有许多不同的商业类型可供选择，适用于交流和直流输入控制信号以及交流和直流输出切换，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，通过结合使用良好的光隔离器和三端双向可控硅，我们可以制作自己的廉价且简单的固态继电器来控制交流负载，如加热器、灯或螺线管。由于光隔离器只需要少量的输入/控制功率来操作，控制信号可以来自PIC、Arduino、Raspberry PI或任何其他微控制器。

示例1

假设我们想要一个具有仅+5伏数字输出端口信号的微控制器来控制120V交流、600瓦的加热元件。为此，我们可以使用MOC 3020光隔离三端双向可控硅，但内部三端双向可控硅只能在120V交流电源的峰值处通过最大电流（ITSM）1安培，因此还必须使用额外的开关三端双向可控硅。

首先考虑MOC 3020光隔离器（其他光隔离三端双向可控硅也可用）的输入特性。光隔离器的数据表告诉我们，输入发光二极管的正向电压降（VF）为1.2伏，最大正向电流（IF）为50mA。

LED需要大约10mA才能合理明亮地发光，最大值为50mA。然而，微控制器的数字输出端口只能提供最大30mA。因此，所需的电流值在10到30毫安之间。因此：

因此，可以使用值在126到380Ω之间的串联限流电阻。由于数字输出端口总是切换+5伏，并且为了减少通过光耦合器LED的功率耗散，我们将选择240Ω的首选电阻值。这使得LED正向电流小于16mA。在这个例子中，任何在150Ω到330Ω之间的首选电阻值都可以。

加热元件负载为600瓦电阻性。使用120V交流电源将给我们5安培的负载电流（I = P/V）。由于我们希望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，我们将需要一个主开关三端双向可控硅。

BTA06是一个6安培（IT(RMS)）600伏的三端双向可控硅，适用于交流负载的通用开关，但任何类似的6到8安培额定三端双向可控硅都可以。此外，这个开关三端双向可控硅只需要50mA的栅极驱动来开始导通，这远低于MOC 3020光隔离器的1安培最大额定值。

考虑光隔离器的输出三端双向可控硅在120VRMS交流电源电压的峰值（90度）处开启。这个峰值电压的值为：120 x 1.414 = 170Vpk。如果光隔离三端双向可控硅的最大电流（ITSM）为1安培峰值，则所需的最小串联电阻值为170/1 = 170Ω，或180Ω到最近的首选值。这个180Ω的值将保护光耦合器输出三端双向可控硅，以及在120VAC电源上的BTA06三端双向可控硅的栅极。

如果光隔离器的三端双向可控硅在120VRMS交流电源电压的零交叉值（0度）处开启，则提供所需50mA栅极驱动电流迫使开关三端双向可控硅导通所需的最小电压为：180Ω x 50mA = 9.0伏。然后，当正弦波栅极到MT1电压大于9伏时，三端双向可控硅触发导通。

因此，在交流波形的零交叉点之后所需的最小电压为9伏峰值，这个串联栅极电阻中的功率耗散非常小，因此可以安全地使用180Ω、0.5瓦额定电阻。考虑下面的电路。

交流SSR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，可用于控制任何交流电源负载，如灯和电机。这里我们使用了MOC 3020，它是一个随机开关隔离器。

MOC 3041光隔离三端双向可控硅具有相同的特性，但具有内置的零交叉检测功能，允许负载在切换感性负载时获得全功率而不会产生重涌入电流。

二极管D1防止由于输入电压的反向连接而造成的损坏，而56欧姆电阻（R3）在三端双向可控硅关闭时分流任何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完全关闭。

如果与脉宽调制（PWM）输入信号一起使用，对于交流负载，开关频率应设置为最大10Hz以下，否则这个固态继电器电路的输出切换可能无法跟上。