交流固態(tài)繼電器設(shè)計

1、1. 系統(tǒng)方案設(shè)計1.1 簡介 由于固態(tài)繼電器是由固體元件組成的無觸點開關(guān)元件,所以與電磁繼電器相比具有工作可靠、無噪聲、無火花、壽命長,對外界干擾小,能與邏輯電路兼容、抗干擾能力強、靈敏度高、開關(guān)速度快和使用方便等一系列優(yōu)點,因而具有很寬的應(yīng)用領(lǐng)域,有逐步取代傳統(tǒng)電磁繼電器之勢,另外，ssr成功地實現(xiàn)了弱信號(vsr)對強電(輸出端負載電壓)的控制。由于光耦合器的應(yīng)用，使控制信號所需的功率極低(約十余毫瓦就可正常工作)，而且vsr所需的工作電平與ttl、htl、cmos等常用集成電路兼容，可以實現(xiàn)直接聯(lián)接。這使ssr在數(shù)控和自控設(shè)備等方面得到廣泛應(yīng)用。交流型ssr由于采用過零觸發(fā)技術(shù)，因而可

2、以使ssr安全地用在計算機輸出接口上，不必為在接口上采用mer而產(chǎn)生的一系列對計算機的干擾而煩惱。因此可進一步擴展到傳統(tǒng)電磁繼電器無法應(yīng)用的計算機等領(lǐng)域。此外，ssr還有能承受在數(shù)值上可達額定電流十倍左右的浪涌電流的特點。1.2交流固態(tài)繼電器原理、方案選擇交流固態(tài)繼電器由三部分組成：輸入電路、隔離（耦合）和輸出電路組成，按輸入電壓的不同類別，輸入電路可分為直流輸入電路，交流輸入電路和交直流輸入電路三種。有些輸入控制電路還具有與ttl/cmos兼容，正負邏輯控制和反相等功能。固態(tài)繼電器的輸入與輸出電路的隔離和耦合方式有光電耦合和變壓器耦合兩種。導通類型有過零導通和過零關(guān)斷兩種，本文文介紹的是電壓

3、過零導通型（簡稱過零型）。下圖是交流固態(tài)繼電器的工作原理框圖。圖1圖中的部件-構(gòu)成交流ssr的主體，從整體上看，ssr只有兩個輸入端(a和b)及兩個輸出端(c和d)，是一種四端器件。工作時只要在a、b上加上一定的控制信號，就可以控制c、d兩端之間的“通”和“斷”，實現(xiàn)“開關(guān)”的功能，其中耦合電路的功能是為a、b端輸入的控制信號提供一個輸入/輸出端之間的通道，但又在電氣上斷開ssr中輸入端和輸出端之間的(電)聯(lián)系， 以防止輸出端對輸入端的影響，耦合電路用的元件是“光耦合器”，它動作靈敏、響應(yīng)速度高、輸入/輸出端間的絕緣(耐壓)等級高；由于輸入端的負載是發(fā)光二極管，這使ssr的輸入端很容易做到與輸

4、入信號電平相匹配，在使用可直接與計算機輸出接口相接，即受“1”與“0”的邏輯電平控制。觸發(fā)電路的功能是產(chǎn)生合乎要求的觸發(fā)信號，驅(qū)動開關(guān)電路工作，但由于開關(guān)電路在不加特殊控制電路時，將產(chǎn)生射頻干擾并以高次諧波或尖峰等污染電網(wǎng)，為此特設(shè)“過零控制電路”。其作用是指當加入控制信號，交流電壓過零時，ssr即為通態(tài)；而當斷開控制信號后，ssr要等待交流電的正半周與負半周的交界點(零電位)時，ssr才為斷態(tài)。這種設(shè)計能防止高次諧波的干擾和對電網(wǎng)的污染。吸收電路是為防止從電源中傳來的尖峰、浪涌(電壓)對開關(guān)器件雙向可控硅管的沖擊和干擾(甚至誤動作)而設(shè)計的，一般是用“r-c”串聯(lián)吸收電路或非線性電阻(壓敏電

5、阻器)。2. 單元電路設(shè)計2.1耦合電路光電耦合器運用廣泛，下面是一個典型電路圖。 圖2 光耦合電路當電源接通后，led不發(fā)光。按下s2，led會發(fā)光。調(diào)rp，led的發(fā)光強度會發(fā)生變化，說明光電耦合器是好的。其中發(fā)光二極管（led）是一種由磷化鎵（gap）等半導體材料制成的、能直接將電能轉(zhuǎn)變成光能的發(fā)光顯示器件。當其內(nèi)部有一定電流通過時，它就會發(fā)光。發(fā)光二極管也與普通二極管一樣由pn結(jié)構(gòu)成，也具有單向?qū)щ娦?。它廣泛應(yīng)用于各種電子電路、家電、儀器等設(shè)備中、作電源指示或電平指示。2.2觸發(fā)電路和過零控制電路觸發(fā)電路的功能是產(chǎn)生合乎要求的觸發(fā)信號，驅(qū)動開關(guān)電路工作。其電路圖如下：圖3該部分電路主要

6、由三極管、單向可控硅及電橋構(gòu)成。其中三極管最基本的作用是放大作用，它可以把微弱的電信號變成一定強度的信號，當然這種轉(zhuǎn)換仍然遵循能量守恒，它只是把電源的能量轉(zhuǎn)換成信號的能量罷了。三極管有一個重要參數(shù)就是電流放大系數(shù)。當三極管的基極上加一個微小的電流時，在集電極上可以得到一個是注入電流倍的電流，即集電極電流。集電極電流隨基極電流的變化而變化，并且基極電流很小的變化可以引起集電極電流很大的變化，這就是三極管的放大作用。 可控硅(scr)也稱作晶閘管，它是由pnpn四層半導體構(gòu)成的元件，有三個電極，陽極a，陰極k和控制極g ?？煽毓柙陔娐分心軌?qū)崿F(xiàn)交流電的無觸點控制，以小電流控制大電流，并且不象繼電器

7、那樣控制時有火花產(chǎn)生，而且動作快、壽命長、可靠性好。在調(diào)速、調(diào)光、調(diào)壓、調(diào)溫以及其他各種控制電路中都有它的身影。可控硅的符號如下圖所示。圖4 可控硅的符號要使可控硅導通，必須同時具備兩個條件：1 可控硅加上正向陽極電壓。2 加上適當?shù)恼蚩刂齐妷骸？煽毓鑼ê?，控制電壓就失去作用，如果要是其關(guān)斷，必須把正向陽極電壓降低到一定數(shù)值.斷開或反向才能實現(xiàn)。雙向可控硅(bta)的引腳多數(shù)是按t1、t2、g的順序從左至右排列。加在控制極g上的觸發(fā)脈沖的大小或時間改變時，就能改變其導通電流的大小。雙向可控硅g極上觸發(fā)脈沖的極性改變時，其導通方向就隨著極性的變化而改變，從 而能夠控制交流電負載。而單向可控硅

8、經(jīng)觸發(fā)后只能從陽極向陰極單方向?qū)?，所以可控硅有單雙向之分。2.3開關(guān)電路與吸收電路它的電路如下：圖5開關(guān)電路是由雙向可控硅(bta)構(gòu)成的?？煽毓璺謫蜗蚩煽毓?、雙向可控硅。單向可控硅有陽極a、陰極k、控制極g三個引腳。雙向可控硅有第一陽極a1（t1），第二陽極a2（t2）、控制極g三個引腳。只有當單向可控硅陽極a與陰極k之間加有正向電壓，同時控制極g與陰極間加上所需的正向觸發(fā)電壓時，方可被觸發(fā)導通。此時a、k間呈低阻導通狀態(tài)，陽極a與陰極k間壓降約為1v。單向可控硅導通后，控制極g即使失去觸發(fā)電壓，只要陽極a和陰極k之間仍保持正向電壓，單向可控硅繼續(xù)處于低阻導通狀態(tài)。只有把陽極a電壓撤除或陽

9、極a、陰極k之間電壓極性發(fā)生改變（交流過零）時，單向可控硅才由低阻導通狀態(tài)轉(zhuǎn)換為高阻截止狀態(tài)。單向可控硅一旦截止，即使陽極a和陰極間又重新加上正向電壓，仍需在控制極g和陰極k之間重新加上正向觸發(fā)電壓方可導通。單向可控硅的導通與截止狀態(tài)相當于形成的閉合和斷開狀態(tài)，用它可制成無觸點開關(guān)。吸收電路是為防止從電源中傳來的尖峰、浪涌(電壓)對開關(guān)器件雙向可控硅管的沖擊和干擾(甚至誤動作)而設(shè)計的，一般是用“r-c”串聯(lián)吸收電路或非線性電阻(壓敏電阻器)。電路圖為一電阻與一電容串聯(lián)。3.系統(tǒng)完整電路圖及原理說明3.1系統(tǒng)完整電路圖圖6 交流固態(tài)繼電器實物圖 圖7 整體電路圖3.2工作原理如上圖7所示，在輸

10、入電路控制端加入信號后，ic1光電耦合器內(nèi)光敏三極管呈導通狀態(tài)，r1串接電阻對輸入信號進行限流，以保證光耦合器不致?lián)p壞。led發(fā)光二極管指示輸入端控制信號，vd1可防止當輸入信號正負極性接反時以保護光耦ic1。 v1 在線路中起到交流電壓檢測作用，使固態(tài)繼電器在電壓過零時開啟、負載電流過零時關(guān)斷。當ic1光敏三極管截止時(控制端無信號輸入時)，v1通過r2獲得基極電流使之飽和導通,從而使 scr可控硅門極觸發(fā)電壓ugt被箝在低電位而處于關(guān)斷狀態(tài)，最終導致bta雙向可控硅在門極控制端r6上無觸發(fā)脈沖而處于關(guān)斷狀態(tài)。 當ic1光敏三極管導通時( 控制端有信號輸入時) ，scr可控硅的工作狀態(tài)由交流

11、電壓零點檢測三極管v1來確定其工作狀態(tài) 。如電源電壓經(jīng)r2與r3分壓，a處電壓大于過零電壓時(vavbe1)，v1處飽和導通狀態(tài)，scr、bta可控硅都處于關(guān)斷狀態(tài)；如電源電壓經(jīng)r2 與r3分壓，a處電壓小于過零電壓時（vavbe1）v1處截止狀態(tài)，scr可控硅通過r4獲得觸發(fā)信號而導通 ,從而使 bta在r6上也獲得觸發(fā)信號也呈導通狀態(tài),對負載電源進行關(guān)斷控制。如此時控制端信號關(guān)斷后,負載電流也隨之減小至bta雙向可控硅的維持電流ih時可 自行關(guān)斷,切斷負載電源。 交流過零型固態(tài)繼電器，因有其電壓過零時開啟，負載電流過零時關(guān)斷的特性。它的最大接通、關(guān)斷時間是半個電源周期，在負載上可得到一個完

12、整的正弦波形。也相應(yīng)的減少了對負載的沖擊。而在相應(yīng)的控制回路中產(chǎn)生的射頻干擾也大大減少。 圖8如圖8a所示為穩(wěn)定的阻性負載，為了防止輸入電壓超過額定值，需設(shè)置一限流電阻rx；當負載為非穩(wěn)定性負載或感性負載時，在輸出回路中還應(yīng)附加一個瞬態(tài)抑制電路，如圖8b所示，目的是保護固態(tài)繼電器。通常措施是在繼電器輸出端加裝rc吸收回路(，它可以有效的抑制加至繼電器的瞬態(tài)電壓和電壓指數(shù)上升率dv/dt。在設(shè)計電路時，建議用戶根據(jù)負載的有關(guān)參數(shù)和環(huán)境條件，認真計算和試驗rc回路的選值。另一個常用的措施是在繼電器輸出端接入具有特定鉗位電壓的電壓控制器件，如雙向穩(wěn)壓二極管或壓敏電阻(mov)。壓敏電阻電流值應(yīng)按下式

13、計算： imov=(vmax-vmov)/zs 其中zs為負載阻抗、電源阻抗以及線路阻抗之和，vmax、vmov分別為最高瞬態(tài)電壓、壓敏電阻的標稱電壓，對于常規(guī)的220v和380v的交流電源，推薦的壓敏電阻的標稱電壓值分別為440-470v和760-810v。在交流感性負載上并聯(lián)rc電路或電容，也可抑制加至ssr輸出端的瞬態(tài)電壓和電壓指數(shù)上升率。 但實驗表明，rc吸收回路，特別是并聯(lián)在ssr輸出端的rc吸收回路，如果和感性負載組合不當，容易導致振蕩，在負載電源上電或繼電器切換時，加大繼電器輸出端的瞬變電壓峰值，增大ssr誤導通的可能性，所以，對具體應(yīng)用電路應(yīng)先進行試驗，選用合適的rc參數(shù)，甚至

14、有時不用rc吸收電路更有利。 對于容性負載引起的浪涌電流可用感性元件抑制，如在電路中引入磁干擾濾波器、扼流圈等，以限制快速上升的峰值電流。另外，如果輸出端電流上升變化率(di/dt)很大，可以在輸出端串聯(lián)一個具有高磁導率的軟化磁芯的電感器加以限制。通常ssr均設(shè)計為“常開”狀態(tài)，即無控制信號輸入時，輸出端是開路的，但在自動化控制設(shè)備中經(jīng)常需要“常閉”式的ssr，這時可在輸入端外接一組簡單的電路，如圖8c所示，這時即為常閉式ssr。通常ssr均設(shè)計為“常開”狀態(tài)，即無控制信號輸入時，輸出端是開路的，但在自動化控制設(shè)備中經(jīng)常需要“常閉”式的ssr，這時可在輸入端外接一組簡單的電路，如圖8c所示，這

15、時即為常閉式ssr。此外，運用該交流固態(tài)繼電器還能設(shè)計多功能控制電路,圖9a為多組輸出電路，當輸入為“0”時，三極管bg截止，ssr1、ssr2、ssr3的輸入端無輸入電壓，各自的輸出端斷開；當輸入為“1”時，三極管bg導通，ssr1、ssr2、ssr3的輸入端有輸入電壓，各自的輸出端接通，因而達到了由一個輸入端口控制多個輸出端“通”、“斷”的目的。圖9b為單刀雙擲控制電路，當輸入為“0”時，三極管bg截止，ssr1輸入端無輸入電壓，輸出端斷開，此時a點電壓加到ssr2的輸入端上(ua-udw應(yīng)使ssr2輸出端可靠接通)，ssr2的輸出端接通；當輸入為“1”時，三極管bg導通，ssr1輸入端有

16、輸入電壓，輸出端接通，此時a點雖有電壓，但ua-udw的電壓值已不能使ssr2的輸出端接通而處于斷開狀態(tài)，因而達到了“單刀雙擲控制電路”的功能(注意：選擇穩(wěn)壓二極管dw的穩(wěn)壓值時，應(yīng)保證在導通的ssr1“+”端的電壓不會使ssr2導通，同時又要兼顧到ssr1截止時期“+”端的電壓能使ssr2導通)。圖94. 結(jié)論 由前述可以看到ssr的性能與電磁式繼電器相比有著很多的優(yōu)越性，特別易于實現(xiàn)計算機的編程控制，因此使得控制的實現(xiàn)更加方便、靈活。但它也存在一些弱點，如：導通電阻、通態(tài)壓降(小于2 v)、斷態(tài)漏電流(510ma)等的存在，易發(fā)熱損壞；截止時存在漏電阻，不能使電路完全分開；易受溫度和輻射的

17、影響，穩(wěn)定性差；靈敏度高，易產(chǎn)生誤動作；在需要聯(lián)鎖、互鎖的控制電路中，保護電路的增設(shè)，使得成本上升、體積增大。因此，對于ssr具有的獨特性能，必須正確的理解和謹慎使用，方能發(fā)揮其獨特的性能，并確保ssr無故障的工作。5.附錄5.1元器件明細表元件特性數(shù)量位置220電阻4r1 r5r6r7330電阻3r2r3r4in4007二極管5vd1-vd50805發(fā)光二極管2led1-led22sk3265感光三極管1npn-photoc9014三極管1v1單向可控硅1scrtlc337a雙向可控硅1bta1uf電容1c1220k可變電阻1ru6.體會通過這次課程設(shè)計，我對感光三極管、晶閘管等器件有了更深

18、層次的理解，本次設(shè)計并實現(xiàn)了交流固態(tài)繼電器的相關(guān)性能，因此對該交流繼電器電路有了更透徹的了解。在這次的設(shè)計的過程中也遇到了很多的困難，從選題到完成，時間很倉促，這過程中出現(xiàn)過很多意想不到的問題，不但是經(jīng)過我的努力，問題已經(jīng)基本弄明白了。為了解決這些問題，我就去網(wǎng)上查看相關(guān)資料或者向老師同學請教。雖然這個設(shè)計存在很多的不足，但它帶給我的很多東西是重要的，這個過程必將在我的大學生活留下深刻的記憶，亦將對我以后的學習和工作產(chǎn)生深遠的影響。本設(shè)計主要涉及了交流固態(tài)繼電器中各部分的結(jié)構(gòu)、工作原理以及它們與外電路相連的方法和作用,設(shè)計中我對可控硅開關(guān)器件的性能至今仍有些不太肯定，它可能還可以和555定時器一起構(gòu)成性能更好的開關(guān)，因此還需要對它們進行了解，由此我掌握了這些方面的很多知識，并且從某種程度上來說使我對硬件電路的整體設(shè)計有了更深層次的了解，學到了很多東西，為以后學習打下了良好的基礎(chǔ)。本次設(shè)計提高了我自己的設(shè)計和思考能力，對我以后的工作很有幫助。7.參考文獻1 張冠生電器理論基礎(chǔ)北京：機械工程出版社，19902 方鴻發(fā)低壓電器北京：機械工程出版社，19883 王季梅真空開關(guān)理論和應(yīng)用西安：西安交通大學