1. 系統方案設計
1.1 簡介
由於固態繼電器是由固體元件組成的無觸點開關元件,所以與電磁繼電器相比具有工作可靠、無雜訊、無火花、壽命長,對外界干擾小,能與邏輯電路相容、抗干擾能力強、靈敏度高、開關速度快和使用方便等一系列優點,因而具有很寬的應用領域,有逐步取代傳統電磁繼電器之勢,另外，ssr成功地實現了弱訊號(vsr)對強電(輸出端負載電壓)的控制。由於光耦合器的應用，使控制訊號所需的功率極低(約十餘毫瓦就可正常工作)，而且vsr所需的工作電平與ttl、htl、cmos等常用積體電路相容，可以實現直接聯接。這使ssr在數控和自控裝置等方面得到廣泛應用。
交流型ssr由於採用過零觸發技術，因而可以使ssr安全地用在計算機輸出介面上，不必為在介面上採用mer而產生的一系列對計算機的干擾而煩惱。因此可進一步擴充套件到傳統電磁繼電器無法應用的計算機等領域。此外，ssr還有能承受在數值上可達額定電流十倍左右的浪湧電流的特點。
1.2交流固態繼電器原理、方案選擇
交流固態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相容，正負邏輯控制和反相等功能。
固態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。導通型別有過零導通和過零關斷兩種，本文文介紹的是電壓過零導通型（簡稱過零型）。下圖是交流固態繼電器的工作原理框圖。
圖1圖中的部件①-④構成交流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上加上一定的控制訊號，就可以控制c、d兩端之間的「通」和「斷」，實現「開關」的功能，其中耦合電路的功能是為a、b端輸入的控制訊號提供乙個輸入/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)聯絡， 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、響應速度高、輸入/輸出端間的絕緣(耐壓)等級高；由於輸入端的負載是發光二極體，這使ssr的輸入端很容易做到與輸入訊號電平相匹配，在使用可直接與計算機輸出介面相接，即受「1」與「0」的邏輯電平控制。觸發電路的功能是產生合乎要求的觸發訊號，驅動開關電路④工作，但由於開關電路在不加特殊控制電路時，將產生射頻干擾並以高次諧波或尖峰等汙染電網，為此特設「過零控制電路」。
其作用是指當加入控制訊號，交流電壓過零時，ssr即為通態；而當斷開控制訊號後，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。這種設計能防止高次諧波的干擾和對電網的汙染。吸收電路是為防止從電源中傳來的尖峰、浪湧(電壓)對開關器件雙向可控矽管的衝擊和干擾(甚至誤動作)而設計的，一般是用「r-c」串聯吸收電路或非線性電阻(壓敏電阻器)。
2. 單元電路設計
2.1耦合電路
光電耦合器運用廣泛，下面是乙個典型電路圖。
圖2 光耦合電路
當電源接通後，led不發光。按下s2，led會發光。調rp，led的發光強度會發生變化，說明光電耦合器是好的。
其中發光二極體（led）是一種由磷化鎵（gap）等半導體材料製成的、能直接將電能轉變成光能的發光顯示器件。當其內部有一定電流通過時，它就會發光。發光二極體也與普通二極體一樣由pn結構成，也具有單向導電性。
它廣泛應用於各種電子電路、家電、儀器等裝置中、作電源指示或電平指示。
2.2觸發電路和過零控制電路
觸發電路的功能是產生合乎要求的觸發訊號，驅動開關電路工作。其電路圖如下：
圖3該部分電路主要由三極體、單向可控矽及電橋構成。其中三極體最基本的作用是放大作用，它可以把微弱的電訊號變成一定強度的訊號，當然這種轉換仍然遵循能量守恆，它只是把電源的能量轉換成訊號的能量罷了。三極體有乙個重要引數就是電流放大係數β。
當三極體的基極上加乙個微小的電流時，在集電極上可以得到乙個是注入電流β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，並且基極電流很小的變化可以引起集電極電流很大的變化，這就是三極體的放大作用。
可控矽(scr)也稱作閘流體，它是由pnpn四層半導體構成的元件，有三個電極，陽極a，陰極k和控制極g 。可控矽在電路中能夠實現交流電的無觸點控制，以小電流控制大電流，並且不象繼電器那樣控制時有火花產生，而且動作快、壽命長、可靠性好。在調速、調光、調壓、調溫以及其他各種控制電路中都有它的身影。
可控矽的符號如下圖所示。
圖4 可控矽的符號
要使可控矽導通，必須同時具備兩個條件：
1． 可控矽加上正向陽極電壓。
2． 加上適當的正向控制電壓。
可控矽導通後，控制電壓就失去作用，如果要是其關斷，必須把正向陽極電壓降低到一定數值.斷開或反向才能實現。
雙向可控矽(bta)的引腳多數是按t1、t2、g的順序從左至右排列。加在控制極g上的觸發脈衝的大小或時間改變時，就能改變其導通電流的大小。雙向可控矽g極上觸發脈衝的極性改變時，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。
而單向可控矽經觸發後只能從陽極向陰極單方嚮導通，所以可控矽有單雙向之分。
2.3開關電路與吸收電路
它的電路如下：
圖5開關電路是由雙向可控矽(bta)構成的。可控矽分單向可控矽、雙向可控矽。單向可控矽有陽極a、陰極k、控制極g三個引腳。
雙向可控矽有第一陽極a1（t1），第二陽極a2（t2）、控制極g三個引腳。只有當單向可控矽陽極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電壓時，方可被觸發導通。此時a、k間呈低阻導通狀態，陽極a與陰極k間壓降約為1v。
單向可控矽導通後，控制極g即使失去觸發電壓，只要陽極a和陰極k之間仍保持正向電壓，單向可控矽繼續處於低阻導通狀態。只有把陽極a電壓撤除或陽極a、陰極k之間電壓極性發生改變（交流過零）時，單向可控矽才由低阻導通狀態轉換為高阻截止狀態。單向可控矽一旦截止，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電壓方可導通。
單向可控矽的導通與截止狀態相當於形成的閉合和斷開狀態，用它可製成無觸點開關。
吸收電路是為防止從電源中傳來的尖峰、浪湧(電壓)對開關器件雙向可控矽管的衝擊和干擾(甚至誤動作)而設計的，一般是用「r-c」串聯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。
3.系統完整電路圖及原理說明
3.1系統完整電路圖
圖6 交流固態繼電器實物圖
圖7 整體電路圖
3.2工作原理
如上圖7所示，在輸入電路控制端加入訊號後，ic1光電耦合器內光敏三極體呈導通狀態，r1串接電阻對輸入訊號進行限流，以保證光耦合器不致損壞。led發光二極體指示輸入端控制訊號，vd1可防止當輸入訊號正負極性接反時以保護光耦ic1。
v1 **路中起到交流電壓檢測作用，使固態繼電器在電壓過零時開啟、負載電流過零時關斷。當ic1光敏三極體截止時(控制端無訊號輸入時)，v1通過r2獲得基極電流使之飽和導通,從而使 scr可控矽門極觸發電壓ugt被箝在低電位而處於關斷狀態，最終導致bta雙向可控矽在門極控制端r6上無觸發脈衝而處於關斷狀態。
當ic1光敏三極體導通時( 控制端有訊號輸入時) ，scr可控矽的工作狀態由交流電壓零點檢測三極體v1來確定其工作狀態 。如電源電壓經r2與r3分壓，a處電壓大於過零電壓時(va＞vbe1)，v1處飽和導通狀態，scr、bta可控矽都處於關斷狀態；如電源電壓經r2 與r3分壓，a處電壓小於過零電壓時（va＞vbe1）v1處截止狀態，scr可控矽通過r4獲得觸發訊號而導通 ,從而使 bta在r6上也獲得觸發訊號也呈導通狀態,對負載電源進行關斷控制。如此時控制端訊號關斷後,負載電流也隨之減小至bta雙向可控矽的維持電流ih時可自行關斷,切斷負載電源。
交流過零型固態繼電器，因有其電壓過零時開啟，負載電流過零時關斷的特性。它的最大接通、關斷時間是半個電源週期，在負載上可得到乙個完整的正弦波形。也相應的減少了對負載的衝擊。
而在相應的控制迴路中產生的射頻干擾也大大減少。
圖8如圖8a所示為穩定的阻性負載，為了防止輸入電壓超過額定值，需設定一限流電阻rx；當負載為非穩定性負載或感性負載時，在輸出迴路中還應附加乙個瞬態抑制電路，如圖8b所示，目的是保護固態繼電器。通常措施是在繼電器輸出端加裝rc吸收迴路(，它可以有效的抑制加至繼電器的瞬態電壓和電壓指數上公升率dv/dt。在設計電路時，建議使用者根據負載的有關引數和環境條件，認真計算和試驗rc迴路的選值。
另乙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，如雙向穩壓二極體或壓敏電阻(mov)。壓敏電阻電流值應按下式計算： 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分別為最高瞬態電壓、壓敏電阻的標稱電壓，對於常規的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。
在交流感性負載上併聯rc電路或電容，也可抑制加至ssr輸出端的瞬態電壓和電壓指數上公升率。
但實驗表明，rc吸收迴路，特別是併聯在ssr輸出端的rc吸收迴路，如果和感性負載組合不當，容易導致振盪，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，對具體應用電路應先進行試驗，選用合適的rc引數，甚至有時不用rc吸收電路更有利。
對於容性負載引起的浪湧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，以限制快速上公升的峰值電流。另外，如果輸出端電流上公升變化率(di/dt)很大，可以在輸出端串聯乙個具有高磁導率的軟化磁芯的電感器加以限制。通常ssr均設計為「常開」狀態，即無控制訊號輸入時，輸出端是開路的，但在自動化控制裝置中經常需要「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均設計為「常開」狀態，即無控制訊號輸入時，輸出端是開路的，但在自動化控制裝置中經常需要「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。
此外，運用該交流固態繼電器還能設計多功能控制電路,圖9a為多組輸出電路，當輸入為「0」時，三極體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，三極體bg導通，ssr1、ssr2、ssr3的輸入端有輸入電壓，各自的輸出端接通，因而達到了由乙個輸入埠控制多個輸出端「通」、「斷」的目的。
圖9b為單刀雙擲控制電路，當輸入為「0」時，三極體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應使ssr2輸出端可靠接通)，ssr2的輸出端接通；當輸入為「1」時，三極體bg導通，ssr1輸入端有輸入電壓，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的輸出端接通而處於斷開狀態，因而達到了「單刀雙擲控制電路」的功能(注意：選擇穩壓二極體dw的穩壓值時，應保證在導通的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. 結論
由前述可以看到ssr的效能與電磁式繼電器相比有著很多的優越性，特別易於實現計算機的程式設計控制，因此使得控制的實現更加方便、靈活。但它也存在一些弱點，如：導通電阻、通態壓降(小於2 v)、斷態漏電流(5—10ma)等的存在，易發熱損壞；截止時存在漏電阻，不能使電路完全分開；易受溫度和輻射的影響，穩定性差；靈敏度高，易產生誤動作；在需要聯鎖、互鎖的控制電路中，保護電路的增設，使得成本上公升、體積增大。
因此，對於ssr具有的獨特效能，必須正確的理解和謹慎使用，方能發揮其獨特的效能，並確保ssr無故障的工作。
5.附錄
5.1元器件明細表
交流固態繼電器
6.3 交流固態繼電器 6.3.1實訓目的和實訓器材 1 製作乙個交流固態繼電器。2 實訓器材 1 常用電子裝配工具 2 萬用表 3 示波器 4 交流固態繼電器電路元器件，見表6.3.1所示。表6.3.1交流固態繼電器電路元器件 6.3.2主要元器件特性 1 雙向可控矽開關元件 bta btb41是...
固態繼電器的作用
e系列 直流控制，交流過零導通，過零關斷 e 系列固態繼電器是直流輸入控制，交流過零導通，過零關斷輸出型無觸點繼電器，因此，具有di dt 的比值小，啟動效能平穩，對電網輻射干擾小，關斷時可降低感性負載的反電動勢，對用電器和固態繼電器都有一定的保護作用等優點，是控制一般用電器，如電動機 加熱器 白熾...
固態繼電器工作原理
觸發電路 的功能是產生符合要求的觸發訊號，驅動開關電路 工作，過零控制電路 的作用是 當ab端加入控制訊號時，即使交流電壓過零，ssr也為導通狀態 只有當斷開ab端的控制訊號後，ssr在交流電過零 零電位 時，才轉換為斷開狀態。這樣可防止電路在開 關過程中產生的高次諧波對電網形成汙染。吸收電路 是為...