固态继电器的简介

由于其优异的性能，固态继电器已成为许多领域必不可少的工业控制器件。通过本文，您将了解固态继电器是什么？固态继电器的类型有哪些?固态继电器如何工作？如何选择固态继电器?如何使用继电器?

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目录

§1. 固态继电器（SSR）是什么?

固态继电器，又称SSR，SS继电器，SSR继电器，SSR开关，固态接触器，功率电子开关，自动继电器，电子功率继电器，以及电信号接触器，是一种集成的无触点式电子开关设备，由集成电路（IC）和分立元件紧凑组装而成。根据电子元件（如开关晶体管、双向晶闸管和其他半导体元件）的开关特性，固态继电器能够通过电子电路非常快速地切换负载的“ON”和“OFF”状态，就像传统机械继电器的功能一样。与之前的“线圈-簧片触点”式继电器，即机电继电器(EMR)相比，固态继电器内部没有可移动的机械部件，在固态继电器的开关过程中也没有机械动作。因此，固态继电器也称为“无触点式开关”。

固态继电器的结构特性使其优于电磁继电器。固态继电器的主要优点如下：

● 半导体元件作为继电器的开关，体积小，寿命长。

● 固态继电器比EMR具有更好的电磁兼容性，使其具有抵抗射频干扰（RFI）和电磁干扰（EMI）的能力，并且还具有低电磁干扰和低电磁辐射。

● 无运动部件，无机械磨损，无动作噪音，无机械故障，可靠性高。

● 无火花，无电弧，无燃烧，无触点跳动，触点间无磨损。

● 固态继电器具有“零电压切换、零电流关断”功能，可以轻松实现“零电压”切换。

● 固态继电器具有快开关速度（SSR的开关速度比常规EMR高100倍），和高工作频率。

● 固态继电器具有高灵敏度，低电平控制信号（SSR可通过小电流控制信号直接驱动大电流负载），并且兼容逻辑电路（TTL、CMOS、DTL、HTL电路），可轻松实现多种功能。

● 固态继电器一般采用绝缘材料封装，具有良好的防潮、防霉、耐腐蚀、抗振、抗机械冲击和防爆性能。

此外，固态继电器的放大和驱动功能非常适合驱动大功率执行器，比电磁继电器（EMR）更可靠。固态继电器的控制开关需要非常低的功率，因此低控制电流可用于控制高负载电流。并且，固态继电器在输入和输出端之间采用了成熟可靠的光电隔离技术。该技术允许低功率器件的输出信号直接连接到固态继电器的输入控制端，从而在固态继电器的输出端控制大功率器件，而不需要额外的保护电路来保护弱电器件，因为“小控制电流器件”（连接到固态继电器输入端）和“大控制功率”电源“（连接到固态继电器输出端子）已相互电气隔离。此外，交流固态继电器采用"过零检测器”技术，得以安全地将交流固态继电器应用于计算机的输出接口，而不会对计算机造成一系列干扰甚至严重故障。这些功能无法通过电磁继电器实现。

由于固态继电器的固有特性和上述优点，固态继电器自1974年问世以来，在各个领域得到了广泛的应用，并在许多电磁继电器无法应用的领域完全取代了电磁继电器。特别是在计算机自动控制系统领域，固态继电器需要非常低的驱动功率并且与逻辑电路兼容，因此可直接驱动输出电路，而无需额外的中间数字缓冲器。

目前，固态继电器在军事、化工、工业自动化控制装置、电动汽车、电信、民用电子控制设备以及安防和仪器仪表应用中表现良好，诸如电炉加热系统、计算机数控机床（CNC机床）、遥控机械、电磁阀、医疗设备、灯光控制系统（如交通信号灯、闪烁器、舞台灯光控制系统）、家用电器（如洗衣机、电炉、烤箱、冰箱、空调）、办公设备（如复印机、打印机、传真机和多功能打印机）、消防安全系统、电动汽车充电系统等。总而言之，固态继电器可用于任何需要高稳定性（光隔离、高抗扰度）、高性能（高开关速度、高负载电流）和小封装尺寸的器件。

当然，固态继电器也有一些缺点，包括：存在通态压降和输出漏电流，需要散热措施，购买成本高于电磁继电器，直流固态继电器和交流固态继电器不通用，控制状态单一，触点组数量少，过载能力差。虽然一些特殊的定制固态继电器可以解决上述一些问题，但在设计电路和应用固态继电器时需要考虑和优化这些缺点，以最大限度地发挥固态继电器的优势。

§2. 固态继电器的结构是怎样的?

固态继电器为四端有源器件，四端中的两端为输入控制端，另外两端为输出控制端。虽然固态继电器的种类和规格很多，但它们的结构是相似的，主要由图04所示的三个部分组成：输入电路（控制电路）、驱动电路和输出电路（被控电路）。

2.1 输入电路

固态继电器的输入电路，也称为控制电路，为输入控制信号提供回路，使控制信号作为固态继电器的触发源。根据输入电压类型的不同，输入电路可分为直流输入电路、交流输入电路和交直流输入电路三种类型。

直流输入电路又可进一步分为电阻输入电路和恒流输入电路。

● 电阻输入电路，其输入电流随输入电压的增加而线性增加，反之亦然。如果控制信号具有固定的控制电压，则应选择电阻输入电路。

● 恒流输入电路，如果其输入电压达到一定值时，电流将不再随着电压的增加而明显增加。此功能允许在相当宽的输入电压范围内使用恒流输入固态继电器。例如，当控制信号的电压变化范围较大（例如，3-32V）时，建议使用具有恒流输入电路的直流固态继电器，以确保直流固态继电器在整个输入电压范围内都能可靠地工作。

这些输入控制电路有的具有正负逻辑控制、反相等功能，以及逻辑电路的兼容性。因此，固态继电器可以很容易地连接到TTL电路（晶体管-晶体管逻辑电路）、CMOS电路（互补金属氧化物半导体电路）、DTL电路（二极管-晶体管逻辑电路）和HTL电路（高阈值逻辑电路）。目前，DTL已逐渐被TTL取代，HTL已被CMOS取代。如果脉冲宽度调制信号（PWM）用作输入信号，则交流负载电源的开/关切换频率应设置为小于10Hz，否则交流固态继电器输出电路的输出开关速率跟不上。

2.2 驱动电路

固态继电器的驱动电路包括三部分：隔离耦合电路、功能电路和触发电路。但是，根据实际需要，固态继电器中可能只包含其中的一两个部分。

2.2.1 隔离耦合电路

固态继电器的I/O电路（输入/输出电路）的隔离和耦合方法目前使用两种方式，光耦合器电路和高频变压器电路。

● 光耦合器采用红外LED（发光二极管）和光学传感器不透明封装，以实现“控制侧”和“负载侧”之间的隔离控制，因为“光发射器”和“光传感器”之间除了光束外没有电气连接或物理连接。"源-传感器"组合的类型通常包括：“LED-光电晶体管”（光电晶体管耦合器）、“LED-双向可控硅”（光电双向可控硅耦合器）和“LED-光电二极管阵列”（光电二极管堆栈用于驱动一对MOSFET或一个IGBT）。

● 高频变压器耦合电路使用高频变压器将输入端的控制信号转换为输出端的驱动信号。具体过程是，输入控制信号产生自振荡高频信号，通过变压器铁芯传输到变压器次级，经过检波/整流电路和逻辑电路处理后，该信号最终成为驱动触发电路的驱动信号。

2.2.2 功能电路

功能电路可以包括多种拥有特定功能的电路，如检波电路、整流电路、过零电路、加速电路、保护电路、显示电路等。

2.2.3 触发电路

触发电路用于向输出电路提供触发信号。

2.3 输出电路

固态继电器的输出电路由触发信号控制，以实现负载电源的开/关切换。

输出电路主要由输出元件（芯片）和吸收回路（充当瞬态抑制器）组成，有时还包括反馈电路。到目前为止，固态继电器的输出组件主要包括：双极结型晶体管（双极型晶体管或BJT，分为PNP和NPN两种类型）、晶闸管（可控硅整流器或SCR）、双向可控硅（双向三极管、双向晶闸管、双向可控整流器或BCR）、金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）绝缘栅双极晶体管（IGBT）、碳化硅MOSFET（SIC MOSFET，一种工业级最高工作结温为200°C功耗低且尺寸紧凑的宽带隙晶体管），等等。

固态继电器的输出电路可分为三种类型：直流输出电路、交流输出电路和交直流输出电路。直流输出电路通常使用双极性元件（如IGBT或MOSFET）作为输出元件，交流输出电路通常使用两个晶闸管或一个双向可控硅作为输出元件。

§3. 固态继电器的符号是怎样的？

电路原理图中固态继电器的符号如图08所示。

应该指出的是：

● 电极符号应在图形符号的每个引脚旁边分别标记（框内或框外）。

● 输入端和输出端通常不能绘制在同一侧或相邻侧。

● 当多个固态继电器出现在同一个电路图中时，可以在文本符号后添加一个序号来区分它们，如SSR1、SSR2等。

§4. 固态继电器的类型有哪些?

固态继电器的类型多种多样，分类标准五花八门。固态继电器通常根据以下标准进行分类。

4.1 负载电源类型

固态继电器按负载电源（又称power mains、power source）类型可分为直流固态继电器（DC-SSR）和交流固态继电器（AC-SSR）。直流型固态继电器使用功率半导体晶体管作为开关元件（如BJT，MOSFET，IGBT）来控制直流负载电源的开/关状态，而交流型固态继电器使用晶闸管（如TRIAC，SCR）作为开关元件来控制交流负载电源的开/关状态。

4.1.1 直流固态继电器

根据输入形式，直流型固态继电器可分为阻性输入型直流固态继电器和恒流输入型直流固态继电器。

4.1.2 交流固态继电器

交流型固态继电器可根据以下标准进行分类。

4.1.2.1 控制触发模式

根据控制触发方式（开通和关断的时机），交流固态继电器可分为过零型交流固态继电器、随机导通型交流固态继电器和峰值导通型交流固态继电器。

● 过零型交流固态继电器，如图10所示，也称为过零触发交流固态继电器、过零导通交流固态继电器、零开关交流固态继电器、零电压交流固态继电器和同步交流固态继电器。对于过零型固态继电器而言，其输出电路的开关状态与输出信号同步，即与电源"同步”。当输入信号开启时，如果负载电源电压处于非过零区，则过零型固态继电器的输出端不会开通；但如果负载电源电压达到零区，过零固态继电器的输出端将开通，负载电路也将开通。这种触发方式可以有效地降低固态继电器开通期间所产生的浪涌电流，同时也减少了对电网和输入控制电路的干扰信号。因此，过零型固态继电器是众多领域中最为常见的类型。

● 随机导通型交流固态继电器，如图11所示，也称为随机开关交流固态继电器、随机开通交流固态继电器、随机接通交流固态继电器、随机点火交流固态继电器、瞬时导通固态继电器、非零开关交流固态继电器、瞬时接通交流固态继电器、瞬时交流固态继电器、异步交流固态继电器或调相交流固态继电器。随机导通型固态继电器输出电路的开关方式仅由控制信号控制，与电源信号无关，即与电源“异步”。无论负载电压的状态如何，只要输入端上有输入信号，随机导通型固态继电器就会立即开通。由于随机导通型固态继电器在交流电源的任意相位上开通或关断，因此它们在导通的瞬间会产生较大的干扰信号。

● 峰值导通型交流固态继电器也称为峰值开关交流固态继电器，或峰值点火交流固态继电器。当施加输入控制信号时，峰值导通型固态继电器在交流输出电压的第一个电压峰值点开通，以减少浪涌电流;如果输入控制信号被移除，峰值导通型固态继电器将被关断。

4.1.2.2 相位

根据交流电源的相位，交流固态继电器可分为单相交流固态继电器和三相交流固态继电器。

● 根据功能的不同，单相交流固态继电器可进一步分为单相交直流固态继电器、单相固态调压器、单相固态调速器、一开一闭单相固态继电器、单相正/反转固态继电器、双通道固态继电器等。值得一提的是，双通道固态继电器，如图12所示，是一种单相固态继电器，它将两个普通型单相固态继电器（只有一个通道）组合成一个具有两组输入输出端子的标准封装的固态继电器，且每组I/O端子相互独立，也就是说，双通道固态继电器比普通型有更多的“触点”，可以实现更多样化的控制。

● 三相交流固态继电器可用于控制三相负载（例如，大功率电子设备、电动机）的开关状态。例如，三相交流固态继电器可直接用于控制三相交流电动机，三相正反转交流固态继电器（或三相可逆交流固态继电器）可用于控制三相正反转电动机（三相双向交流电动机，或三相双向旋转交流电动机）。

4.1.2.3 开关元件

根据开关元件，交流固态继电器可分为普通型交流固态继电器（标准型交流固态继电器）和增强型交流固态继电器（工业型交流固态继电器）。普通型交流固态继电器使用双向可控硅作为输出开关元件，增强型交流固态继电器使用反并联单向可控硅作为开关元件。

4.2 I/O形式

根据I/O形式，固态继电器可分为四种类型：直流输入对交流输出型固态继电器（DC-AC固态继电器）、直流输入对直流输出型固态继电器（DC-DC固态继电器）、交流输入对交流输出型固态继电器（AC-AC固态继电器）和交流输入对直流输出型固态继电器（AC-DC固态继电器）。

4.3 开关类型

根据开关类型，固态继电器可分为常开型固态继电器（NO-SSR）和常闭型固态继电器（NC-SSR）。只有当输入信号施加到输入端时，常开固态继电器才会被开通。相反，当输入信号施加到输入端时，常闭固态继电器将被关断。除非另有说明，否则本文中的固态继电器默认是指常开固态继电器。

4.4 隔离/耦合

根据隔离/耦合方法，固态继电器可分为干簧继电器耦合型固态继电器，变压器耦合型固态继电器，光耦合型固态继电器和混合型固态继电器。

● 干簧继电器耦合型固态继电器，如图13(a)所示，使用干簧开关作为隔离方法。当控制信号直接（或通过前置放大器）施加到干簧继电器的线圈上时，干簧开关将立即闭合，晶闸管开关将被激活以使负载导通。

● 变压器耦合型固态继电器，如图13(b)所示，使用变压器作为隔离装置。变压器可以将初级线圈的低功率控制信号转换到次级线圈，以产生驱动电子开关的信号。且如果输入控制信号是直流，则需要逆变器在输入电路中将直流转换为交流。经过整流、放大等处理后，来自次级线圈的信号就可用于驱动开关元件。

● 光耦合型固态继电器，如图13(c)所示，也称为光隔离型固态，使用光耦合器作为隔离器。光耦合器是一种光隔离器，由红外光源（通常为发光二极管或LED）和光敏半导体元件（如光敏二极管、光敏晶体管和光敏晶闸管）组成。根据元件的不同，如图14所示，光耦合器可分为光电二极管耦合器（Photo-Diode Coupler）、光晶体管耦合器（Photo-Transistor Coupler）、光电可控硅耦合器（Photo-SCR Coupler）和光电可控硅耦合器（Photo-TRIAC Coupler）。

光电半导体器件检测来自LED的红外辐射，然后产生信号来驱动半导体开关。与干簧继电器和变压器相比，光隔离器具有更好的物理隔离能力，保证高压输出负载电路与低压输入信号电路之间的电气绝缘。由于光耦合器具有出色的隔离性能和非常紧凑的尺寸，光耦合器固态继电器的应用非常广泛。

● 混合型固态继电器是一种特殊的固态继电器，它结合了EMR和SSR的优点，效率高，功耗低。混合固态继电器的输入和输出电路由并联的固态继电器和干簧开关（或微型电磁继电器）组成，由不同的控制信号控制，如图15所示。

当施加输入信号1时，固态继电器立即切换到导通状态。由于电子开关没有运动部件，因此可以稳定快速地切换负载，并且在切换过程中不会因线路电压高或浪涌电流大而产生电弧。产生负载电流后，EMR将由控制信号2控制并开通。由于EMR与固态继电器并联连接，因此EMR的输出触点在没有电压的情况下通电，因此，触点之间没有电弧。然后在一定的延迟后，EMR的触点弹跳稳定下来，固态继电器将被关断。EMR在运行过程中产生的热量很小，因此混合固态继电器功耗低，不需要散热器。

4.5 电路结构

根据电路结构的不同，固态继电器可分为分立结构型固态继电器和混合结构型固态继电器。分立结构型固态继电器大多由分立元件和印刷电路板组装而成，然后通过环氧树脂灌封、塑料密封或树脂包覆。混合结构型固态继电器使用厚膜混合集成技术组装分立元件和半导体集成电路（IC），然后将它们封装在金属或陶瓷外壳中。

4.6 性能

根据性能，固态继电器可分为标准型固态继电器和工业型固态继电器。标准型固态继电器的额定电流一般为10A至120A，而工业型固态继电器的额定电流相对较大，可为60A至2000A或更大。因此，工业型固态继电器可以满足工业环境和工业设备的严格要求。

4.7 安装方式

根据安装方式，固态继电器可分为面板安装型固态继电器（或表面安装型固态继电器），DIN导轨安装型固态继电器和印刷电路板安装型固态继电器（或PCB安装型固态继电器）。并且PCB安装固态继电器还可以进一步分为插座安装型固态继电器（或插入式安装型固态继电器）和支架安装型固态继电器（或法兰安装型固态继电器）。插入式安装型固态继电器具有许多封装标准（如SIP、Mini-SIP和DIP），可以直接焊接在印刷电路板上，依靠自然冷却，无需散热器;法兰安装型固态继电器需要额外的金属板或散热器来散热。

4.8 应用

根据应用，固态继电器可分为通用固态继电器、双向传输固态继电器、汽车固态继电器、闭锁固态继电器（其输入信号作为逻辑异或运行，即XOR，因此任何输入都可以闭锁/解锁输出）等。闭锁技术通常用于高压电路中，以避免事故的扩大。需要注意的是，即使切断了闭锁固态继电器的控制电流，它仍然可以保持导通并连续输出控制信号，因此，除非施加反向电流或按下关闭按钮，否则无法关闭。

§5. 固态继电器的基本参数有哪些？

固态继电器的基本参数分为三类：输入参数、输出参数和其他参数。

5.1 输入参数

5.1.1 输入电压范围/输入电流

● 输入电压范围是指当环境温度低于25°C时，固态继电器正常工作所必须输入的（即最小的）或允许输入的（即最大的）电压范围值。

● 输入电流是指特定输入电压下相应的输入电流值。

5.1.2 开通电压/关断电压

● 当输入电压（施加到输入端的电压）大于或等于开通电压（开启电压）时，输出端将开通。

● 当输入电压（施加到输入端的电压）小于或等于关断电压（关闭电压）时，输出端将关断。

5.1.3 过零电压

严格来说，过零电压不是一个电压点，而是一个电压范围，由过零固态继电器的内部元件所决定，通常非常小，几乎可以忽略不计。如果电源电压低于过零电压，过零固态继电器不会开启;如果电压超过过零电压，过零固态继电器将处于导通状态。

5.2 输出参数

5.2.1 额定输出电压/额定工作电流

● 额定输出电压是输出端可以承受的最高负载工作电压。

● 额定工作电流是在25°C环境温度下可以通过输出端的最大稳态工作电流。

5.2.2 通态压降/输出漏电流

● 通态压降是固态继电器开通时在额定工作电流下测得的输出电压。

● 输出漏电流是指在固态继电器关断时在额定输出电压下所流过负载的实测电流值。

该参数是固态继电器质量和性能的指标。输出压降和输出漏电流越小，固态继电器越好。

5.3 其他参数

5.3.1 功耗

无论固态继电器是处于导通状态还是关断状态，它们的半导体芯片都会不断地将电能转化为热能，这与电磁继电器有很大不同。功耗用于显示固态继电器本身在通电状态和断电状态下消耗的最大功率值。

5.3.2 开通时间/关断时间

● 开通时间（或开启时间）是常开固态继电器从施加输入控制电压到其输入端开始，直到其输出端开始导通并且其输出电压达到稳定值的90%所需的时间。

● 关断时间（或关闭时间）是常开固态继电器从输入端的输入控制电压被切断开始，直到其输出端开始关闭并且其输出电压达到稳定值的90%所需的时间。

这也是判断固态继电器性能的重要参数。开通时间和关断时间越短，固态继电器的开关性能越好。

5.3.3 绝缘电阻/介电强度

● 绝缘电阻是指施加一定直流电压（例如550VDC）时，固态继电器的输入端和输出端之间的实测电阻值。它还可以包括输入端和外壳（包括散热器）之间的实测电阻值，以及输出端和外壳之间的实测电阻值。

● 介电强度，或介电耐压，是指固态继电器的输入端和输出端之间所容许的最大电压值。它还可以包括输出端和外壳之间所容忍的最大电压值，以及输入端和外壳之间所容忍的最大电压值。

5.3.4 工作温度/最高结温

● 工作温度是指固态继电器按照规范安装散热器时所允许的正常工作环境温度范围。

● 结温是晶体管结温的缩写，是半导体在电子设备中的实际工作温度。在操作中，它通常高于外壳温度和器件的外部温度。最大结温是输出开关元件所允许的最高结温。

§6. 固态继电器的工作原理是怎样的?

6.1 固态继电器是如何工作的？

在本章中，您将了解固态继电器模块的工作原理。由于应用环境不同，固态继电器的内部组件略有不同，但工作原理相似。普通固态继电器的内部等效电路图如图21所示。固态继电器的原理可以简单描述为：对于NO-SSR，当适当的控制信号施加到固态继电器的输入端（IN）时，输出端（OUT）将从关断状态切换到开通状态;如果控制信号被取消，输出端（OUT）将恢复到关断状态。在此过程中，固态继电器实现了对连接到输出端的负载电源的开关状态的无触点控制。需要注意的是，输入端只能接控制信号，输出端只能接负载，否则固态继电器会烧坏。

如上所述，固态继电器按负载电源可分为两种类型：直流固态继电器（DC-SSR）和交流固态继电器（AC-SSR）。DC-SSR充当直流电源上的负载开关，而AC-SSR充当交流电源上的负载开关。它们彼此不兼容，不能混用。

● 直流固态继电器，如图 21(a)，用于控制直流负载电路的开/关状态。控制信号电压从直流固态继电器的输入端输入，然后通过光电耦合器将控制信号耦合到接收电路，最终信号被放大器放大，驱动晶体管的开关状态。显然，直流固态继电器的输出端分为正极（+极）和负极（-极），在将直流固态继电器的输出端连接到受控电路时注意不要出错。

● 交流固态继电器，如图21(b)所示，用于控制交流负载电路的开/关状态。与直流固态继电器不同，交流固态继电器使用双向晶闸管（TRIAC）或其他具有类似功能的电子开关元件。因此，交流固态继电器的输出端没有正/负端子，换句话说，无需担心接线错误。

6.2 过零型交流固态继电器的工作原理

由于过零交流固态继电器的结构是完整且典型的，因此，借助过零交流固态继电器的操作细节，可以说明固态继电器的完整工作原理。

6.2.1 各部分的功能

图22显示了过零固态继电器的I/O波形。框图中的A-E电路构成了过零交流固态继电器的主体。整体来看，该固态继电器是一个四端子负载开关，只有两个输入端子（③和④）和两个输出端子（①和②）。过零型交流固态继电器工作时，只要在③和④端子上加入一定的控制信号，就可以控制①和②端子之间的输出电路的ON/OFF状态。

耦合电路A用于为连接到③和④端的控制设备提供I/O通道，并电气切断固态继电器的输入端和输出端之间的连接，以防止输出电路干扰输入电路。耦合电路中最常用的元件是光耦合器，具有高动作灵敏度，高响应速度，以及输入和输出端之间的高介电强度（耐压）。由于光电耦合器的输入负载是发光二极管（LED），这使得固态继电器的输入值易于匹配控制设备的输入信号电平，并且可以将固态继电器的输入端直接连接到计算机输出接口，即固态继电器可以通过“1”和“0”的逻辑电平进行控制。

触发电路B的功能是产生合适的触发信号，以驱动开关电路D工作。但是，如果不增加特殊的控制电路，开关电路会产生射频干扰（RFI），这些射频干扰会通过高次谐波和尖峰来污染电网，因此过零检测电路C专门设计用于解决这个问题。

缓冲电路E设计用于防止电源的尖峰和浪涌对开关晶体管造成冲击和干扰（甚至故障）。通常，RC电路（电阻-电容电路，或RC滤波器或RC网络）或非线性电阻（如压敏电阻）用作缓冲电路。压敏电阻，也称为电压相关电阻（VDR），是一种电阻值随施加电压非线性变化的电子元件，最常见的压敏电阻类型是金属氧化物压敏电阻（MOV），例如氧化锌非线性电阻（ZNR）。

6.2.2 各组件的功能

图23显示了过零固态继电器的I/O波形。

R1是一个限流电阻，用于限制输入信号电流并确保光耦合器不被损坏。LED用于显示输入控制信号的输入状态。二极管VD1用于防止输入信号的正负极接反时损坏光耦合器。光耦合器OPT对输入和输出电路进行电气隔离。三极管M1作为反相器，与晶闸管SCR同时构成过零检测电路，晶闸管SCR的工作状态由交流电压过零检测晶体管M1决定。VD2-VD4构成全波整流桥（或全波二极管桥）UR。用于开启双向可控硅BCR的双向触发脉冲可以从SCR和UR获得。R6是用于保护BCR的分流电阻。R7和C1组成浪涌吸收网络，以吸收电源中的尖峰电压或浪涌电流，以防止对于开关电路的冲击或干扰。RT是一种热敏电阻，可用作过热保护器，以防止固态继电器因温度过高而损坏。VDR是一种压敏电阻，用作限压器件，在输出电路过压时箝位电压并吸收多余的电流以保护固态继电器。

6.2.3 工作过程

过零型交流固态继电器具有负载电压越过过零区时导通，负载电流越过过零区时关断的特性。

当光耦合器OPT关闭时（即OPT的控制端没有输入信号），M1通过从R2获取基极电流而进入饱和导通状态，结果晶闸管SCR的栅极触发电压（UGT）被箝位至低电位并关断。因此，BCR处于关断状态，因为栅极控制端R6上没有触发脉冲。

当输入控制信号施加在固态继电器的输入端上时，OPT导通（即OPT的控制端有输入信号）。电源电压经R2和R3分压后，如果A点电压大于M1的过零电压（即VA>VBE1），M1将处于饱和导通状态，SCR和BCR都将处于关断状态。如果A点的电压小于M1的过零电压（即VA<VBE1），M1将处于关断状态，触发SCR开通，然后在BCR的控制极上获得来自“R5→UR→SCR→UR→R6”方向（或相反方向）的触发脉冲以激活BCR，最后，负载将连接到交流电源。

通过上述过程，可以理解为M1作为交流电压检测器，用于在负载电压越过过零区时打开固态继电器，在负载电流越过过零区时关闭固态继电器。并且由于过零检测器的功能，负载电路对负载的影响相应地减小了，控制回路中产生的射频干扰也大大降低。

6.2.4 过零的定义

这里有必要解释一下什么是过零。在交流电中，过零是不存在电压的瞬时点，即交流波形的正半周期和负半周期之间的结点。在每个交流电周期中，通常会有两次过零。如果电源在过零的瞬间切换，则不会产生电气干扰。当控制信号施加到输入端且交流输出电压越过过零区，交流固态继电器（配有过零控制电路）将处于ON状态；相反，当控制信号被切断时，固态继电器将关闭，直到越过下一个过零区。

此外，需要指出的是，固态继电器的过零区实际上是零伏左右的范围，但这并不意味着它就是电源电压波形的零伏。图25展示了一段交流电压正弦波。根据交流开关元件的特性，该图中的交流电压波形分为三个区域，分别对应固态继电器输出电路的三种状态。U1和U2分别代表开关元件的阈值电压和饱和电压。

● 区域I是死区（又称截止区、切断区或关断区），其绝对值为电压范围0-U1。在此区域中，即使施加了输入信号，也无法开通固态继电器。

● 区域II是响应区域（又称有源区域，或开通区域），其绝对值为电压范围U1-U2。在此区域中，只要施加输入信号，固态继电器就会立即开通，并且输出电压随着电源电压的增加而增加。

● 区域III是抑制区域（又称饱和区域）,其绝对值大于U2。在此区域中，开关元件（晶闸管）处于饱和状态。并且固态继电器的输出电压不再随着电源电压的增加而增加，而是电流随着电压的增加而增加，这可以看作是固态继电器输出电路的内部短路状态，即固态继电器作为电子开关处于开通状态。

图26显示了过零固态继电器的I/O波形。并且由于晶闸管的性质，固态继电器在输出端的电压达到阈值电压（或触发电路的触发电压）后将处于开通状态。然后固态继电器在达到饱和电压后将处于实际开通状态，同时产生非常低的通态压降。如果输入信号关断，当负载电流降至晶闸管保持电流以下或到达下一个交流换向点（即移除输入信号后第一次越过过零区）时，固态继电器将关断。、

§7. 固态继电器的应用有哪些?

在本章中，您将了解在哪里使用固态继电器以及它们的用途。

1- 照明控制系统

固态继电器的快速切换、长寿命和高可靠性使其在照明控制系统中表现出色。在交通信号灯领域，交通信号灯的工作环境很复杂，但具有优异特性（防潮、防爆、防腐）的固态继电器可以面对它。固态继电器可以满足经常关闭和开启的标志/信号闪烁交通信号灯的要求，因为它们可以保持10毫秒或更长的切换间隔。而在舞台灯光控制系统（通常应用于戏剧、舞蹈、歌剧等表演艺术的电气设备）中，固态继电器可以配合计算机系统控制多个灯光，实现复杂的灯光效果，增加舞台的气氛。

2- 远程控制系统

远程控制系统通常需要小电流信号来控制大功率设备，例如电动机、脉冲阀和其他机械。固态继电器作为一种无机械触点的电子开关元件，以控制灵活、可靠性高、耐用性高、无火花、无噪音、开关速度快、工作频率高、抗干扰能力强等优异优势广泛应用于远程控制系统。

3- 数控机械

数控机械中的许多传统机械继电器正逐渐被固态继电器所取代。由于具有优异的耐用性和高灵敏度能力，固态继电器的应用确保了CNC加工的高精度和高质量。在数控机床的伺服系统中，固态继电器可以连续接收控制信号，并准确地控制加工机床。

4- 加热/制冷设备

通常，有三种方法可以控制加热/冷却设备：固态继电器 （SSR）、晶闸管模块（SCR 模块）和交流接触器。目前，固态继电器和SCR模块在加热/制冷设备中非常常见，但相比之下，SCR模块不具有成本效益，因此固态继电器在加热/冷却设备中最常见，例如电烤箱，咖啡机，自动售货机，烤架，炸炉，空调，冰箱等。态继电器在温度控制设备中也表现良好。定时器控制固态继电器、微控制器控制固态继电器和PID控制固态继电器（或比例-积分-微分控制器固态继电器）用于温度控制设备，以保持设备的温度稳定，如HVAC（供暖、通风和空调）。

5- 医疗设备

在医疗设备领域，设备对工作频率和精确操作有严格的要求，因此医疗设备的部件应具有良好的性能（高精度，耐用性等）。固态继电器可以满足大多数医疗设备的这些需求，例如，红外辐射设备具有巨大的热惯性，但是通过将固态继电器连接到辐射板，通过固态继电器控制红外辐射设备的温度变得非常容易。

6- 电动汽车

固态继电器广泛应用于电动汽车领域。例如，防爆固态继电器用于燃料电池汽车（氢燃料电池），以避免电弧和振动过程中的错误操作。此外，每个高压电源单元都受到多个固态继电器、保险丝和滤波电容的组合保护。

7- 化工和矿业

考虑到化工和采矿业复杂的工况和特殊要求（防爆、防潮、防腐能力），传统的机械继电器无法满足这些要求，因此在主要机械设备的中间控制器中使用了大量的固态继电器，例如大型煤矿电梯中配备的固态继电器。

8- 计算机控制系统

计算机控制系统（包括计算机外围设备）对继电器的要求很高，然而各种类型的固态继电器可以帮助计算机设备控制各种功率单元来驱动大型机械自动化设备，或液压和气动设备，因为固态继电器具有以下特点：过零、电磁兼容性好、灵敏度高、开关速度快、 低电平控制信号，兼容逻辑电路（TTL、CMOS、DTL、HTL），甚至可以直接连接到微电脑控制装置等。

§8. 如何选择固态继电器?

以下是根据您的实际要求选择合适的固态继电器时要考虑的选项：

● 负载电压 - 交流或直流

● 负载电流 - 最大电流和最小电流

● 负载类型 - 电阻式、电感式或电容式

● 输入控制信号 - 交流或直流

● 安装方式 - PCB、面板或DIN导轨安装

● 环境温度 - 用于计算降额系数和散热器尺寸

● 国际认证 – 美国保险商实验室 （UL）、加拿大标准协会 （CSA）、英国电信审批委员会 （BABT）、德国电气技术公司 （VDE）、技术检验协会 （TUV）、欧洲合规 （CE） 等。

8.1 负载电压

首先要考虑的是负载电压是交流还是直流，以确定是选择交流还是直流固态继电器。其次，还应考虑到负载电源的电压不能大于固态继电器的输出额定电压，也不能小于固态继电器的最小电压。然后需要考虑负载电压的大小和瞬态电压。负载电压是指施加在固态继电器输出端子上的稳态电压，瞬态电压是指固态继电器输出端子可以承受的最大电压。当切换或通电给交流感性负载、单相电机或三相电机时，固态继电器输出端的电压可能是电源峰值电压的两倍，需要注意的是，这个电压不能大于固态继电器的瞬态电压，以防止过大的冲击电压损坏电子开关。因此，在选择固态继电器时，最好为输出电压预留余量，也建议选择带有RC电路的固态继电器以保护它，并优化dv/dt特性。

* RC电路

RC电路，也称为RC滤波器，RC缓冲器或RC网络，是由电阻和电容组成的电路。内置压敏电阻吸收电路和RC缓冲电路的固态继电器具有性能好、使用寿命长等优点。RC电路能够允许特定频率的信号通过并拦截其他频率以滤除干扰信号。此外，RC电路还能够降低输出电压的上升率（dv/dt），吸收浪涌电压，抑制过大的瞬态电压/电流，并避免固态继电器因过电压而损坏。

8.2 负载电流

固态继电器的输出电流值是流过固态继电器输出端的稳态电流值，通常等于负载电流值。固态继电器的过载能力较弱，如果负载电流过大，那么这些过电流会产生大量的热量，而且由于固态继电器的开关元件对温度非常敏感，所以它们的温度越高，它们的导通能力越差，它们更容易被击穿。因此，固态继电器的输出电流不应超过其额定输出电流，浪涌电流不得超过过载能力，特别是对于容易产生浪涌电流的感性/容性负载，以及电源本身产生的浪涌电流。

显然，有必要为输出电流留出余量，以避免过大的浪涌电流缩短固态继电器的寿命。例如，对于一般阻性负载，固态继电器的有效工作电流值可以根据标称值的60%来确定。除了裕量之外，还有其他方法可以保护固态继电器，例如为其配备快速保险丝和空气断路器，以及在其输出端上添加RC缓冲电路和压敏电阻（MOV）。压敏电阻的规格选择与电压有关，例如，220VAC固态继电器可以选择标称值为500V-600V的MOV，380VAC固态继电器可以选择标称值为800V-900V的MOV。

* 浪涌电流

浪涌电流又称过载电流、输入浪涌电流、接通浪涌电流和尖峰电流，是几乎所有受控负载开通时都会出现的高幅值、高频率的瞬时大电流。以下是可能发生浪涌电流的一些常见情况。

● 电加热装置，如白炽灯和电炉，都是纯阻性负载，具有正稳定系数，但在低温下电阻很小，因此启动时的电流会超过稳态电流的几倍。

● 某些类型的灯芯在烧毁时具有非常低的阻抗，因此它们也会产生较大的浪涌电流。

● 当电机导通、闭合或转子锁定时，会产生较大的浪涌电流和电压。需要注意的是，堵转是指电机在0rpm时仍输出转矩的现象，由于电机的功率因数极低，电机的堵转电流可达额定电流的7倍。

● 当中间继电器或电磁阀因没有可靠关闭而发生抖动时，会产生较大的浪涌电流。

● 当电容组或电容电源切换时，会发生类似短路的现象，并产生非常大的电流。

● 当电容换向式电机反转时，电容电压和电源电压叠加在固态继电器的输出端，固态继电器将承受两倍于电源电压的浪涌电压。

浪涌电流也是固态继电器开通时不能重复施加在输出端的最大电流值，否则会对固态继电器造成永久性损坏。一般来说，交流固态继电器的浪涌电流需要限制在一个周期内额定工作电流的5-10倍，直流固态继电器的浪涌电流需要限制在一秒钟内额定工作电流的1.5-5倍。浪涌电流虽然是有害的，但是却很难避免，因此通常需要一些保护手段来吸收或转移它。在选择固态继电器时，应首先分析受控负载的浪涌特性，使其在保证稳态运行的同时能够承受浪涌电流。然后，根据实际应用中的降额系数来确定固态继电器的额定电流。如果所选的固态继电器需要在对稳定性、使用寿命和工作频率有严格要求的环境中运行，则应根据已知的降额系数，将额定电流进一步除以0.6作为其稳态运行的电流值，以保证其可靠运行。此外，电阻器或电感器可以串联在输出电路上，以进一步限制电流。

注意：请不要使用固态继电器的浪涌电流值作为选择负载启动电流的依据。因为该浪涌电流值是以固态继电器中电子开关元件的浪涌电流为依据的，它是电子开关元件在半个或一个供电周期（即10ms或20ms）内所能承受的最大电流值。

8.3 负载类型

根据电阻抗，负载可分为三种类型：阻性负载（或纯阻性负载）、感性负载和容性负载。在通常的电器中没有纯感性负载和纯容性负载，因为这两种类型的负载不做有功功率。在串并联电路中，如果容抗大于感抗，则该电路将为容性负载，反之亦然。

8.3.1 阻性负载

总而言之，符合欧姆定律的负载就可以被称作是阻性负载。当然，阻性负载的电阻值并不是完全恒定的，有些阻性负载在低温下会表现出低电阻，从而产生较大的启动电流。例如，当电炉刚开启时，其启动电流比其稳定电流大1.3-1.4倍;当白炽灯打开时，其启动电流比其稳态电流大10倍。

Q1: 阻性负载工作时有什么特性？

在直流电路中，电流和电压之间的关系符合基本欧姆定律，即I=U/R。而在交流电路中，电流相位与电压的相位相同（与电源相比）。

Q2: 哪些是阻性负载？

用电阻加热的加热装置（如电阻炉、烤箱、电热水器、热油等），以及依靠电阻丝发光的灯具（如碘钨丝灯、白炽灯等）。

8.3.2 感性负载

一般来说，感性负载是指应用电磁感应原理的负载，如冰箱、空调和其他具有电感参数的大功率家用电器。感性负载会增加电路的功率因数，并且经过感性负载的电流不能突变。感性负载在启动时需要较大的启动电流，约为维持正常工作所需稳态电流的3-7倍。例如，异步电动机的启动电流是额定值的5-7倍，直流电动机的启动电流略大于交流电动机的启动电流;一些金属卤化物灯的导通时间长达10分钟，其脉冲电流高达稳态电流的100倍。

此外，当电源打开或关闭时，感性负载会产生反电动势（缩写为counter CEMF或简称CEMF，通常为电源电压的1-2倍），该反电动势将叠加在电源电压上并产生高达电源电压三倍的电压。因此，当负载类型为感性负载时，固态继电器的输出端应连接耐压为负载电压1.6-1.9倍的压敏电阻。但是，CEMF是一个随L和di/dt变化的不确定值，因此如果电流变化率（di/dt）过高，固态继电器仍会损坏。在实际应用中，CEMF可以通过串联电感L来减小，L电感的大小取决于尺寸和成本。

Q3: 感性负载工作时有什么特性？

感性负载是滞后的，即电流滞后于电压。在直流电路中，感性负载允许电流流过电感并将能量存储在电感中，并且电流滞后于电压。在交流电路中，电流相位滞后于电压相位（与电源相比），并且相位最多可以滞后四分之一周期（或90度）。

Q4: 哪些是感性负载？

依靠通电气体发光的灯（如日光灯、高压钠灯或HPS灯、汞灯、金属卤化物灯等）和大功率电气设备（如基于电机的设备、压缩机等）。

8.3.3 容性负载

通常，容性负载是具有降低电路功率因数的电容参数的负载。由于电容器两端电压不能突变，因此容性负载在充电和放电过程中将处于类似短路的状态。

Q5: 容性负载工作时有什么特性？

容性负载是超前的，即电流领先于电压。在直流电路中，容性负载阻止电流流动，但可以存储能量。在交流电路中，电流相位超前于电压相位（与电源相比），并且该相位最多可以超前四分之一周期（或90度）。

Q6: 哪些是容性负载？

带有电容的设备，例如补偿电容。此外，一些电源控制设备也是容性负载，如开关电源、IT设备。

* 如何根据负载类型选择固态继电器？

● 感性和容性负载在交流固态继电器的通断过程中会在其输出端产生高dv/dt，因此建议选择具有高dv/dt容量的固态继电器或在其输出端添加缓冲电路。

● 如果交流负载是阻性或感性的，建议使用零交叉固态继电器，因为它不仅能有效延长使用寿命，还能减少射频干扰。

● 如果固态继电器要作为相位输出控制器，则建议使用随机触发固态继电器。

* 功率因数

交流电系统的功率因数在电气工程中被定义为负载的实际功率与电路的视在功率之比，即-1到1的闭区间内的无量纲数。一般来说，如果没有额外说明，视在功率约等于负载的总功率，其包括了有功功率和无功功率。有功功率是阻性负载所消耗的功率，它是以热能的方式离开负载，且这个过程是不可逆，因此它也就是负载实际消耗的功率。无功功率是容性或感性负载消耗的功率，是以磁场，电场的形式存储起来的能量，且这个过程是可逆的。电气设备一般标有其总功率和功率因数，例如，如果一台设备的总功率为40瓦，功率因数为0.75，那么可以计算出其有功功率为30瓦，无功功率为10瓦。

8.4 输入控制信号

● 输入控制电压：输入控制电压有3-32V的宽范围。

● 输入控制电流：直流固态继电器和交流单相固态继电器的输入电流一般在10mA左右，交流三相固态继电器的输入电流一般在30mA左右，也可以定制为小于15mA。

● 控制频率：交流固态继电器的控制工作频率一般不超过10Hz，直流固态继电器控制信号周期应大于继电器“开通时间”和“关断时间”之和的五倍。

8.5 安装方式

在许多情况下，负载功率将限制固态继电器是安装在PCB、面板上还是DIN导轨上。

8.6 环境温度

当固态继电器处于导通状态时，它将承受P=V（通态压降）×I（负载电流）的耗散功率，并且固态继电器的负载能力受环境温度和自身温度的影响很大。如果环境温度过高，固态继电器的负载能力将不可避免地相应下降，而且，固态继电器可能会失控，甚至永久损坏。因此，有必要根据实际工作环境设置一定的余量，并选择合适的散热器尺寸，以保证散热条件。对于大于5A的负载电流，应安装散热器。对于高于100A的电流，应配备散热器和风扇以进行强制冷却。如果固态继电器长时间在高温（40°C-80°C）下工作，可以根据制造商提供的最大输出电流和环境温度曲线降低负载电流，以保证正常工作，负载电流通常控制在额定值的1/2以内。

* 降额系数

下表显示了在室温下施加在各种负载上的固态继电器的额定输出电流的推荐降额系数（已考虑过载能力和负载浪涌电流）。

有两种方法可以使用降额系数：

● 固态继电器的额定电流值可根据不同环境和不同负载类型的降额系数进行选择。通过将负载电流除以相应的降额系数，就能得到固态继电器的额定电流值，一般建议选择大于此值的固态继电器。

● 如果在确定负载电流之前选择了固态继电器，则应根据负载曲线和特定环境中的降额系数调整负载电流。通过将固态继电器的额定电流乘以相应的降额系数，可以得到负载电流值，一般建议该值应低于固态继电器的额定电流。

此外，如果固态继电器用于对工作频率、使用寿命和可靠性要求更严格的电气设备，则应将上表中的降额系数进一步乘以0.6，以获得更严苛的降额系数。需要注意的是，虽然建议负载电流应低于固态继电器的额定电流，但不能低于固态继电器的最小工作电流，否则固态继电器将无法成功地开通或输出状态异常。

§9. 使用或安装固态继电器时的注意事项

● 用电设备的实际应用环境必须严格满足固态继电器参数和特性曲线的要求。

● 请勿将固态继电器用于具有大量低频或高次谐波分量的用电设备中。例如，如果将固态继电器直接用作变频器的电子开关，则高次谐波可能会导致固态继电器无法可靠地切换负载，并且固态继电器内部的RC电路会因过热而烧坏。

● 固态继电器应远离强电磁干扰源和射频干扰源，以免其失控，确保其能够稳定、安全地运行。

● 建议为固态继电器配备适当的散热片，除了发热量非常小的PCB安装固态继电器（额定电流为1-5A）。安装散热片时，在固态继电器底板和散热片之间涂上导热硅脂，并拧紧螺丝，使它们彼此紧密接触，以达到最佳散热效果，并且还可以通过添加散热风扇来显着增强散热效果。为了保证大功率固态继电器不会因过热而烧坏，可以在固态继电器底板附近安装温控开关，其温度控制点通常设置在75°C至80°C之间。

● 如果输入电压过高而超过固态继电器的额定值，则可以将分压电阻串联到固态继电器的输入端，以吸收多余的电压。同样地，如果输入电流过高，可以在固态继电器的输入端并联一个分流电阻，以吸收多余的电流。

● 控制信号和负载电源应当稳定，其波动不应超过10%，否则应采取调压措施。

● 如果使用固态继电器来控制变压器的初级回路，则应考虑次级回路的瞬态电压对初级回路的影响。此外，还需要考虑由于变压器饱和而产生的浪涌电流。因此，可以使用示波器来测量这些潜在的浪涌电流和浪涌电压，以便选择合适的固态继电器)和保护措施。

● 当负载电源施加到输出端时，即使固态继电器不工作，输出端仍然会有一些漏电流，这在使用固态继电器和设计电路时应注意。再者，在维修期间，维修人员必须先切断电源，然后再检查固态继电器的输出电路。

● 如果固态继电器因故障需要更换，建议选择相同型号或相同技术规格的固态继电器，以匹配原装电气设备，并确保设备的可靠运行。

§10. 测试固态继电器时的注意事项

● 首先，在测试之前，要区分固态继电器的输入和输出端子，以及它的规格，还要了解固态继电器的输出电流与外壳温度（环境温度）之间的关系，以避免过载对固态继电器所造成的永久损坏（温度越高，固态继电器的负载能力越差），如果发现环境温度过高，则应配备强制散热装置。

● 在测试直流固态继电器的导通和关断电压时，输入电压不应长时间保持在导通和关断之间的中间状态，否则输出端的功耗会急剧上升，并烧毁输出开关元件。

● 在测试过程中，请不要随意加快固态继电器的工作频率，否则固态继电器会因动态开关损耗过大而无法工作，甚至烧坏其输出开关元件，因此一般建议输入信号的一个周期应大于固态继电器开关时间的5倍。

● 由于半导体器件的特性，固态继电器的输出端在关断状态下仍会有一定的漏电流，所以不要随意触摸固态继电器的输出端。

● 在高压下测试固态继电器的介电耐压和绝缘电阻容易发生触电危险，因此请按照规格进行测试。