Crydom 固態(tài)繼電器" alt="Crydom 固態(tài)繼電器" width="436" height="261"/>

固態(tài)繼電器的輸出電路只不過是開關(guān)負(fù)載電流的一個(gè)元件；我們?nèi)匀灰蚤_關(guān)時(shí)的信號(hào)來定義固態(tài)繼電器–交流或直流。由于考慮到價(jià)格原因，現(xiàn)在所采用的技術(shù)中，交流和直流的開關(guān)不能同時(shí)用在同類型的固態(tài)繼電器上，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生電磁不兼容的問題。 同樣，由于散熱和價(jià)格原因，電子元件結(jié)構(gòu)也不允許同時(shí)有多個(gè)輸出，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生電磁不兼容的問題。

n  直流輸出（直流固態(tài)繼電器）

根據(jù)具體的需求，直流輸出固態(tài)繼電器的電器元件采用一個(gè)雙向晶體管或FET晶體管（場(chǎng)效應(yīng)晶體管）。為了獲得快速響應(yīng)時(shí)間，并且輸出電流不大（＜＝10安培）， 雙向晶體管是直流固態(tài)繼電器開關(guān)元件的理想選擇。FET 晶體管一般用在要求有非常低的漏電電流低（＜10微安），負(fù)載電流大（30 到40安培）但溫度升高并不多的應(yīng)用場(chǎng)合。

直流輸出固態(tài)繼電器的輸出元件可以采用2線制或3線制輸出。2線制輸出主要用于輸出電流小于10安培并處采用模塊式封裝外殼的固態(tài)繼電器，3線輸出一般應(yīng)用于I/O模塊。在2線制輸出電路中，負(fù)載可以串聯(lián)于固態(tài)繼電器的任何一個(gè)端子上，只要電源電壓的極性符合要求。

當(dāng)輸出元件是雙向晶體管時(shí)，2線連接方式可以防止晶體管完全飽和，這樣使得固態(tài)繼電器輸出兩端接通時(shí)的壓降保持在1.2-1.5VDC。這在大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合是可以接受的，特別是負(fù)載電源電壓比較高時(shí)（＞24VDC）。

當(dāng)輸出端的工作電壓較低時(shí)，例如在數(shù)字接口系統(tǒng)中，一個(gè)1.5VDC的殘余電壓就顯得太高了；在這種情況下得用3線制方式，使得輸出晶體管全飽和時(shí)，殘余電壓只有0.2-0.3VDC。I/O模塊通常被應(yīng)用于兩個(gè)低壓數(shù)字系統(tǒng)或組件之間，用作隔離接口，因此通常有3線輸出的PNP 或NPN模式。

當(dāng)固態(tài)繼電器接通時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)晶體管相當(dāng)于一個(gè)小電阻（50到80毫瓦）。根據(jù)歐姆定律，由于固態(tài)繼電器輸出端的壓降取決于通過的電流大小，例如通過20A的電流，固態(tài)繼電器量大電壓降約為1.2-1.5VDC。

n  交流輸出（交流固態(tài)繼電器）

在交流固態(tài)繼電器中， 開關(guān)元件根據(jù)需求，由可控硅組SCR或可控硅TRIAC組成。對(duì)于高額定輸出電流（＞50安培）或者高峰值電壓（1200到1500伏特）的交流固態(tài)繼電器，一般選用兩個(gè)SCR可控硅組背靠背安裝，而不選用單個(gè)雙向可控硅TRIAC。單個(gè)雙向可控硅TRIAC輸出型固態(tài)繼電器則更適用于要求經(jīng)濟(jì)便宜，對(duì)電流或dv/dt(電壓變化率)性能要求不高的場(chǎng)合。

n  可控硅SCR

在交流固態(tài)繼電器中，通常采用可控硅SCR做開關(guān)元件，因?yàn)樗?/span>SCR具有通斷幾千安培的電流，同時(shí)使固態(tài)繼電器輸出端的電壓限制在一個(gè)比較低的電壓（最高不超過2VAC），并且它還能承受10-12倍額定電流的非重復(fù)峰值電流。另外，可控硅SCR也能承受高達(dá)幾千伏的反向峰值電壓。

可控硅SCR相當(dāng)于一個(gè)單向二極管，當(dāng)控制輸入端無效時(shí)，它能阻止兩個(gè)方向的電流。在門極施加一個(gè)短的脈沖或者所加電壓超過翻轉(zhuǎn)電壓VB0，可控硅SCR就可以導(dǎo)通（從陽極到陰極）。同時(shí)，只有在電壓翻轉(zhuǎn)或者通過的電流減少到低于最小維持電流IH并持續(xù)很短的一段時(shí)間（約15us）。

可控硅SCR可以看成是將兩個(gè)晶體管裝在一起，集成到同一個(gè)硅芯片上，使它們之間產(chǎn)正向逆反饋。當(dāng)V1的基極或門極施加一脈沖信號(hào)后，V1開始導(dǎo)通，在晶體管V2的基極產(chǎn)生一電流，使得流過V2集電極（V1基極）的電流增大，使得V1進(jìn)一步飽和（正向逆反饋）。進(jìn)一步，可控硅SCR就不再受其輸入端控制。

可控硅SCR相當(dāng)于一個(gè)開關(guān)二極管，但作為一個(gè)單向元件它有許多弊端。為了克服其弊端，使其能在電源正、負(fù)半波都能工作，通常在固態(tài)繼電器中采用兩個(gè)SCRs反向并聯(lián)（背靠背安裝）。

n  可控硅Triac

隨著半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展，可以非常經(jīng)濟(jì)方便地將兩個(gè)同等的反向可控硅SCRs合成在同一芯片上，受控于同一個(gè)輸入端：這樣可控硅Triac就誕生了。然而可控硅Triac很大程度上受限于電流（最大電流=40/50安培），電壓（最大=800伏）和最大的dv/dt特性。最大的dv/dt值被認(rèn)為是最重要的參數(shù)，dv/dt參數(shù)可以通過增加濾波器來改善，濾波器也集成到可控硅Triac內(nèi)部。通常不帶濾波器的雙向控硅Triacs被稱為“無吸收”可控硅。

電源通斷還有其他解決方案，如交變可控硅（2個(gè)背靠背安裝可控硅組SCRs受控于一個(gè)雙向可控硅Triac）；它的動(dòng)作類似于兩個(gè)背靠背安裝的SCRs。

功率元件的主要受限因素

可控硅SCRs和Triacs，以及其他開關(guān)元件，通常適用于快速通斷大電流的場(chǎng)合。除了考慮一般的最大電流、電壓等的限制外，還要考慮其他一些具體的限制因素，來優(yōu)化固態(tài)繼電器的性能和避免故障。

n  靜態(tài)dv/dt 限制

可控硅組SCRs和Triacs這些器件迷人特性（大電流，高開關(guān)速度）源自于它們的正向逆反饋，同時(shí)，正向逆反饋也給這些器件帶來dv/dt限制。在陽極和陰極之間產(chǎn)生一個(gè)瞬時(shí)的電壓變化，可能會(huì)導(dǎo)致SCR不受控地導(dǎo)通。由于陽極和門極之間的電容效應(yīng)。如果C是雜散電容，電流通過此電容，因而V1（見可控硅SCR原理圖）的基極電流可被定義為：

I=C.dv/dt

取決于C和dv/dt值的大小，電流有可能上升到足夠高，使得可控硅SCR導(dǎo)通。施加在固態(tài)繼電器兩端的最大電壓變化，而不會(huì)使固態(tài)繼電器出現(xiàn)非受控導(dǎo)通的值（靜態(tài)dv/dt），通常在技術(shù)規(guī)格書中明確以V/us的方式標(biāo)識(shí)出來。500V/us是可控硅SCR的典型值，而雙向可控硅Triac的dv/dt大約是200V/us。通過比較， 230VAC，50Hz的供電，在通過零點(diǎn)時(shí)的最大dv/dt值是0.1V/us。

dv/dt值可以通過在內(nèi)部或外部加RC阻容吸收，得到顯著提高。然而RC濾波器的缺點(diǎn)是增大漏電電流。

n  開關(guān)動(dòng)態(tài)dv/dt 限制

同樣SCR非受控導(dǎo)通現(xiàn)象也會(huì)發(fā)生在帶感性負(fù)載，電流過零點(diǎn)時(shí)斷開電路的情況下。在這種情況下，可控硅SCR在電流過零點(diǎn)時(shí)斷開，主回路的瞬時(shí)電壓就會(huì)立刻加在可控硅SCR的兩端。電流和電壓的相位相差越大，則電壓的變化越陡峭，同時(shí)陽極和門極的電容耦合效應(yīng)可以使控硅SCR反向?qū)ǎ疱e(cuò)誤導(dǎo)通故障。引起可控硅triac導(dǎo)通的dv/dt典型值為20V/us。

然而，這種故障非常少見，只發(fā)生在接近額定電流時(shí)，開關(guān)高感性負(fù)載的情況下。使用“無吸收”元件也可以減少這種現(xiàn)象。

n  di/dt 限制

由于內(nèi)部的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，可控硅組Triacs和SCRs僅有非常有限的能力來吸di/dt電流變化，在半導(dǎo)體的結(jié)點(diǎn)處會(huì)有因?yàn)檫^熱而損壞的危險(xiǎn)。固態(tài)繼電器可承受的最大di/dt值取決于輸出元件，其范圍從10-200 A/us。

在實(shí)際應(yīng)用中，很難達(dá)到這些值。這是由于在電流增加時(shí)，所有線路中的雜散電感應(yīng)（盡管微弱）和電阻阻抗限制了電流的增加率。

n  漏電流

交流固態(tài)繼電器都是2線制輸出元件，跟同類電子元器件一樣，存在有漏電流的缺點(diǎn)。取決于所選用的元件不同，一般漏電電流通常在2到10毫安之間。將它們應(yīng)用到控制系統(tǒng)時(shí)務(wù)必要考慮到漏電電流可能帶來的影響。采用吸收器或外接RC過濾器會(huì)進(jìn)一步增加漏電電流。