欧姆龙固态继电器工作原理.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流欧姆龙固态继电器工作原理.精品文档.欧姆龙固态继电器工作原理固态继电器（SSR）的定义SSR和有接点继电器的不同所谓SSR， 是固态继电器（Solid State Relay） 的简称， 是无可动接点部分的继电器（无接点继电器）。在动作上与有接点继电器相同， 但是该继电器使用半导体闸流管、晶闸管开关元件、二极管、晶体管等半导体开关元件。另外也使用名为光电耦合器的光半导体， 使其输入输出绝缘。光电耦合器的特点是用光的信号在绝缘空间中进行传送， 所以绝缘性更好， 传送速度也更快。SSR是用无接点的电子零件制造的， 比有接点的有很多优点。其中最大的

2、优点是， 不会像有接点继电器一样因开关而损耗接点。特别是：可以对应高速、高频率开关 没有接触不良 发生干扰小 没有动作音等， 适用于广泛的领域。固态继电器（SSR）的构成固态继电器（SSR） （交流负载开关的代表示例）电磁继电器（EMR:Electro Magnetic Relay）向线圈施加输入电压， 使其发生电磁力， 移动可动铁片， 从而切换接点。不仅可在控制柜上使用， 还可用于其他范围。而且原理简单可低成本加工。SSR的控制（ON/OFF控制、循环控制、相位控制）ON/OFF控制接受温控器的电压输出信号， 通过开关SSR来控制加热器的ON/OFF。在电磁继电器中也可进行相同的控制， 但是

3、以数秒间隔控制ON/OFF， 使用数年时需要SSR。循环控制（G32A-EA） 以0.2秒（固定） 为控制周期。其方式是使其在0.2秒内ON/OFF， 从而控制输出电力。接受温控器的电流输出420mA来控制。循环控制中的注意点进行循环控制时， 每秒钟接通电源5次（控制周期为 0.2S）。由于变压器负载中的接通电流非常大（通常电流的10倍左右）（1）SSR的额定没有余量导致SSR的破坏。（2）负载电路上的断路器发生触发。可能出现以上情况。因此， 循环控制中不能进行变压器一次侧的电力控制。相位控制接受温控器的电流输出420mA的信号， 使输出量每半循环发生变化。可进行高精度的温度控制， 多用于半导

4、体制造装置中。MOS FET继电器的构成和动作原理MOS FET继电器是在输出元件中使用功率MOS FET的SSR。为使功率MOS FET动作， 光电二极管阵列作为受光元件使用。输入端子中有电流流过时， LED会发光。这个光使光电二极管阵列中发生光电流， 这使栅极电压使功率MOS FET置于ON。用源共通连接2个功率MOS FET， 可控制AC负载。DC专用的类型中有带1个电源 MOS FET的类型。信号用MOS FET继电器G3VM不含变阻器。MOS FET继电器的名称该商品为新型商品， 在各个公司有各种名称、商标。下表表示信号用（相当于G3VM） 的示例。厂商名样本上的名称东芝光继电器松下

5、电工Photo MOS继电器日本电气光MOSFET继电器冲电气光MOS开关冲田制作所Photo DMOS-FET继电器HPSolid State Relay欧姆龙MOS FET继电器SSR的内部电路构成例负载规格过零触发功能绝缘方式电路构成型号交流负载用有 1光电耦合器G3HG3BG3FG3NA（AC输入）无光电三端双向可控硅开关G3NEG3JG3FG3HG3TA-OA有 1光电三端双向可控硅开关G3PA-VDG3PB（单相）G3NA（DC输入）G3NE有 1光电三端双向可控硅开关G3PB-2（N）（三相） 2有 1光电三端双向可控硅开关G3PB-3（N）（三相） 2有 1光电耦合器G3NA-

6、4B型G3NHG3PA-4B型G3PB-5B型直流负载用光电耦合器G3FD、 G3HDG3BDG3TA-ODG3NA-D交流直流负载用无光电霍尔耦合器G3FM1. 过零触发功能具有过零触发功能的SSR在交流负载电压为零或接近零时动作。具有过零触发功能的SSR有以下效果。减小负载接通时的爆裂噪声。在灯、加热器、马达等的负载中由于抑制了接通电流，可以减轻对电源的影响，还可以减小接通电流保护电路。2. 200V型的输出开关元件上使用了晶闸管。固态继电器 用语说明SSR用语集固态继电器用语说明电路功能光电耦合器光电三端双向开关耦合器传送输入信号的同时使输入和输出绝缘。过零触发电路（参照144页）在交流

7、负载电压的零相位附近开始动作的电路。触发电路控制开关负载电流的晶闸管开关的触发信号的电路。缓冲电路由R、C构成，抑制施加到晶闸管开关等上的急剧启动电压，防止SSR晶闸管开关误启动的电路。输入额定电压输入信号的标准电压。使用电压输入信号的容许电压范围。输入阻抗输入电路、限制电阻的阻抗。恒电流输入电路方式随输入电压发生变动。动作电压从输出断开状态到接通状态时的输入电压的最小值。复位电压从输出断开状态到接通状态时的输入电压的最大值。输入电流施加额定电压时流过的电流值。输出负载电压可以在负载开关及连续断开状态下使用的电源电压的有效值。最大负载电流在指定的冷却条件（散热片的大小、材质、厚度、环境温度散热

8、条件等）下可以连续流经输出端子的最大电流的有效值。漏电流输出处于断开状态，施加指定负载电压时流经输出端子之间的电流。输出ON电压下降在指定的冷却条件（散热片的大小、材质、厚度、环境温度散热条件等）下通过最大负荷电流时出现在输出端子之间的电压的有效值。最小负载电流SSR可以正常开关负载的最小负载电流。性能动作时间向输入施加规定的信号电压后，直到输出接通的延迟时间。复位时间切断施加到输入上的信号电压后，直到输出断开为止的延迟时间。绝缘电阻在输入端子输出端子之间以及输入输出端子金属外壳（散热片）之间施加直流电压时的电阻。耐压输入端子输出端子之间以及输入输出端子金属外壳（散热片）之间可以忍耐1分钟以上

9、的交流电压的有效值。使用环境温度、湿度在规定的冷却、输入输出电流条件下SSR可以正常动作使用的环境温度、湿度范围。保存温度不施加电压，可以放置保存的温度范围。其他接通电流耐量 SSR的可流动非反复的电流最大值。表示商用频率、1周期的波高值。反向电压负载开关时、切断时产生的非常急剧的电压。泄放电阻为了正常开关极小负载而用于增加视在负载电流，与负载并联的电阻。以往是以投入电流耐量 来表现的， 但这与负载的浪涌电流容易混淆， 因此改为接通浪涌电流耐量 。固态继电器 使用注意事项使用SSR前实际使用SSR时，有时会发生预想不到的事故。为此，必须尽可能地进行测试。例如，考虑SSR特性时，经常必须考虑到各

10、产品的差异。有关目录中记载的各额定性能值，如果没有特别指明，则所有值都是在JIS C5442标准试验状态（温度1530、相对湿度25 85%RH、气压86106kPa）下的值。确认实际设备时，除了负载条件以外，还必须在和实际使用状态相同的条件下确认使用环境。关于输入电路关于输入侧的接线SSR的输入阻抗有一定参差， 应避免若干个输入的串联连接， 否则容易造成误动作。关于输入噪声SSR 动作时间及动作所需的功率极小， 因此必须控制影响到 INPUT端子的噪声。如果噪声施加到端子， 会引起误动作。以下是针对脉冲性噪声和感应性噪声的对策举例。脉冲性噪声利用C、R吸收噪声非常有效。下图是针对光电耦合器方

11、式的 SSR选择C、R的实例。为满足SSR的输入电压， 在R和电源电压E的关系上确定R的上限。C变大时，由于C的放电复位时间将变长。请注意上述2点，确定C、R。感应噪声请不要将输入线路和动力线并排设置。感应噪声可能导致SSR 误动作。当感应噪声在SSR的输入端子处感生电压时，必须通过绞合线（电磁感应）、屏蔽线（静电感应）将影响SSR输入端子的感应噪声引起的感应电压控制在SSR的复位电压以下。此外，对高频设备发出的噪声，请附加C、R滤波器。关于输入条件关于输入电压的纹波输入电压中有纹波的场合， 请将峰值电压设定在使用电压的最大值以下， 谷值电压设定在使用电压最小值以上后使用。漏电流对策通过晶体管

12、输出驱动SSR的场合， 有时会由于断开时晶体管的漏电流导致复位不良。作为对策， 请如下图所示， 连接泄放电阻R， 设置加在泄放电阻R两端的电压E在SSR复位电压的1/2以下。利用下列公式计算泄放电阻R。R E/（ILI）E ： 加在泄放电阻R两端的电压=SSR复位电压的1/2IL ： 晶体管的漏电流I ： SSR的复位电流目录中没有记载SSR复位电流值， 因此要按以下公式计算。SSR的复位电流复位电压的最小值/输入阻抗恒定电流输入电路的SSR（G3NA、G3PA、G3PB等）以0.1mA 计算。下面以G3M-202P DC24为例进行计算。复位电流 I1V/1.6k 0.625mA泄放电阻值

13、R （1V1/2）/（IL0.625mA）开关频率如果是交流负载开关， 请将开关频率控制在10Hz下使用， 如果是直流负载开关， 请将开关频率控制在100Hz以下使用。如果超出上述开关频率使用， 则可能导致SSR的输出跟不上。输入阻抗在输入电压有一定宽度的SSR （如G3F、G3H） 中， 有些机种的输入阻抗会随着输入电压发生变化， 输入电流也随之发生变化。用半导体等驱动SSR的场合， 电压会导致半导体故障， 请对设备进行确认后使用。下面是代表例。关于输出电路关于交流开关型SSR输出处的噪声、浪涌SSR 使用的交流电源中叠加有能量较大的浪涌电压的场合， 由于插入SSR的LOAD端子之间的C、R

14、缓冲电路（内置在SSR 中） 的抑制能力不足， 会超出SSR瞬态峰值电压， 导致SSR的过电压破坏。要测定浪涌在很多情况下都是比较困难的， 基本上都是采用增加变阻器。最终使用阶段可确认没有浪涌的场合除外。G3NA、G3S、G3PA、G3PB、G3PC、G3NE、G3J、G3NH、 G9H、G3DZ、G3RZ、G3FM以外的机种中没有内置浪涌吸收用可变电阻。请务必在开关感性负载时实施附加浪涌吸收元件等浪涌对策。下面是附加了浪涌电压吸收元件时的对策举例。本公司是在以下条件下通过耐冲击电压试验， 来确认SSR输出侧耐量的。使用电压可变电阻电压浪涌耐量AC100120V用240270V1000A以上A

15、C200240V用440470VAC380480V用8201000V关于输出侧的连接请避免SSR输出侧的并联。SSR的场合， 不可能出现输出侧两头都为ON的情况， 因此负载电流不会增加。关于直流开关型SSR的输出处的噪声浪涌连接螺线管、电磁阀等负载时， 请连接防止反电动势的二极管。施加超出SSR输出元件耐压的反电动势时， 会导致SSR输出元件的破坏。作为相应措施，可以将表1的元件和负载并联插入。（参照下图）吸收元件中， 二极管方式是抑制反电动势效果最好的。但螺线管、电磁阀的复位时间会变长。请在实际使用电路上确认后使用。另外， 可以使用二极管和齐纳二极管缩短复位时间。在这种情况下， 齐纳二极管的

16、齐纳电压（Vz） 越高复位时间越短。表1 吸收元件例（参考）二极管的选择方法耐电压VRM电源电压2正向电流IF负载电流齐纳二极管的选择方法齐纳电压VZSSR的集电极发射极之间电压 （电源电压2V）齐纳浪涌功率PRSMVZ负载电流安全率（23）如果齐纳电压（Vz） 增高， 则齐纳二极管的容量（PRSM） 将变大。关于DC输出型中的AND电路在以下电路中，请使用G3DZ、G3RZ。在一般情况下， SSR也可能出现复位不良。关于自保持电路要使用自保持电路时， 请利用有接点继电器构成电路。（SSR中不能组成自保持电路）。关于各负载的SSR的选择下面显示各负载中浪涌电流的实例。加热器（阻性负载）没有浪涌

17、电流的负载。一般和电压输出的温度控制器组合用于开关加热器。还可以使用带过零触发功能的SSR， 大幅抑制噪声的产生。但是， 该种负载不包括纯金属类、陶瓷类的加热器。纯金属类、陶瓷类的加热器在常温下电阻值较低， 因此SSR中流过过载电流， 可能导致SSR破坏。开关纯金属类、陶瓷类的加热器时， 请选择电力调整器（G3PX） 的长时间软启动类型或恒定电流类型。灯负载白炽灯、卤素灯等接通电流很大。（额定电流的约1015倍）请选择SSR， 使得该接通电流的峰值在SSR接通电流耐量的1/2 以下。（参照下图的重复曲线虚线）重复施加超出接通电流耐量1/2的接通电流， 会导致SSR输出元件的电流破坏。马达负载马

18、达启动时，会有相当于额定电流510倍的接通电流流过。另外， 接通电流流通的时间也会变长。因此， 测定实际使用状态下的接通电流及启动时间后， 选择SSR使得接通电流的峰值在 SSR接通电流耐量1/2以下。SSR关闭时由于马达发出的反电动势可能会导致SSR的破坏， 请实行过电压保护。变压器负载SSR关闭瞬间， 10500ms之内会有1020倍的励磁电流流过 SSR。如果次级无负载， 励磁电流最大。请选择SSR使得该励磁电流在SSR接通电流耐量1/2以下。半波整流电路有些交流用电磁计数器及螺线管内置有二极管， 半波整流。该负载中只加有SSR的输出电压的半波。为此， 在带过零触发功能的SSR中， 可能

19、导致无法关闭。对此， 可以采取以下两种方法解决。1. 连接流过SSR负载电流约20%的电流的泄放电阻。2. 使用无过零触发功能的SSR。但半波整流的制动器线圈的开关则不受此限制， 请另行商谈。全波整流负载有些交流用电磁计数器及螺线管内置有二极管， 全波整流。这种负载中的负载电流会如下图所示， 变为接近于矩形波的波形。因此， 交流用SSR在输出元件中使用晶闸管开关（电路电流不为0， 元件不断开） ， 如果负载电流波形为矩形波， 可能导致 SSR复位不良。开关全波整流的负载时， 请选择-V型或功率MOSFET继电器。（-V型SSR）（-V型SSR） G3F-203SL-V、G3H-203SL-V（

20、功率MOS FET继电器） G3DZ、G3RZ、G3FM小容量负载SSR中没有输入信号时， 输出（LOAD） 处会流过数mA的漏电流IL。为此， 如果该漏电流大于负载的复位电流， 会引起复位不良。请增加SSR开关电流的泄放电阻R和负载并联，以解决问题。变频器负载请不要将变频器控制的电源作为SSR的负载电源使用。变频器控制的波形会变为矩形波， 因此dV/dt非常大， 会引起SSR误启动， 导致复位不良。在输入处使用变频器控制的电源的场合， 只要电源的有效值在 SSR的使用电压范围内， 就可以使用。电容性负载SSR关闭时， 电源电压+电容器的电荷电势施加到SSR的两端，因此请选择SSR使得可使用电

21、压在电源电压的2倍以上， 同时使得充电电流在SSR接通电流耐量1/2以下。关于使用负载电源1. 关于整流的电源通过全波整流或半波整流将交流电源作为直流负载电源使用时，请设定负载电源的峰值电源不超出SSR使用负载电源的最大值。在这样的情况下， 会变成过电压， 导致SSR输出元件破坏。2. 关于交流负载电源的使用频率关于交流负载电源的使用频率， 请控制在4763Hz。3. 关于交流低电压负载在SSR的使用负载电压范围的最小值以下使用负载电源时， 施加到负载上的电压的损失时间比在SSR使用电压范围内使用负载电源时的时间长。下图是负载例。（损失时间A三端双向可控硅开关。在3.7kW级的电机中， 即使是

22、感应负载， 也可以用三端双向可控硅开关进行充分开闭。以三端双向可控硅开关1个元件与晶闸管的反并联具有同等的功能， 所以对 SSR的小型化也做出了贡献。电阻负载感应负载40A以下超过40A3.7kW以下3超过.7kW三端双向可控硅开关晶闸管2Q4:SSR的输出侧是否可以串联连接？A4:可串联连接。主要用于短路模式故障的补偿。另外，浪涌电压分担各自的SSR，对过电压进行分压，减轻了SSR的负担。但是， 进行串联连接时， 无法提高使用电压。由于动作时间、复位时间的差，开闭时不能分担负载电压。Q5:直流负载用SSR的浪涌吸收电路怎么样会比较好？A5:关于直流负载开闭型SSR的输出侧干扰、浪涌对策。连接

23、螺线管、电磁阀等的L负载时，请连接避免产生反向电压的二极管。施加超出SSR输出元件耐电压的反向电压时，会导致SSR 的输出元件损坏。作为对策， 请将表1的元件与负载并联接入。吸收元件中， 二极管方式抑制反向电压的效果最佳。但是螺线管、电磁阀的复位时间较长。实际使用电路时请先确认后再使用。另外，作为缩短复位时间的对策，可以使用二极管和稳压二极管。此时， 稳压二极管的稳压电压（Vz） 越高， 其复位时间就越短。参考 二极管的选择方法耐电压VRM电源电压2顺电流IF负载电流 稳压二极管的选择方法稳压电压=VzVz负载电流安全率（2-3）注. 若稳压电压（Vz） 较高， 则稳压二极管的容量（PRSM）

24、 也将变大。固态继电器 施工保养检查故障安全防护方法1. 关于故障模式必须进行高频率开闭、高速开闭时， SSR是最佳的继电器， 但是， 若使用条件、操作错误， 可能会导致元件破坏等问题。SSR是由半导体元件构成的继电器， 浪涌电压、过电流等会导致元件破损等故障。此时， 元件的故障模式基本上是短路故障， 会导致负载不能切断。因此， 在使用了SSR的控制电路中， 考虑故障安全防护方法时，不是仅通过SSR切断负载电源的电路， 请通过设置于负载电源侧的接点、断路器， 设为在SSR异常时切断负载的电路。例如， AC电机作为负载的电路中， SSR发生半波故障时， 变为 DC励磁的过电流流向电机， 电机可能

25、会烧坏。这种情况下， 请通过断路器， 切断通向电机的电流电路。部位原因结果输入部施加过电压输入元件损坏输出部施加过电压输出元件损坏过电流通电全体环境温度超出规定值输出元件损坏散热状态较差2. 关于过电流保护SSR的负载（LOAD） 侧流入短路电流或过电流时， 会损坏SSR 的输出元件。作为短路保护的对策例， 请添加与负载串联的速断保险丝。作为速断保险丝的保护协调条件， SSR的浪涌容量（Is）、速断保险丝的限流特性（If） 、负载的冲击电流（IL） 均需设计为满足如下图所示关系的电路。类型推荐保险丝型号厂商5A型60PFF5U株式会社京三制作所10A型60PFF10UCR2LS-10富士电机株

26、式会社BLC012-115A型60PFF15U株式会社京三制作所20A型60PFF20U25A型60PFF25U30A型60PFF30U40A型25SHA4025LKA40B50A型25SHA5025LKA50B60A型25LKA60B75A型25LKA75B100A型25LKB100B150A型25LKB150B注. 上述保险丝可保护SSR 不受意外事故引起的短路电流的影响。对于过电流保护， 请根据每台使用设备选择合适的NF断路器等的保护对策。3. 关于动作显示灯如下图所示， 动作显示灯所显示的是输入电路的通电， 并不显示输出元件的接通。4. 关于SSR的耐久性SSR没有机械磨损。因此， S

27、SR的耐久性以所使用的内置零件的故障率表示。例如， G3M-202P时， 内置零件的故障率为321Fit （1Fit=10-9= （故障/时间）。根据这一值计算出的MTTF如下所示。MTTF321/603.12106 （时间）关于SSR的耐久性锡焊、热应力， 也必须考虑其综合耐久性。也有可能因热应力导致锡焊老化等各种问题。本公司已在下述条件的加热器循环试验中进行了可靠性评价。条件： 30100、200循环应用电路图1. 与传感器的连接SSR可直接连接接近开关、光电开关等传感器。2. 白炽灯的闪烁控制3.电气炉的温度控制4. 单相感应电动机的正反运转注1. SR1、SSR2其中一个为断开侧SSR

28、的LOAD端子间电压， 由于通过 LC结合， 电压约为电源电压的2倍，请务必使用具备电源电压2倍以上的输出额定电压的SSR（例） 电源电压交流100的单相感应电动机的正反运转， 应使用有交流200以上输出电压的SSR注2. 切换SW1和SW2时， 请务必确保有30ms以上的时滞。5. 三相感应电动机的接通、断开控制6. 三相电机的正反运转SSR三相电机正反运转时， 请注意SSR的输入信号。如右上图所示， 同时切换SW1和SW2时， 负载侧发生相间短路， 会损坏SSR 的输出元件。这是由于即使没有至SSR输入端子的输入信号， 输出元件（三端双向可控硅开关） 仍处于导通状态， 直至负载电流为0。因

29、此， 切换SW1和SW2时， 请务必设定30ms以上的时滞。另外， 由于至SSR输入电路的干扰等导致的SSR误动作， 也会导致相间短路、SSR损坏。作为此时的对策例， 在电路中接入防止产生短路事故的保护电阻R。对于保护电阻R， 请根据SSR的浪涌接通电流容量确定。例如， G3NA-220B的浪涌接通电流容量为 220Apeak， 因此为R220V2/220A1.4。另外， 考虑到电路电流、通电时间等， 请插到消耗功率较小的一侧。另外， 对于电阻的功率， 请根据PI2R安全率进行计算。（I负载电流、R保护电阻、安全率35）7. 变压器负载的冲击电流变压器负载时的冲击电流，在电抗不运作的2次侧开放

30、状态下为最大。另外， 由于其最大电流是电源频率的1/2周， 若不用示波器将很难进行测定。为此， 应测定变压器一次侧的直流电阻， 据此预测冲击电流。（实际上， 由于固有电抗运作， 其结果比该计算值还少）。I peakV peak/R（2V）/R假设在负载电源电压220V 使用一次侧的直流电阻3 欧姆的变压器， 则此时的冲击电流为， I peak（1.414220）/3103.7A本公司规定SSR的浪涌接通电流容量为非反复（1天1-2次）， 请选择能反复使用具备该I peak的2倍的浪涌接通电流容量的SSR。此时， 请选择具备207.4A以上浪涌接通电流容量、G3-220 以上的SSR。另外， 若

31、对此进行逆运算， 即可算出满足SSR的变压器一次侧的直流电阻值。RV peak/I peak（2V）/I peak有关变压器一次侧的直流电阻值适用SSR的一览表， 请参考附件。另外，该一览表表示满足冲击电流的SSR，还必须结合变压器的稳定电流满足各SSR的额定电流。G3-240下划线2位的数字显示稳定电流。（此时为40A）仅G3NH时 ： G3NH-075B=75A、G3NH-150B=150A条件1 ： SSR的环境温度（=柜内温度） 应在各SSR 的额定温度以内。条件2 ： 应为安装正规散热器的状态。负载电源电压100V时变压器一次侧的直流电阻（）冲击电流（A）SSR的浪涌接通电流容量（A

32、）适用SSRG3PG3NAG3NEG3NH4.8以上3060-205-2051.94.775150-210-215-210-2101.31.8110220-220-225-220-2200.651.2220440-235-240-245-260-2400.360.64400800-20750.160.359001,800-2150负载电源电压110V时变压器一次侧的直流电阻（）冲击电流（A）SSR的浪涌接通电流容量（A）适用SSRG3PG3NAG3NEG3NH5.2以上3060-205-2052.15.175150-210-215-210-2101.52.0110220-220-225-220-2200.711.4220440-235-240-245-260-2400.390.70400800-20750.180.389001,800-2150负载电源电压120V时变压器一次侧的直流电阻（）冲击电流（A）SSR的浪涌接通电流容量（A）适用SSRG3PG3NAG3NEG3NH5.7以上3060-205-2052.35.675150-210-215-21