固态继电器-SSR | 无涯のBLOG

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固态继电器(SSR)-定义

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(Solid State Relay)

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。

工作原理及应用

AC负载用SSR的工作原理（过零内置型）

打开开关发光二极管通电，光学耦合的光电耦合器开启，进而过零电路运转，输出电路的双向可控硅在交流电源电压的零电压附近开启。由此，电流从电源出发通过双向可控硅流向负载。关闭开关，SSR和固态继电器在双向可控硅的作用下在负载电流的零电流附近关闭。流过该负载的电流波形会根据负载的种类而发生变化。

AC阻性负载的场合

在交流电源电压的峰值附近施加输入电压时，SSR输出电路并不会立即有电流流过。如果交流电源电压降低接近零电压时，则SSR输出电路的双向可控硅进入开启状态，负载中有电流流过。此时交流电源电压与负载电流的相位相同。此外，即使关闭输入电压，SSR也不会立即关闭，而是会在负载电流降低至双向可控硅的维持电流以下时才关闭

AC感性负载的场合

在交流电源电压的峰值附近施加输入电压时，SSR输出电路并不会立即有电流流过。如果交流电源电压降低接近零电压时，则SSR输出电路的双向可控硅进入开启状态，负载中有电流流过。这种情况下，负载为感性，在过渡现象的作用下初期的电流峰值较大，随着电流周期的推进，电流峰值不断变小，进入恒常状态。此时负载电流的相位相对于交流电源电压的相位最多滞后90°。此外，即使关闭输入电压，SSR也不会立即关闭，而是会在负载电流降低至双向可控硅的维持电流以下时才关闭。

AC容性负载的场合

在交流电源电压的峰值附近施加输入电压时，SSR输出电路并不会立即有电流流过。如果交流电源电压降低接近零电压时，则SSR输出电路的双向可控硅进入开启状态，负载中有电流流过。此时负载电流的相位相对于交流电源电压的相位最多前进90°。而且，即使关闭输入电压，SSR也不会立即关闭，而是会在负载电流降低至双向可控硅的维持电流以下时才关闭。此外，由于是容性负载，电容中贮存的电荷所产生的电压与电源电压累加，SSR中可能会施加相当于电源峰值电压2倍的电压，因此使用110V的电源电压时，推荐使用220V的SSR。

DC负载用晶体管输出

输入与输出之间由光电耦合器进行绝缘。输出一侧由波形整形电路、放大电路及输出元件（晶体管）组成。开启开关电流流过光电耦合器的LED，光学耦合的光电晶体管开启，通过整形电路、放大电路驱动输出元件（晶体管）。这样晶体管开启，负载电流流过。关闭开关后，光电晶体管也随之关闭，负载电流被隔断。

DC负载用MOSFET输出

输入与输出之间由光电耦合器进行绝缘。输出一侧由驱动电路、输出元件（MOSFET）组成。开启开关电流流过光电耦合器的LED，光学耦合的光电二极管阵列中产生电动势，该电动势驱动输出元件（MOSFET）的电门。由此MOSFET开启，负载电流流过。关闭开关即可停止光电二极管阵列的电动势。MOSFET电门中蓄积的电荷通过驱动电路放电，关闭MOSFET即可隔断负载电流。

DC阻性负载的场合

施加输入电压后，负载中立刻就会有电流流过。

关闭输入电压后，负载电流即刻变为零。

DC感性负载的场合

施加输入电压后，负载中开始有电流流过。

此时，由于是感性负载，在负载电流稳定之前，会有一定的延迟时间。

关闭输入电压后，负载电流慢慢降低直至为零。

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4~20mA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

位控制接受温控器的电流输出4～20mA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，多用于半导体制造装置中。

SSR用语集

SSR的内部电路构成

应用电路

固态继电器（SSR）驱动电路案例

通过限位开关等工作的场合
接点开启时，SSR开启

通过NPN晶体管工作的场合
晶体管开启时，SSR开启

通过NPN晶体管工作的场合
晶体管关闭时，SSR开启

通过PNP晶体管工作的场合
晶体管开启时，SSR开启

通过PNP晶体管工作的场合
晶体管关闭时，SSR开启

交流驱动
利用交流电源驱动DC输入用SSR时，可以通过外接整流电路的方式进行使用。（请确保波纹在SSR的工作电压范围内。）

通过TTL、DTL工作的场合
IC输出为L级别时，SSR开启

IC输出为L级别时，SSR开启
IC输出为L级别时，SSR开启

IC输出为L级别时，SSR开启
IC输出为H级别时，SSR开启

IC输出为L级别时，SSR开启
IC输出为L级别时，SSR开启

负载的控制案例

白炽灯的闪烁控制
白炽灯在亮灯时会有较大的浪涌电流（约为平时的10倍左右）流过，所以请在各自浪涌电流的性能范围内使用。

电炉的温度控制

电磁阀驱动
电磁阀负载的情况下，在运转初期会有浪涌电流流过，几圈之后电流稳定。
请在各自浪涌电流的性能范围内使用。

小型继电器驱动电路
小型继电器的工作电流较小，有些在几毫安下即可工作，SSR在关闭状态下会有漏电流流过，这个电流可能会造成小型继电器启动工作。为了防止这种情况，需要与负载并列连接分流电阻R，用以分流SSR关闭时产生的漏电流。

氖灯的闪烁控制
SSR在关闭状态下会产生漏电流，为了防止氖灯在漏电流的作用下产生辉光放电，请将分流电阻R与氖灯并联。

单相异步电动机的开关控制
电动机在运转初期会有浪涌电流流过，所以请在各自浪涌电流的性能范围内使用。

三相异步电动机的开关控制
电动机在运转初期会有浪涌电流流过，因此在选择SSR时需要注意。在三条三相线路中，有两条线路插有2个SSR。
该电路中，一般情况下电动机与电源是连接在一起的，由于电动机带电，需要注意电动机是否出现绝缘老化，避免触电。
在确保安全的前提下，将无熔丝断路器连接到SSR的前段，不使用的时候最好把电源切断。

三相加热器的开关控制
请在使用时请在输入电压范围内向SSR的输入侧施加足够的电压。
利用三相星形接线将中性点接地使用时，如果中性点脱落的话，会产生过电压引起故障，因此请切实将线路连接好。

输入侧的注意事项

SSR的输入电压
请注意驱动SSR的输入电压在上升时的上升速度及颤动。请在各机种的性能项目中记载的输入电压范围内施加相应的电压。

输入的开合速度
如果开合速度过快，可能会产生故障或无法控制ON/OFF，因此请参照以下开合速度。
直流负载开合的场合
交流负载开合的场合
100Hz以下
10Hz以下

输入电压发生变化时
输入电压发生变化时，如果为开启状态，则将输入电压切实调整至输入电压范围的上限和下限内，如果为关闭状态，则将输入电压调整至返回电压VD以下的低水平内。

DC输入用SSR的输入电压包含波动的场合
如果整流电源的输入电压中包含波动，则需要将波动的谷值电压设置在输入电压范围的下限电压以上或将峰值电压设置在输入电压范围的上限电压以下

DC输入用SSR的输入电压超过最大额定输入电压的场合
DC输入用SSR的输入电压超过最大额定输入电压时，请在外部插入串联电阻，以防施加的电压超过最大额定输出电压。

噪声对策
如果输入侧出现噪声，可能会产生故障。为应对这种情况，请缩短输入线路的布线或将输入线路的布线与高压线路和电流线路隔离开。
1) 感性噪声输入线路为线缆时，为了防止电磁感应和静电感应现象，可以采用双绞线或屏蔽线。
2) 脉冲性噪声电压上升过快产生的电压噪声可能会引起故障，可以采用外接基于C,R等的噪声吸收电路的方式避免这种现象的产生。

逆向连接至输入端子（DC输入类型）
SSR中显示有极性。如果极性连接错误，不仅无法工作，还可能造成SSR破损。因此在将信号线连接至输入端子时，请务必注意不要将极性接反。

输入和输出的错误连接
如果将输入和输出连接错误，可能会导致SSR破损，务必注意。

输入电流
根据SSR机种的不同，输入电路的电阻（阻抗）也会有所不同。请留意驱动侧的电流容量。此外，有些机种是利用电流进行控制的类型，因此需要留意输入侧的规格。

输出侧的注意事项

过电压
如果向输出侧施加超过重复峰值断态电压（VDRM），不仅会引起故障，还可能造成内部元件损毁。此外还需要留意瞬时过电压。
请勿施加超过负载电压范围的持续性电压。
由于线路之间重叠的噪声和浪涌（接点开合浪涌、电压变动、感性负载的反电动势等）的作用，可能会在瞬间施加过大的电压，这种情况下，建议在浪涌产生的源头采取相应的防治措施，同时在SSR的输出端子之间连接压敏电阻等浪涌吸收元件。（推荐但不限于压敏电阻内置型SSR。）【参照】
采用压敏电阻内置型SSR或连接压敏电阻时，如果施加的电压和电流超过压敏电阻的额定电压电流，可能会造成压敏电阻破损。
对于上升过快的过电压，可以考虑连接高速运转型过电压限制元件。
SSR输出端子之间的临界断态电压上升率dV/dt〔与电源重叠的噪声等〕、电流转换时的临界断态电压上升率（dV/dt） c 〔SSR输出端子之间如果出现电压电流相位差，SSR关闭时会发生这种情况〕过大的话，可能会引起故障及停止运转的情况，因此请充分确认工作状态。应对这种情况，可以采用调整缓冲常数、更换电流容量大的SSR等方法。

过电流
1) 由于负载短路或其他原因出现超出额定浪涌电流（参照各机种性能表）的电流流向输出侧的情况时，可能会造成SSR内部元件破损。为了保护内部元件，推荐使用快速熔断器或断路器。(SSR的额定浪涌电流表示的是元件抵抗突发浪涌电流的抗性，并不适用于重复浪涌电流。)
【快速熔断器的选定】
请选择串联在输出侧，在低于SSR的单个周期峰值额定通态浪涌电流ISURGE，且在负载的浪涌电流IR以下熔断的、具有IFF熔断特性的快速熔断器。
保护协调条件:ISURGE ＞ IFF ＞ IR
此外，还可以通过比较电流的热累积(I2t)来选择合适的熔断器。
ISURGE:SSR的单个周期峰值额定通态浪涌电流
th:使用频率的半个周期时间
Fuse: (I2t) ＝请参照熔断器生产厂家的规定值。
例: ISURGE以50Hz的正弦波使用225A的SSR的场合
选择(I2t)比253(A2SEC)小的熔断器。
上述选定方法为代表性的选定方法。在实际使用过程中，推荐以计算公式为基础，根据实际负载进行充分的验证。
2) 某些负载在初始工作时会有额定负载的10~40倍甚至更高的浪涌电流流过，因此在选择SSR时需要确认负载的浪涌电流及持续时间，留足余地。
为避免浪涌电流超出SSR的额定浪涌电流，可以采用在负载中串联插入串联保护电阻RS或串联保护电感LS的方法。
串联保护电阻RS ＞ √2×負荷電圧／单个周期额定浪涌电流
串联保护电阻RS的瓦数＞ (负载电流)2串联电阻值RS
串联保护电感LS ＝ 100～500μH
上述选定方法为代表性的选定方法。在实际使用过程中，推荐以计算公式为基础，根据实际负载进行充分的验证。

漏电流
1) 即使未向SSR中施加输入电压，漏电流也会通过CR缓冲电路在输出侧流过
2) ①的现象，在进行SSR的布线和更换作业时，无论是在输入侧还是输出侧，务必切断电源避免触电，确保作业安全。

关于交流低电压负荷
如果在SSR的负载电压范围的最小值以下使用负载电源，施加在负载中的电压的损失时间会变长。在实际使用过程中，请确认该损失时间会不会造成影响，再进行使用。同时，如果负载电压低于负载电压范围，会造成SSR无法开启，因此请将负载电压是定在负载电压范围内。

周围温度
SSR中流过的电流会根据周围温度的变化而发生变化，因此请务必在相应产品的负载电流性能曲线范围内使用该产品。

负载种类的注意事项

阻性负载
1) 电灯负载中会流过很大的浪涌电流。请确认电流值和持续时间不要超过SSR的额定值。(尤其是水银灯等电灯中会有数分钟大电流流过。)
2) 有些加热器负载的电阻值会根据温度的变化而变化。请确认流过SSR的电流不要超过额定电流。

感性负载
1) 电机、电磁继电器、螺线管、电磁阀等感性高的负载在负载关闭时反电动势会变成过电压，从而引起故障或元件破损。并用二极管或压敏电阻等过电压抑制元件可以有效预防上述情况的发生。但是在使用压敏电阻时需要符合以下条件。
VOMAX > EO＋EZ
VOMAX: SSR的最大负载电压
EO: 电源电压
EZ: 压敏电阻电压
2) 感性负载中可能会流过很大的浪涌电流，因此在选择机种时，请选择电流容量大的机种。
3) 在电压电流相位差较大的负载中，如果选择带有过零功能的SSR，电流转换时的临界断态电压上升率（dV/dt）c超过40V/200μsec时可能会引起故障，因此推荐选择没有过零功能的SSR。

容性负载
1) 开关电源和电容连接的电机等电容耦合型负载在SSR关闭时，会出现电容的充电电压与电源电压重叠成为过电压，或充放电电流成为过电流的情况。因此需要充分研究输出侧的过电压与过电流对策。过电压对策可以采取连接压敏电阻的方式，过电流对策可以选择插入串联保护电阻RS的方式。
2) 请选择负载电压范围是电源电压2倍以上、且浪涌电流耐受量是充放电电流的2倍以上的SSR。

小电流负载
1) 请在相应机种的最小负载电流以上范围内使用SSR。如果不是在最小负载电流以下的范围内使用的话，可能会无法开关或引起故障。
2) 使用最小负载电流以下范围的负载时，需要在负载上并联泄放电阻（分流电阻）RP以确保电流在最小负载电流以上范围内。
3) 有时候小电流负载和敏感度高的负载在SSR关闭时会受漏电流的影响而保持开启状态，即使清除输入电压也不会关闭。这种情况下，需要在负载上并联泄放电阻（分流电阻）RP，以降低流过负载的关闭时的漏电流，避免负载保持工作状态。
RP: 分流电阻
IR: 负载返回电流
ILEK: SSR的关闭时漏电流(实测值)
RL: 负载阻抗
E: 交流电流电压
･分流电流RP的值通过以下公式求得。
简单来说与负载阻抗RL的值差不多。.
并联分流电阻RP < IR×RL / ILEK－IR
并联分流电阻RP的瓦数P通过以下公式求得。但是在实际应用中请留有余地，选择计算值2倍以上的产品。
并联分流电阻RP的瓦数 < E2 / RP

特殊负载及使用状态
1) 在不适合SSR的特殊负载条件及电源环境下，SSR可能无法稳定工作。请事先确认好工作状态后再进行使用。尤其是负载电流低于SSR最小工作电流的负载、工作电流波形不是正弦波的负载、自激振荡负载等可能会导致工作不稳定，使用前请仔细观察工作状态及电压电流波形，认真确认后再使用。
2) 为提高SSR的耐压而进行的串联以及为提高电流容量而进行的并联不可用。如果有这方面的需要，请务必单独使用满足额定值的SSR。
3) 如果负载为带全波整流器的电磁阀，可能会引起还原不良。
4) 请勿使用变频器控制的波形以及脉冲波形的负载电源。可能会引起SSR的故障以及无法还原。