固態繼電器負載開關

在大多數情況下，按照一般的規則，如果采用電磁繼電器不會引起什么特殊的問題。當固態繼電器連接不同類型的負載時，由于對固態繼電器應用條件缺乏了解，因而在固態繼電器的應用上經常會遇到很多困難。

電阻負載

在一個純電阻負載的電路中，瞬間電流總是與兩端的的瞬時電壓成比例。在這種應用中，電流和電壓在相序上同步，可由下述等式描述：

V=R.I 此處 R 是電路的電阻。

如果采用固態繼電器對這類負載進行開關控制，那么強烈推薦使用同步開關固態繼電器(過零型固態繼電器)：

當電流與電壓同步時，固態繼電器會在電壓和電流過零點時接通或斷開電路。在種條件下，固態繼電器將這樣工作：

dv/dt值會受由到電源限定（對于一個50赫茲230伏的電源來說是105000v/s，即0.1伏/微秒）

di/dt值會由負載和輸出回路阻抗限定。

電磁輻射也非常有限，因為在開關時正好位于低功率點上。

這種用于電阻負載的同步開關型固態繼電器，特別適合用于加熱器，在這種應用中，通常開關頻率會比較高。

在純電阻負載應用中，大多數情況下只需簡單考慮電路的最大電流和最高電壓，可以使固態繼電器能夠正常工作。

n  關于白熾燈的例外情況

白熾燈是電阻負載中的最差例子，由于其電阻低，尤其在鎢絲處于冷卻的狀態下，這使其在點亮時的超載電流可能是穩定狀態下電流10到20倍。

基于白熾燈的特性，正常電流只有在幾個周期后才會達到。因此，需要對所選用固態繼電器進行核對，看其過載能力是否可以滿足要求。如果說I_RMS是穩態的有效負載電流，點亮時的最大電流是：

如果使用同步開關型固態繼電器，回路 di/dt值受到限制，使白熾燈壽命大幅延長。為了避免固態繼電器的損壞，在白熾燈線路中串接熔斷器是個好辦法，不僅可以在點亮時保護固態繼電器，而且可以在回路突然短路時保護固態繼電器。

n  連接3相電源

單相電路中的接線方式同樣可以應用到3相供電中的任一相。

在沒有中線的三相平衡電路（星形和三角形連接）應用中，可采用開關2相來代替開關3相。需要注意的是，當回路短路或相不平衡時會導致固態繼電器兩端的最大電壓上升。另外，由于有一相一直連接到設備上，因此必須確認已經采取適當的措施來保護人員的安全。

這種連線方法應用于電阻負載，同樣適用于電感負載。

5.3         感性負載

交流電路中感性負載基本影響是使電流和電壓間產生相位不同步，這種不同步采用0到90°的相位角或者采用間于1和0之間功率因素Pf來描述。功率因素通常用等式計算：

Pf =R/Z= cosφ

在此， R是回路電阻

           Z全阻抗

φ相位角

對于一個純電阻電路P_f =1

同步開關型固態繼電器是為正常工作負載功率因素在1和0.5（相位角=60°）之間的應用而設計的。除了很少的一些例外情況，這個功率因素范圍幾乎包括了實際應用中所有感性負載。建議在cosφ =< 0.7（阻性負載帶低感性阻抗）時，盡量不要采用同步開關型固態繼電器。

注意避免感性負載飽和，因為阻抗可能會變得很低（殘余歐姆值），導致過載或者損壞固態繼電器。

在感性負載中最常見的問題是在斷開時的dv/dt值問題。這個瞬間，負載電壓瞬時作用于固態繼電器的兩端。相位不同步會導致dv/dt斜率非常高，這將使繼電器反向接通。在固態繼電器輸出端并聯濾波器，可以減輕或消除這一問題。

對于采用Triac輸出的固態繼電器，這一問題尤其嚴重， 因為相對于采用用SCR輸出的固態繼電器，它們耐dv/dt值更差。

在負載功率因素間于為0.7＜P_f＜1時，推薦使用同步開關固態繼電器(過零型固態繼電器)。

n  負載功率Pf＜0.7的例子

當功率因素小于0.7時，即使在輸入端有控制信號，同步開關型固態繼電器可能不會接通。如果負載的感性程度太高，負載就會對在負載中產生的電流起到強烈抑制。如果在有效的開關區域不能產生最小維持電流，輸出元件就不能導通，或者只導通半周期，這種現象經常發生在低負載電流的應用中。

這個問題可以通過在固態繼電器兩端安裝一個緩沖型濾波器或在負載上并聯分流電阻，使固態繼電器快速產生最小維持電流來解決。

在這種應用中，選用異步開關型固態繼電器（瞬時輸出型固態繼電器）會更好，因為異步開關型固態繼電器自身可以在恰當的時間建立起最小維持電流，確保導通。另外，因為功率因素很高，要特別注意dv/dt參數。

n  變壓器開關的例子

變壓器是感性負載中一個特殊，極端的例子，因為它能利用剩磁達到飽和，

變壓器的磁導率特性可以用它的B/H曲線描述（磁感應強度/磁場強度）。H是磁場強度，其方向與變壓器兩端電壓的方向相同，B是變壓器的磁感應強度。

在穩態交流電中，變壓器的磁感應曲線為M曲線。如果變壓器兩端的電壓在最后的正半周之前切斷，變壓器的剩余磁場將固定在B_R點。

如果在下一次通電時前半波是正的，變壓器的磁導率曲線就會跟隨S曲線前半波，導致高度飽，使得初級線圈的阻抗下降，產生很高的浪涌電流。這種飽和問題會在隨后逐漸消除，直到恢復穩定的正常工作（如M曲線）， 如前所述。

在飽和狀態下，根據飽和程度，變壓器回路阻抗可以等于在回路中變壓器初級線圈電阻和外部其他電阻之和，這個回路阻抗通常很小。

例子：

電源電壓:230VAC

線圈電阻：1歐姆

外部電阻（電線和連接）：0.5歐姆

過載峰值電流：

在變壓器線路中接一個低阻值電阻可以防止過載。這個被選電阻的前提是不能破壞變壓器的正常工作。

通過變壓器的電流

1.      電流

2.      電流曲線

3.      穩定電流

在這個例子中，最好選擇一個固態繼電器，其至少可以經受周期電流為200安培的電流。

如果選好一個同步開關型固態繼電器繼電器，變壓器會有50%的機率產生飽和狀態，導致在前半波中產生過載。

當變壓器沒有充電時，其只是一個純電感。通過它的電流只是磁感應電流，它與電壓正好正交。在這種情況下，在電壓最高點，也就是在電流的零點開關限制磁感應電流過載。但是根據次級線圈負載不同，情況也不同。如果負載是容性負載，則建議采用電壓零點開關。

在大多數情況下，瞬時開關型固態繼電器是比較好的選擇，盡管它不適合于所有的情況，但適用于大多數變壓器的應用。

n  開關電機

電機是擁有自己規律的感性負載，它與所帶的機械負載有關。啟動時，3相電機會產生6-8倍于穩態正常電流的沖擊電流。對于一些單相電機，啟動電流會高達10倍于正常電流I_N。

通過電機的電流可以以下面的公式計算：

PUSABLE，η和cosφ通常在電機的銘牌中有標識。

除此之外，異步電機的功率因素是機械負載的函數，在空載運行的情況下可認為小于0.4或0.5。因此，推薦使用異步開關型繼電器（瞬時開關型）來開關異步電機。

啟動狀態

在選擇決定采用什么固態繼電器時，要仔細考慮電機啟動負載大小，以及固態繼電器配套的散熱器大小，特別是多次起停（反復循環）產生過載的情況下。

將電流近似成方型曲線，有效電流可定義為：

可以采用這個電流有效值并結合固態繼電器散熱曲線，確定散熱器大小。通過啟動電流值和工作電壓值可以來確定選擇什么固態繼電器。

單相電機正反轉

單相電機可以采用兩個固態繼電器來控制，特別注意不能同時或意外同時將兩個固態繼電器導通，使移相電容C短路。如果不能絕對保證避免兩個固態繼電器同時導通，就需加一個電阻來限制電容C的放電電流，電阻的阻值可以用下述方法來確定：

L1和L2兩端的電壓正交，斷開繼電器兩端的電壓V_SSR與電容C兩端的電壓相同，電壓如下：

如果L1和L2兩端的電壓不完全正交，當電機停止時，電壓V_SSR會更高。對于一個230伏的電機，要選用一個額定電壓達到400伏的固態繼電器。

三相電機

三相帶中線負載需要在每相中接入固態繼電器來控制，三相不帶中線的負載可以只通過兩個固態繼電器控制兩相來實現控制。

在三相電機控制中，在電機沒有完全停止轉動前，切斷電源，電機會稍微產生小于電源電壓的感生電動勢，并逐漸減少到零。如果機械負載在高高速運轉的情況下快速停止，浪涌電壓會很高，如下式：

當電機的兩相斷開時，電機產生感生電動勢，加上沒有斷開的那一相的電壓，會在固態繼電器的兩端產生一個略小于兩倍電源電壓的電壓。

5.4         電容負載

純電容負載不常見，但在一些電子設備中，它們和其他負載一起存在（感性負載或阻性負載）。對于高容性值（低阻抗）負載，就要特別注意dl/dt參數。

開關此類負載通常用同步開關型固態繼電器（過零型固態繼電器）。

在230伏交流供電中，可由下述計算估計出dl/dt參數的最大值：

在正弦波過零通道中dv/dt = 100000伏/秒

在一個C值的電容器中，電流I可由下式表示：

I= C.dv/dt

也就是：I(amp)=C(法拉).105

我們推薦在高容性回路中串聯休克電感。

5.5         固態繼電器的各種連接

n  并聯/串聯

固態繼電器的輸入端既可以并聯也可以串聯，而輸出端只能采用串聯形式，采用FET晶體管輸出的直流固態繼電器除外。當兩個繼電器的輸出端串聯時，最大輸出電流受制于應兩個固態繼電器中電流小那個，最大可接受電壓為兩個固態繼電器最大可接受電壓之和。

n  增加直流固態繼電器的輸出電流

直流固態繼電器的輸出電流是有限的，尤其是采用某些晶體管輸出的固態繼電器。可以通過外接一個電源回路來降低這個弊端。

  總結