Crydom 固態繼電器" alt="Crydom 固態繼電器" width="436" height="261"/>

固態繼電器的輸出電路只不過是開關負載電流的一個元件；我們仍然以開關時的信號來定義固態繼電器–交流或直流。由于考慮到價格原因，現在所采用的技術中，交流和直流的開關不能同時用在同類型的固態繼電器上，同時會產生電磁不兼容的問題。 同樣，由于散熱和價格原因，電子元件結構也不允許同時有多個輸出，同時也會產生電磁不兼容的問題。

n  直流輸出（直流固態繼電器）

根據具體的需求，直流輸出固態繼電器的電器元件采用一個雙向晶體管或FET晶體管（場效應晶體管）。為了獲得快速響應時間，并且輸出電流不大（＜＝10安培）， 雙向晶體管是直流固態繼電器開關元件的理想選擇。FET 晶體管一般用在要求有非常低的漏電電流低（＜10微安），負載電流大（30 到40安培）但溫度升高并不多的應用場合。

直流輸出固態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繼電器，3線輸出一般應用于I/O模塊。在2線制輸出電路中，負載可以串聯于固態繼電器的任何一個端子上，只要電源電壓的極性符合要求。

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

當輸出端的工作電壓較低時，例如在數字接口系統中，一個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，殘余電壓只有0.2-0.3VDC。I/O模塊通常被應用于兩個低壓數字系統或組件之間，用作隔離接口，因此通常有3線輸出的PNP 或NPN模式。

當固態繼電器接通時，場效應晶體管相當于一個小電阻（50到80毫瓦）。根據歐姆定律，由于固態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，固態繼電器量大電壓降約為1.2-1.5VDC。

n  交流輸出（交流固態繼電器）

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

n  可控硅SCR

在交流固態繼電器中，通常采用可控硅SCR做開關元件，因為它SCR具有通斷幾千安培的電流，同時使固態繼電器輸出端的電壓限制在一個比較低的電壓（最高不超過2VAC），并且它還能承受10-12倍額定電流的非重復峰值電流。另外，可控硅SCR也能承受高達幾千伏的反向峰值電壓。

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

可控硅SCR可以看成是將兩個晶體管裝在一起，集成到同一個硅芯片上，使它們之間產正向逆反饋。當V1的基極或門極施加一脈沖信號后，V1開始導通，在晶體管V2的基極產生一電流，使得流過V2集電極（V1基極）的電流增大，使得V1進一步飽和（正向逆反饋）。進一步，可控硅SCR就不再受其輸入端控制。

可控硅SCR相當于一個開關二極管，但作為一個單向元件它有許多弊端。為了克服其弊端，使其能在電源正、負半波都能工作，通常在固態繼電器中采用兩個SCRs反向并聯（背靠背安裝）。

n  可控硅Triac

隨著半導體技術發展，可以非常經濟方便地將兩個同等的反向可控硅SCRs合成在同一芯片上，受控于同一個輸入端：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值被認為是最重要的參數，dv/dt參數可以通過增加濾波器來改善，濾波器也集成到可控硅Triac內部。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個背靠背安裝可控硅組SCRs受控于一個雙向可控硅Triac）；它的動作類似于兩個背靠背安裝的SCRs。

功率元件的主要受限因素

可控硅SCRs和Triacs，以及其他開關元件，通常適用于快速通斷大電流的場合。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，來優化固態繼電器的性能和避免故障。

n  靜態dv/dt 限制

可控硅組SCRs和Triacs這些器件迷人特性（大電流，高開關速度）源自于它們的正向逆反饋，同時，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生一個瞬時的電壓變化，可能會導致SCR不受控地導通。由于陽極和門極之間的電容效應。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導通。施加在固態繼電器兩端的最大電壓變化，而不會使固態繼電器出現非受控導通的值（靜態dv/dt），通常在技術規格書中明確以V/us的方式標識出來。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，在通過零點時的最大dv/dt值是0.1V/us。

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

n  開關動態dv/dt 限制

同樣SCR非受控導通現象也會發生在帶感性負載，電流過零點時斷開電路的情況下。在這種情況下，可控硅SCR在電流過零點時斷開，主回路的瞬時電壓就會立刻加在可控硅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，同時陽極和門極的電容耦合效應可以使控硅SCR反向導通，引起錯誤導通故障。引起可控硅triac導通的dv/dt典型值為20V/us。

然而，這種故障非常少見，只發生在接近額定電流時，開關高感性負載的情況下。使用“無吸收”元件也可以減少這種現象。

n  di/dt 限制

由于內部的半導體結構，可控硅組Triacs和SCRs僅有非常有限的能力來吸di/dt電流變化，在半導體的結點處會有因為過熱而損壞的危險。固態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。

在實際應用中，很難達到這些值。這是由于在電流增加時，所有線路中的雜散電感應（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。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。將它們應用到控制系統時務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過濾器會進一步增加漏電電流。