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浅谈固态继电器的正确使用
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继电器展厅
固态继电器, 安全继电器, 热过载继电器, ...
固态继电器可提供与电磁继电器同样的基本功能,但它们实际上是很不相同的器件,电磁继电器使用物理触点,而固态继电器采用半导体器件来完成通断任务。在固态继电器中,没有运动部件或触点存在。

因此,两种类型的继电器的特性和设计也不相同。过去采用电磁继电器的设计师将会发现固态继电器的规范与传统的继电器理论和实践有冲突。但是,只要遵循几个简单的原则,就可以顺利地实现从电磁继电器到固态继电器的过渡

今天,当外行人看来几乎所有电气产品都是“固态”的时候,靠对线圈施加电压使得器件从一种状态转变为另一种状态显得有点过时了。但如果这的确是真的,就不会每年售出数以百万只计的电磁继电器用于各种不同的用途了。

对设计师而言,电磁继电器较固态继电器的普及率高的一个原因是其内在的高隔离,高隔离对诸如通讯设备的应用尤为重要。如此高的隔离要求今天只有几种固态开关才能达到,主要是使用MOSFET开关晶体管的器件。

此外,要求在关断状态没有泄漏电流的应用最好使用电磁继电器,因为所有的固态继电器都有少许内在的漏电流。电磁继电器没有漏电流,因为当触点打开时,电流无法从一个触点传递到另一个触点。像仪器和测试之类的应用是漏电流在任何情况下都不允许的实例。然而,大多数的继电器应用允许在固态继电器中有微量的漏电流。

固态继电器使用半导体执行实际的切换,而不是触点从一个位置到另一个位置的物理运动。因此,固态继电器关键的技术要求与对电磁继电器关键的技术要求很不相同。固态继电器取消了许多传统电磁继电器中的技术要求。例如,触点材料、触点回跳和初始接触电阻不再适用。

在典型的MOS LED型固态继电器中,加在输入端的信号使电流流过一只LED,LED发光照射一只光二极管,光二极管反过来产生一个与收到的光通量成正比的电压。该电压加到继电器内的一个控制电路上,使MOSFET上的栅极充电。当该电压上升到器件的触发门限时,MOSFET切换到导通状态,接通负载。这种继电器的隔离度高,因为在LED输入端和产品的输出端之间没有物理联系。其它类型的固态继电器使用一只光耦合的SCR或三端双向可控硅开关元件作为输出器件。

就可靠性而言,固态继电器象征着无失效工作次数有了数量级的改善。事实上,固态继电器可以比安装它们的设备更为耐久,只要它们在电路中的设计是正确的并且不超过最大额定值。其结果,固态继电器甚至正在用于传统的电磁继电器的强项,如自动测试设备和PC板测试方面。

固态继电器毫无疑问地是当前和未来的小型便携计算和通讯设备的必然选择。这是因为它们适应了表面安装生产而且比电磁继电器更小、更轻,占据空间更少。例如PCMEIA接口就不允许任何高外形的器件,因为其形状是很薄的。

固态继电器可以提供高达5KVdc的I/O隔离,并可控制0.05A80V水平的信号,并可处理高达4A的负载。它们的切换速度可高达纳秒级,并且无噪声。其性能不像电磁继电器那样,可保持在器件的寿命期内不变化,这都是由于没有运动和接触部件不存在磨损的缘故。

电磁继电器和固态继电器的明显差别之一是电磁继电器给电路增加的电阻。由于电磁继电器存在物理触点,故其增加的电阻一般在毫欧的范围。这一特点在许多应用中很有用,因为大的接触电阻可以淹没低电平信号。

虽然固态继电器没有接触电阻,但它们的确具有“导通电阻”,其导通电阻可高达100Ω。这在某些应用中是一个缺点,但是总的来说,导通电阻在继电器的寿命期内极其稳定,并且不会像电磁继电器那样发生变化。换句话说,如果设计上能允许较高的导通电阻,则固态继电器对设计工程师是一个很有用处的可行的抉择。对于某一族的通用继电器,当最大工作电压降低时,导通电阻也降低。然而,使用具有较低工作电压的继电器并不是降低导通电阻的唯一方式。有的继电器可在任何给定电压下都具有比通用继电器低的导通电阻。但这些型号一般是以较高的输出电容为代价。

如果应用要求切换高频信号,应该使用具有低输出电容的继电器。这些产品具有切换速度高的优点,通常是继电器族中速度最高的。

当需要将多只继电器并联时,断态漏电流就是一个重要的参数。因为所有的固态继电器都允许在断态有一些漏电流,故总的漏电流就会很大,即使由每只继电器贡献的漏电流很小。

当要用像热电偶之类测量非常小的信号时,漏电流这个参数极其重要。例如通用继电器的漏电流大约是1μA。如果将50个电路并联,将产生50μA的总的漏电流。如果必须切换的电流是500μA,那么漏电流与信号电平的比是1∶10,这在某些场合下是不能接受的。如果选择漏电流为10nA的继电器,则总的漏电流为500nA(0.5μA),即比为1000∶1。当用多个继电器并联切换小信号时,有必要规定固态继电器的漏电流尽可能最低。现有的继电器的漏电流达微微安(10-12A)的范围,完全可以忽略不计,甚至当多个继电器并联起来排列时。

输入灵敏度,即驱动继电器所需的电流,规定的范围可以很宽,从大概3mA低到0.5mA。该参数对电源的要求苛刻的应用,例如用电池工作的电脑和通讯设备是个关键。虽然采用较灵敏的光传感器的继电器比通用继电器更为昂贵,但它们工作所需的电流大为减少,从而使终端产品的性能更佳。

最后,正像对于任何半导体类的器件那样,在确定继电器参数时保守一些极其重要,须记住有可能在应用中遇到最大电压和电流。公认为明智的办法是所要求的继电器特性应超过会遇到的电压和电流值。

总之,只有少数的电磁继电器的传统参数亦适用于固态继电器。反之,固态继电器有其独特的要求,当这些要求被适当满足时,可使一个给定的电路设计充分利用半导体解决方案所能提供的优点。仅就可靠性而言,固态继电器在工作寿命方面提供了巨大的改善机会,加上其他内在的优点,使得这种器件成为愈来愈多应用的首选。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (4/15/2009)
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