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來源：互聯網

固態繼電器(Solid State Relay，SSR)是一種無觸點繼電器，由微電子電路、分立電子器件和電力電子功率器件組成。用隔離器件實現了控制端與負載端的隔離。固態繼電器的輸入端用微小的控制信號，達到直接驅動大電流負載。根據輸入電壓的不同，輸入電路可分為直流輸入電路、交流輸入電路和交直流輸入電路三種。交流固態繼電器（AC-SSR）使用雙向晶閘管作為輸出開關，用于通斷交流負載；而直流固態繼電器（DC-SSR）使用功率晶體管作為開關，用于通斷直流負載。SSR主要應用于交流調壓、通斷控制和三相電流控制等領域。相關的規范標準包括國際標準EIA/NARM和中國GB/T 16608.1-2023等。

與電磁繼電器相比，SSR具有邏輯電路兼容、耐振耐機械沖擊、安裝位置無限制、良好的防潮防霉防腐蝕性能、在防爆和防止臭氧污染方面的性能也極佳、輸入功率小、靈敏度高、控制功率小、電磁兼容性好、噪聲低和工作頻率高等優點。

簡介

固態繼電器(SSR)具有開/關控制裝置,其中負載電流由一個或多個半導體傳導。固態繼電器可設計為將交流或直流切換至負載。固態繼電器具有與機電繼電器相同的功能,但沒有運動部件。固態繼電器的分類與實現輸入輸出隔離的方式有關。在簧片耦合固態繼電器和光耦合固態繼電器上,輸入輸出隔離是通過簧片繼電器或光線來實現的。在變壓器耦合固態繼電器上,輸入輸出隔離度取決于變壓器的設計。對于直接控制的交流或直流型固態繼電器,由于控制電路與負載電路之間不存在隔離，因此存在很大的缺點。從控制電路到固態繼電器外殼及負載電路的最小擊穿電壓應與基本絕緣相對應。不論是直流型還是交流型固態繼電器,其內部均由光電隔離器、晶閘管觸發器、晶閘管元件和吸收電路組成。

發展歷史

繼電器是一種重要的電學元件，由美國科學家約瑟夫·亨利在19世紀30年代發明。亨利是一位杰出的物理學家，以電感單位“亨利”命名而廣為人知。盡管他比邁克爾·法拉第更早發現了電磁感應現象，但卻未能及時申請專利。隨著時間的推移，繼電器逐漸演化出眾多形式，包括功率繼電器、溫度繼電器、舌簧繼電器、熱繼電器、差動繼電器、光繼電器、聲音繼電器、霍爾繼電器、磁保護繼電器和固態繼電器等，廣泛應用于機械和電子領域。

20世紀60年代中后期，在英國、澳大利亞和美國的一些學者的倡導下，繼電器開始得到深入研究。60年代中期，盡管由于計算機價格昂貴和技術限制，小型計算機實現繼電保護的設想未能實際應用，但這一設想推動了計算機繼電保護理論計算方法和程序結構的研究，為繼電保護的發展奠定了重要基礎。

隨著70年代初期和中期計算機技術的重大突破，以及大規模集成電路技術的飛速發展，微型處理器和微型計算機逐漸進入實用階段。這一技術進步帶來了計算機價格的大幅下降，提高了計算機的可靠性和運算速度，進一步推動了計算機繼電保護的研究。70年代后期，出現了較為完善的微機保護樣機，并在電力系統中進行試運行。

80年代，微機保護在硬件結構和軟件技術方面日趨成熟，開始在一些國家得到推廣應用。到了90年代，電力系統繼電保護技術進入了微機保護時代，標志著繼電保護技術發展歷史過程中的第四代。

中國的微機保護研究起步于20世紀70年代末期和80年代初期。盡管起步相對較晚，但由于中國繼電保護工作者的不懈努力，研究進展迅速。經過大約10年的發展，到80年代末，計算機繼電保護特別是輸電線路微機保護已經達到了大量實用的程度。在這一過程中，中國的高等院校和科研院所起到了關鍵的先導作用。從70年代開始，華中理工大學、東南大學、華北電力學院和西安交通大學等機構相繼成功研制出不同原理、不同形式的微機保護裝置。其中，華北電力學院在1984年研制的輸電線路微機保護裝置首先通過鑒定，并在系統中得到應用，揭開了中國繼電保護發展史的新篇章為微機保護的推廣開辟了道路。

功能原理

SSR按使用場合可以分成交流型和直流型兩大類，它們分別在交流或直流電源上做負載的開關，不能混用。根據觸發形式的不同，SSR又分為過零觸發型固態繼電器和隨機導通型固態繼電器。過零觸發型SSR總在交流電源為零電壓附近導通，產生的干擾小，適用于計算機I/0接口等場合；而隨機導通型SSR則在交流電源的任意狀態下導通或關閉，在導通瞬間可能產生較大的干擾。

AC-SSR為例，SSR的工作原理是：在輸入端加一控制信號，就可以控制輸出端的“通”與“斷”，完成“開關”功能。輸入、輸出間通過光電耦合器進行隔離，以防止輸出端對輸入端的干擾。過零電路保證使輸入信號在開關器件兩端電壓過零瞬間觸發開關器件，從而完成在電壓過零條件下的通、斷動作，減少了開關過程所產生的干擾和污染。吸收回路由作用是防止電源中的尖峰電壓、浪涌電流對開關器件的沖擊和干擾。

SSR的輸出器件可分為雙向可控硅和單向可控硅兩只反并聯形式。在感性負載電路中，靜態電壓上升率dV/dt是一個重要參數。單向可控硅的靜態電壓上升率(200V/us)大大高于雙向可控的換向指標(10V/us)，所以采用兩只大功率單向可控硅反并聯代替雙向可控硅。這樣，一方面提高了輸出電流能力，改善了導熱條件；另一方面也提高了抵制浪涌電流的能力，增強了可靠性。

結構

固態繼電器有三部分組成:輸入電路、隔離(耦合)和輸出電路。按輸入電壓的不同類別,輸入電路可分為直流輸入電路、交流輸入電路和交直流輸入電路三種。有些輸入控制電路還具有與TTL/CMOS兼容正負邏輯控制和反相等功能。固態繼電器的輸入與輸出電路的隔離和耦合方式有光電耦合和變壓器耦合兩種。光電耦合通常使用光電二極管—光電三極管，光電二極管—雙向光控可控硅，光伏電池，實現控制側與負載側隔離控制；高頻變壓器耦合是利用輸入的控制信號產生的自激高頻信號經耦合到次級，經檢波整流，邏輯電路處理形成驅動信號。固態繼電器的輸出電路也可分直流輸出電路、交流輸出電路和交直流輸出電路等形式。交流輸出時通常使用兩個可控硅或一個雙向可控硅直流輸出時可使用雙極性器件或功率場效應管。

輸入電路

固態繼電器的輸入電路是為輸入控制信號提供一個回路，使之成為固態繼電器的觸發信號源。固態繼電器的輸入電路多為直流輸入，個別的為交流輸入。直流輸入電路可分為阻性輸入和恒流輸入。阻性輸入電路的輸入控制電流隨輸入電壓呈線性的正向變化。恒流輸入電路，在輸入電壓達到一定值時，電流不再隨電壓的升高而明顯增大，這種繼電器可適用于相當寬的輸入電壓范圍。

隔離耦合

固態繼電器中的隔離耦合指的是將輸入信號與輸出信號隔離并耦合，以確保輸入信號對輸出信號沒有直接的影響。在固態繼電器中，隔離耦合電路包括光耦合器和隔離變壓器。

光耦合器是固態繼電器中常用的一種隔離耦合方式。它采用發光二極管（LED）和光電晶體管組合而成，可以將輸入信號的光信號轉換為電信號，并將該信號傳遞給輸出端。由于光耦合器內部沒有物理連接，因此可以實現輸入信號與輸出信號之間的完全隔離。

隔離變壓器也是固態繼電器中常用的一種隔離耦合方式。隔離變壓器工作頻率比較高，因此也常稱為高頻變壓器。隔離變壓器用以實現變換器輸入與輸出的直流隔離、變比和減小電壓、電流應力、多路輸出及串、并聯等目的。

輸出電路

輸出電路可分為直流輸出電路、交流輸出電路和交直流輸出電路等形式。按負載類型，可分為直流固態繼電器和交流固態繼電器。直流輸出時可使用雙極性器件或功率場效應晶體管，交流輸出時通常使用兩個晶閘管或一個雙向晶閘管而交流固態繼電器又可分為單相交流固態繼電器和三相交流固態繼電器。交流固態繼電器按導通與關斷的時機，可分為隨機型交流固態繼電器和過零型交流固態繼電器。隨機型交流固態繼電器在交流電源的任意狀態下導通或關閉，在導通瞬間可能產生較大的干擾；過零型交流固態繼電器總在交流電源為零電壓附近導通，產生的干擾小，適用于計算機I/O接口等場合。

主要分類

電源類型分類

固態繼電器按照電源類型分為交流型和直流型兩大類,可分別控制交流負載(AC SSR)和直流負載(DC SSR)。交流型又分過零型和非過零型兩種，一般固態繼電器，無論交流型或直流型，其輸入端多與DC電源或前級的輸出信號相接。

交流負載：交流型固態繼電器可分為過零型(過零觸發型)和隨機導通型(調相型)兩種，它們之間主要區別在于負載端交流電流導通的條件不同。對于隨機導通型AC-SSR，當在其輸入端加上導通訊號時,不管負載電源電壓處于何種相位狀態下,負載端立即導通，而對于過零型AC-SSR，當在其輸入端加上導通訊號時，負載端并不一定馬上導通，只有當電源電壓過零時才能導通，因此減少了可控硅接通時的干擾，高次諧波干擾少,可用于計算機I/0接口等場合。隨機導通型AC-SSR由于是在交流電源的任意狀態(指相位)上導通因而在導通瞬間可能產生較大的干擾。

直流負載：直流固態繼電器根據其電路結構不同，分為輸出三端型及兩端型，三端型由于正負電源直接引入固態繼電器內電路，在設計上易于做到控制輸出管的深度飽和，其輸入端臨界導通電壓與釋放電壓差可以做得小，輸出電路沒有線性區，對輸入端控制電壓要求不嚴，但使用時要求型號標準電壓與實際工作電壓相對應，為此其互換性差，且輸出端多，帶來安裝時的麻煩。兩端型是多用途直流開關，它的結構相當于一只大功率光電耦合器，其輸出電路象三極管一樣，有一段截止區、線性區和飽和區。當輸入電壓到一定值時，就會進入飽和區。它的輸端控制電壓比前者嚴限制在一定范圍內使用。

開關觸點形式分類

依開關觸點形式，固態繼電器可分為常開式固態繼電器和常閉式固態繼電器二種，當常開式其輸入端加信號時,輸出端接通，常閉式則相反。

安裝形式分類

依安裝形式，固態繼電器可分為裝配式固態繼電器(A，N 型)焊接型固態繼電器(C型)插座式固態繼電器(F，H 型)。裝配式可裝在配電板上,當通斷容在5A以上時需配散熱器。臥式W型、立式L型焊接式，體積小，可在印刷電路板（印制板）上直接焊接。

主要特點

優點

固態繼電器是具有隔離功能的無觸點電子開關，在開關過程中無機械接觸部件，因此固態繼電器除具有與電磁繼電器一樣的功能外，還具有邏輯電路兼容，耐振耐機械沖擊，安裝位置無限制，具有良好的防潮防霉防腐蝕性能，在防爆和防止臭氧污染方面的性能也極佳，輸入功率小，靈敏度高，控制功率小，電磁兼容性好，噪聲低和工作頻率高等特點。

8.高壽命，高可靠：固態繼電器沒有機械零部件，由固體器件完成觸點功能，由于沒有運動的零部件，因此能在高沖擊，振動的環境下工作，由于組成固態繼電器的元器件的固有特性，決定了固態繼電器的壽命長，可靠性高。

9.靈敏度高，控制功率小，電磁兼容性好：固態繼電器的輸入電壓范圍較寬，驅動功率低，可與大多數邏輯集成電路兼容不需加緩沖器或驅動器。

10.快速轉換：固態繼電器因為采用固體器件，所以切換速度可從幾毫秒至幾微秒。

11.電磁干擾小：固態繼電器沒有輸入“線圈”，沒有觸點燃弧和回跳，因而減少了電磁干擾。大多數交流輸出固態繼電器是一個零電壓開關，在零電壓處導通，零電流處關斷，減少了電流波形的突然中斷，從而減少了開關瞬態效應。

缺點

（1）導通后的管壓降大，可控硅或雙向控硅的正向降壓可達1~2V，大功率晶體管的飽和壓降也在1~2V之間，一般功率場效應管的導通電阻也較機械觸點的接觸電阻大。

（2）半導體器件關斷后仍可有數微安至數毫安的漏電流，因此不能實現理想的電隔離。

（3）由于管壓降大，導通后的功耗和發熱量也大，大功率固態繼電器的體積遠遠大于同容量的電磁繼電器，成本也較高。

（4）電子元器件的溫度特性和電子線路的抗干擾能力較差，耐輻射能力也較差，如不采取有效措施，則工作可靠性低。

（5）固態繼電器對過載有較大的敏感性，必須用快速保險絲或RC阻尼電路對其進行過載保護。固態繼電器的負載與環境溫度明顯有關，溫度升高，負載能力將迅速下降。

（6）主要不足是存在通態壓降（需相應散熱措施），有斷態漏電流，交直流不能通用，觸點組數少，另外過電流、過電壓及電壓上升率、電流上升率等指標差。

應用領域

交流調壓

“交流調功”是一種Z型SSR普遍采用的方法，也能實現PID調節。即在固定周期內，控制交流正弦電流半波個數，達到調功目的。模擬電路常采用電壓比較器，將一個固定周期的鋸齒電壓和來自前級誤差電壓作比較，輸出方波實現調節。在上采用計時算法，產生占空比可調的方波脈沖擊來實現。例如的SHIMADEW和公司的SR22、FD20、E5系列智能化控溫產品，配合Z型SSR，實現自適應“自動翻轉”控制，即通過計算機產生擾動，算出最佳PID控制參數。

通斷控制

通斷控制是在交流電壓過零時刻導通或關斷晶閘管,使負載電路與交流電源接通幾個周波，然后再斷開幾個周波,通過改變導通頻率與關斷周波數的比值,實現調節交流電壓大小的目的。通斷控制時輸出電壓波形基本正弦,無低次諧波,但由于輸出電壓時有時無,電壓調節不連續，會分解出分數次諧波。如用于異步電機調壓調速,會因電機經常處于重合閘過程而出現大電流沖擊，因此很少采用。一般用于電爐調溫等交流功率調節的場合。

相位控制

相位控制是在交流的正半周時觸發導通正向晶閘管、負半周時觸發導通反向晶閘管，且保持兩晶閘管的移相角相同，以保證向負載輸出正負半周對稱的交流電壓波形。相位控制方法簡單,能連續調節輸出電壓大小。但輸出電壓波形非正弦,含有豐富的低次諧波，在異步電機調壓調速應用中會引起附加諧波損耗，產生脈動轉矩等。

斬波控制

斬波控制利用脈寬調制技術將交流電壓波形分制成脈沖列,改變脈沖的占空比即可調節輸出電壓大小。斬波控制輸出電壓大小可連續調節，諧波含量小,基本上克服了相位及通斷控制的缺點。由于實現斬波控制的調壓電路半周內需要實現較高頻率的通、斷,不能采用品閘管,須采用高頻自關斷器件,如GTR.GTO.MOSFET.IGBT 等。

三相電流

使用SSR進行電機控制可以采用簡單的通斷控制和換向控制。在電機換向時，需要特別注意避免產生沖擊電壓和電流，控制電路的設計要避免換相SSR同時導通的可能性。上下電時序應采用先加后斷控制電路電源、后加先斷電機電源的順序。換向SSR之間不能簡單地采用反相器連接方式，以避免相間短路事故。此外，電機控制中的保險、缺相和溫度繼電器等保護裝置也是保證系統正常工作的關鍵。

技術參數

參考資料：

技術規范

中國規范要求：

GB/T 36640-2018固體繼電器

GB/T 21711.7-2018 基礎機電繼電器第7部分：試驗和測量程序

GB/T 21711.1-2023 基礎機電繼電器第1部分：總則與安全要求

GB/T 16608.1-2023 有質量評定的電信用基礎機電繼電器第1部分：總規范與空白詳細規范

國際規范要求：

ECA EIA RS-443-1979 固體繼電器用EIA/NARM標準

型號參數