關(guān)于PID調(diào)節(jié)儀溫控表、固態(tài)繼電器的常識(shí)

pid調(diào)節(jié)器
百科名片
目前工業(yè)自動(dòng)化水平已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個(gè)重要標(biāo)志。同時(shí)，控制理論的發(fā)展也經(jīng)歷了古典控制理論、現(xiàn)代控制理論和能控制理論三個(gè)段。智能控制的典型實(shí)例是模糊全自動(dòng)洗衣機(jī)等。自動(dòng)控制系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。一個(gè)控制系統(tǒng)包括控制器﹑傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、輸入輸出接口?？刂破鞯妮敵鼋?jīng)過輸出接口、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，加到被控系統(tǒng)上；控制系統(tǒng)的被控量，經(jīng)過傳感器，變送器，通過輸入接口送到控制器。
調(diào)節(jié)器簡介
英文：pid regulator
不同的控制系統(tǒng)，其傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)是不一樣的。智比如壓力控制系統(tǒng)要采用壓力傳感器。電加熱控制系統(tǒng)的傳感器是溫度傳感器。目前，pid控制及其控制器或智能pid控制器（儀表）已經(jīng)很多，產(chǎn)品已在工程實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用，有各種各樣的pid控制器產(chǎn)品，各大公司均開發(fā)了具有pid參數(shù)自整定功能的智能調(diào)節(jié)器（intelligent regulator），其中pid控制器參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整是通過智能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)算法來實(shí)現(xiàn)。有利用pid控制實(shí)現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實(shí)現(xiàn)pid控制功能的可編程控制器（plc），還有可實(shí)現(xiàn)pid控制的pc系統(tǒng)等等?？删幊炭刂破鳎╬lc）是利用其閉環(huán)控制模塊來實(shí)現(xiàn)pid控制，而可編程控制器（plc）可以直接與controlnet相連，如rockwell的 plc-5等。還有可以實(shí)現(xiàn)pid控制功能的控制器，如rockwell 的logix產(chǎn)品系列，它可以直接與controlnet相連，利用網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)其遠(yuǎn)程控制功能。
pid原理
1、開環(huán)控制系統(tǒng)
開環(huán)控制系統(tǒng)（open-loop control system）是指被控對(duì)象的輸出（被控制量）對(duì)控制器（controller）的輸出沒有影響。在這種控制系統(tǒng)中，不依賴將被控量反送回來以形成任何閉環(huán)回路。
2、pid控制的原理和特點(diǎn)
在工程實(shí)際中，應(yīng)用較為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱pid控制，又稱pid調(diào)節(jié)。pid控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用pid控制技術(shù)較為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象﹐或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，較適合用pid控制技術(shù)。pid控制，實(shí)際中也有pi和pd控制。pid控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。
3、階躍響應(yīng)
階躍響應(yīng)是指將一個(gè)階躍輸入（step function）加到系統(tǒng)上時(shí)，系統(tǒng)的輸出。穩(wěn)態(tài)誤差是指系統(tǒng)的響應(yīng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后﹐系統(tǒng)的期望輸出與實(shí)際輸出之差?？刂葡到y(tǒng)的性能可以用穩(wěn)、準(zhǔn)、個(gè)字來描述。穩(wěn)是指系統(tǒng)的穩(wěn)定性（stability），一個(gè)系統(tǒng)要能正常工作，首先必須是穩(wěn)定的，從階躍響應(yīng)上看應(yīng)該是收斂的﹔準(zhǔn)是指控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、控制精度，通常用穩(wěn)態(tài)誤差來（steady-state error）描述，它表示系統(tǒng)輸出穩(wěn)態(tài)值與期望值之差﹔快是指控制系統(tǒng)響應(yīng)的快速性，通常用上升時(shí)間來定量描述。
4、閉環(huán)控制系統(tǒng)
閉環(huán)控制系統(tǒng)（closed-loop control system）的特點(diǎn)是系統(tǒng)被控對(duì)象的輸出（被控制量）會(huì)反送回來影響控制器的輸出，形成一個(gè)或多個(gè)閉環(huán)。閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負(fù)反饋，若反饋信號(hào)與系統(tǒng)給定值信號(hào)相反，則稱為負(fù)反饋（ negative feedback），若極性相同，則稱為正反饋，一般閉環(huán)控制系統(tǒng)均采用負(fù)反饋，又稱負(fù)反饋控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)的例子很多。比如人就是一個(gè)具有負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)，眼睛便是傳感器，充當(dāng)反饋，人體系統(tǒng)能通過不斷的修正最后作出各種正確的動(dòng)作。如果沒有眼睛，就沒有了反饋回路，也就成了一個(gè)開環(huán)控制系統(tǒng)。另例，當(dāng)一臺(tái)真正的全自動(dòng)洗衣機(jī)具有能連續(xù)檢查衣物是否洗凈，并在洗凈之后能自動(dòng)切斷電源，它就是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。
（1）比例（p）控制
比例控制是一種較簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（steady-state error）。
（2）積分（i）控制
在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（system with steady-state error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分（pi）控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。
（3）微分（d）控制
在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。
自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后（delay）組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“**前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入 “比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重**調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例+微分（pd）控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動(dòng)態(tài)特性。
pid控制器的參數(shù)整定
pid控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的**內(nèi)容。它是根據(jù)被控過程的特性確定pid控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。pid控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。pid控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。三種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善。現(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進(jìn)行
pid控制器參數(shù)的整定步驟如下：
（1）首先預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；
（2）僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時(shí)的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；
（3）在一定的控制度下通過公式計(jì)算得到pid控制器的參數(shù)。
比例積分微分調(diào)節(jié)器的簡稱。利用比例微分環(huán)節(jié)的**作用來對(duì)消調(diào)節(jié)對(duì)象中的大慣性，提高精度，加快動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。
固態(tài)繼電器
百科名片
固態(tài)繼電器（solid state relay,縮寫ssr），是由微電子電路，分立電子器件，電力電子功率器件組成的無觸點(diǎn)開關(guān)。用隔離器件實(shí)現(xiàn)了控制端與負(fù)載端的隔離。固態(tài)繼電器的輸入端用微小的控制信號(hào)，達(dá)到直接驅(qū)動(dòng)大電流負(fù)載。
一、簡介
對(duì)于控制電壓固定的控制信號(hào)，采用阻性輸入電路?？刂齐娏鞅ＷC在大于5ma。對(duì)于大的變化范圍的控制信號(hào)（如3-32v）則采用恒流電路，保證在整個(gè)電壓變化范圍內(nèi)電流在大于5ma可靠工作。隔離驅(qū)動(dòng)電路：隔離電路采用光-電耦合和高頻變壓器耦合（磁電耦合），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(shí)現(xiàn)控制側(cè)與負(fù)載側(cè)隔離控制。高頻變壓器耦合是利用輸入的控制信號(hào)產(chǎn)生的自激高頻信號(hào)經(jīng)耦合到次級(jí)，經(jīng)檢波整流，邏輯電路處理形成驅(qū)動(dòng)信號(hào)。ssr的功率開關(guān)直接接入電源與負(fù)載端，實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載電源的通斷切換。主要使用有大功率晶體三極管（開關(guān)管-transistor）,單向可控硅（thyristor或scr），雙向可控硅（triac）,功率場效應(yīng)管（mosfet）,絕緣柵型雙較晶體管（igbt）.固態(tài)繼電器可以方便的與ttl,mos邏輯電路連接。**的固態(tài)繼電器可以具有短路保護(hù)，過載保護(hù)和過熱保護(hù)功能，與組合邏輯固化封裝就可以實(shí)現(xiàn)用戶需要的智能模塊，直接用于控制系統(tǒng)中。
固態(tài)繼電器是具有隔離功能的無觸點(diǎn)電子開關(guān)，在開關(guān)過程中無機(jī)械接觸部件，因此固態(tài)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(jī)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較佳，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(diǎn)。目前已廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)外圍接口設(shè)備，調(diào)溫、調(diào)速、調(diào)光、電機(jī)控制、電爐加溫控制、電力石化、醫(yī)療器械、金融設(shè)備、煤碳、儀器儀表、交通信號(hào)等領(lǐng)域。
二、固態(tài)繼電器的組成
固態(tài)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(fù)邏輯控制和反相等功能。固態(tài)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。固態(tài)繼電器的輸出電路也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。交流輸出時(shí)，通常使用兩個(gè)可控硅或一個(gè)雙向可控硅，直流輸出時(shí)可使用雙極性器件或功率場效應(yīng)管。
三、固態(tài)繼電器的優(yōu)缺點(diǎn)
1、固態(tài)繼電器的優(yōu)點(diǎn)
（1）高壽命，高可靠：固態(tài)繼電器沒**械零部件，有固體器件完成觸點(diǎn)功能，由于沒有運(yùn)動(dòng)的零部件，因此能在高沖擊，振動(dòng)的環(huán)境下工作，由于組成固態(tài)繼電器的元器件的固有特性，決定了固態(tài)繼電器的壽命長，可靠性高。
（2）靈敏度高，控制功率小，電磁兼容性好:固態(tài)繼電器的輸入電壓范圍較寬，驅(qū)動(dòng)功率低，可與大多數(shù)邏輯集成電路兼容不需加緩沖器或驅(qū)動(dòng)器。
（3）快速轉(zhuǎn)換:固態(tài)繼電器因?yàn)椴捎霉腆w器件，所以切換速度可從幾毫秒至幾微妙。
（4）電磁干擾小:固態(tài)繼電器沒有輸入“線圈”，沒有觸點(diǎn)燃弧和回跳，因而減少了電磁干擾。大多數(shù)交流輸出固態(tài)繼電器是一個(gè)零電壓開關(guān)，在零電壓處導(dǎo)通，零電流處關(guān)斷，減少了電流波形的突然中斷，從而減少了開關(guān)瞬態(tài)效應(yīng)。
2、固態(tài)繼電器的缺點(diǎn)
（1）導(dǎo)通后的管壓降大，可控硅或雙相控硅的正向降壓可達(dá)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(yīng)管的導(dǎo)通電阻也較機(jī)械觸點(diǎn)的接觸電阻大。
（2）半導(dǎo)體器件關(guān)斷后仍可有數(shù)微安至數(shù)毫安的漏電流，因此不能實(shí)現(xiàn)理想的電隔離。
（3）由于管壓降大，導(dǎo)通后的功耗和發(fā)熱量也大，大功率固態(tài)繼電器的體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(tài)繼電器對(duì)過載有較大的敏感性，必須用快速熔斷器或rc阻尼電路對(duì)其進(jìn)行過載保護(hù)。固態(tài)繼電器的負(fù)載與環(huán)境溫度明顯有關(guān)，溫度升高，負(fù)載能力將迅速下降。
（6）主要不足是存在通態(tài)壓降（需相應(yīng)散熱措施），有斷態(tài)漏電流，交直流不能通用，觸點(diǎn)組數(shù)少，另外過電流、過電壓及電壓上升率、電流上升率等指標(biāo)差。
3、固態(tài)繼電器注意事項(xiàng)
（1）在選用小電流規(guī)格印刷電路板使用的固態(tài)繼電器時(shí)，因引線端子為高導(dǎo)熱材料制成,焊接時(shí)應(yīng)在溫度小于250℃、時(shí)間小于10s的條件下進(jìn)行，如考慮周圍溫度的原因，必要時(shí)可考慮降額使用，一般將負(fù)載電流控制在額定值的 1/2以內(nèi)使用。
（2）各種負(fù)載浪涌特性對(duì)固態(tài)繼電器ssr的選擇
被控負(fù)載在接通瞬間會(huì)產(chǎn)生很大的浪涌電流，由于熱量來不及散發(fā)，很可能使ssr內(nèi)部可控硅損壞,所以用戶在選用繼電器時(shí)應(yīng)對(duì)被控負(fù)載的浪涌特性進(jìn)行分析,然后再選擇繼電器。使繼電器在保證穩(wěn)態(tài)工作前提下能夠承受這個(gè)浪涌電流，選擇時(shí)可參考表2各種負(fù)載時(shí)的降額系數(shù)(常溫下)。如所選用的繼電器需在工作較頻繁、壽命以及可靠性要求較高的場合工作時(shí)，則應(yīng)在表2的基礎(chǔ)上再乘以0.6以確保工作可靠。
一般在選用時(shí)遵循上述原則，在低電壓要求信號(hào)失真小可選用采用場效應(yīng)管作輸出器件的直流固態(tài)繼器；如對(duì)交流阻性負(fù)載和多數(shù)感性負(fù)載，可選用過零型繼電器，這樣可延長負(fù)載和繼電器壽命，也可減小自身的射頻干擾。如作為相位輸出控制時(shí)，應(yīng)選用隨機(jī)型固態(tài)繼電器。
（3）使用環(huán)境溫度的影響
固態(tài)繼電器的負(fù)載能力受環(huán)境溫度和自身溫升的影響較大，在安裝使用過程中,應(yīng)保證其有良好的散熱條件，額定工作電流在10a以上的產(chǎn)品應(yīng)配散熱器，100a以上的產(chǎn)品應(yīng)配散熱器加風(fēng)扇強(qiáng)冷 。在安裝時(shí)應(yīng)注意繼電器底部與散熱器的良好接觸 ，并考慮涂適量導(dǎo)熱硅脂以達(dá)到較佳散熱效果。如繼電器長期工作在高溫狀態(tài)下(40℃~80℃)時(shí)，用戶可根據(jù)廠家提供的較大輸出電流與環(huán)境溫度曲線數(shù)據(jù)，考慮降額使用來保證正常工作。
（4）過流、過壓保護(hù)措施
在繼電器使用時(shí)，因過流和負(fù)載短路會(huì)造成ssr固態(tài)繼電器內(nèi)部輸出可控硅*損壞 ,可考慮在控制回路中增加快速熔斷器和空氣開關(guān)予以保護(hù)型(選擇繼電器應(yīng)選擇產(chǎn)品輸出保護(hù),內(nèi)置壓敏電阻吸收回路和rc緩沖器,可吸收浪涌電壓和提高dv/dt耐量）；也可在繼電器輸出端并接 rc吸收回路和壓敏電阻(mov)來實(shí)現(xiàn)輸出保護(hù)。選用原則是220v選用500v-600v壓敏電阻，380v時(shí)可選用800v-900v壓敏電阻。
（5）繼電器輸入回路信號(hào)
在使用時(shí)因輸入電壓過高或輸入電流過大**出其規(guī)定的額定參數(shù)時(shí),可考慮在輸入端串接分壓電阻或在輸入端口并接分流電阻,以使輸入信號(hào)不**過其額定參數(shù)值。
（6）在具體使用時(shí),控制信號(hào)和負(fù)載電源要求穩(wěn)定，波動(dòng)不應(yīng)大于10%，否則應(yīng)采取穩(wěn)壓措施。
（7）在安裝使用時(shí)應(yīng)遠(yuǎn)離電磁干擾,射頻干擾源，以防繼電器誤動(dòng)失控。
（8）固態(tài)繼電器開路且負(fù)載端有電壓時(shí),輸出端會(huì)有一定的漏電流，在使用或設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意。
（9） 固態(tài)繼電器失效更換時(shí),應(yīng)盡量選用原型號(hào)或技術(shù)參數(shù)完全相同的產(chǎn)品，以便與原應(yīng)用線路匹配，保系統(tǒng)的可靠工作。
三、固態(tài)繼電器的工作
它是用半導(dǎo)體器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)電接點(diǎn)作為切換裝置的具有繼電器特性的無觸點(diǎn)開關(guān)器件，單相ssr為四端有源器件，其中兩個(gè)輸入控制端，兩個(gè)輸出端，輸入輸出間為光隔離，輸入端加上直流或脈沖信號(hào)到一定電流值后，輸出端就能從斷態(tài)轉(zhuǎn)變成通態(tài)。交流固態(tài)繼電器按開關(guān)方式分有電壓過零導(dǎo)通型（簡稱過零型）和隨機(jī)導(dǎo)通型（簡稱隨機(jī)型）；
按輸出開關(guān)元件分有雙向可控硅輸出型（普通型）和單向可控硅反并聯(lián)型（增強(qiáng)型）；
按安裝方式分有印刷線路板上用的針插式（自然冷卻，不必帶散熱器）和固定在金屬底板上的裝置式（靠散熱器冷卻）；
另外輸入端又有寬范圍輸入（dc3－32v）的恒流源型和串電阻限流型等。
ssr固態(tài)繼電器以觸發(fā)形式,可分為零壓型(z)和調(diào)相型(p)兩種。
在輸入端施加合適的控制信號(hào)in時(shí),p型ssr立即導(dǎo)通。當(dāng)in撤銷后,負(fù)載電流**雙向可控硅維持電流時(shí)(交流換向),ssr關(guān)斷。z型ssr內(nèi)部包括過零電路,在施加輸入信號(hào)in時(shí),只有當(dāng)負(fù)載電源電壓達(dá)到過零區(qū)時(shí),ssr才能導(dǎo)通,并有可能造成電源半個(gè)周期的較大延時(shí)。z型ssr關(guān)斷條件同p型,但由于負(fù)載工作電流近似正弦波,高次諧波干擾小,所以應(yīng)用廣泛。北京靈通電子公司的ssr由于采用輸出器件不同,有普通型(s,采用雙向可控硅元件)和增強(qiáng)型(hs,采用單向可控硅元件)之分。當(dāng)加有感性負(fù)載時(shí),在輸入信號(hào)截止t1之前,雙向可控硅導(dǎo)通,電流滯后電源電壓90o(純感時(shí))。t1時(shí)刻,輸入控制信號(hào)撤銷,雙向可控硅在小于維持電流時(shí)關(guān)斷(t2),可控硅將承受電壓上升率dv/dt很高的反向電壓。這個(gè)電壓將通過雙向可控硅內(nèi)部的結(jié)電容,正反饋到柵較。如果**過雙向可控硅換向dv/dt指標(biāo)(典型值10v/ s,將引起換向恢復(fù)時(shí)間長甚至失敗。單向可控硅(增強(qiáng)型ssr)由于處在單極性工作狀態(tài),此時(shí)只受靜態(tài)電壓上升率所限制(典型值200v/　s),因此 增強(qiáng)型固態(tài)繼電器hs系列比普通型ssr的換向dv/dt指標(biāo)提高了5-20倍。由于采用兩只大功率單向可控硅反并聯(lián),改變了電流分配和導(dǎo)熱條件,提高了ssr輸出功率。增強(qiáng)型ssr在大功率應(yīng)用場合,無論是感性負(fù)載還是阻性負(fù)載,耐電壓、耐電流沖擊及產(chǎn)品的可靠性,均**過普通固態(tài)繼電器,并達(dá)到了進(jìn)口產(chǎn)品的基本指標(biāo),是替代普通固態(tài)繼電器的較新產(chǎn)品。
四、固態(tài)繼電器的分類
e系列：直流控制，交流過零導(dǎo)通，過零關(guān)斷
e 系列固態(tài)繼電器是直流輸入控制，交流過零導(dǎo)通，過零關(guān)斷輸出型無觸點(diǎn)繼電器，因此，具有di/dt 的比值小，啟動(dòng)性能平穩(wěn)，對(duì)電網(wǎng)輻射干擾小，關(guān)斷時(shí)可降低感性負(fù)載的反電動(dòng)勢，對(duì)用電器和固態(tài)繼電器都有一定的保護(hù)作用等優(yōu)點(diǎn)，是控制一般用電器，如電動(dòng)機(jī)、加熱器、白熾燈的可以選擇器件。
ae系列：交流控制，交流過零導(dǎo)通，過零關(guān)斷
ae系列固態(tài)繼電器是交流輸入控制，交流過零導(dǎo)通，過零關(guān)斷輸出型無觸點(diǎn)繼電器。它方便于交流電源控制的設(shè)備中，直接采用交流控制固態(tài)繼電器，特點(diǎn)是從零電壓開始導(dǎo)通，啟動(dòng)性能平穩(wěn)，對(duì)電網(wǎng)輻射干擾小，關(guān)斷時(shí)可降低感性負(fù)載的反電動(dòng)勢，對(duì)用電器和固態(tài)繼電器都有一定的保護(hù)作用，是控制一般用電器，如電動(dòng)機(jī)、加熱器、白熾燈的可以選擇器件，可廣泛應(yīng)用于煤礦、石油、等工礦行業(yè)之中。
3e系列：
直流控制，三項(xiàng)交流過零導(dǎo)通，過零關(guān)斷
3e系列固態(tài)繼電器是直流輸入控制，交流過零導(dǎo)通，過零關(guān)斷輸出型無觸點(diǎn)三相繼電器?？芍苯涌刂迫嚯妱?dòng)機(jī)、變壓器和加熱器等負(fù)載，具有開關(guān)速度快、無噪音、耐腐蝕、抗干擾等特點(diǎn)，用固態(tài)繼電器控制電器，時(shí)是從零電壓開始起動(dòng)、零電流關(guān)斷，因此具有di/dt 的比值小，啟動(dòng)性能平穩(wěn)，對(duì)電網(wǎng)輻射干擾小，關(guān)斷時(shí)可降低感性負(fù)載的反電動(dòng)勢，對(duì)用電器和固態(tài)繼電器都有一定的保護(hù)作用等優(yōu)點(diǎn)，并且能與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，自動(dòng)控制裝置直接接口，可以廣泛用于軍事，工企自動(dòng)化等各個(gè)領(lǐng)域。
3ae系列：
交流控制，三相交流過零導(dǎo)通，過零關(guān)斷
3ae 系列固態(tài)繼電器是交流輸入控制，三相交流過零導(dǎo)通過零關(guān)斷輸出型無觸點(diǎn)繼電器。它方便于交流電源控制的設(shè)備中，直接采用交流控制電器如三相電動(dòng)機(jī)、變壓器和加熱器等負(fù)載，具有用固態(tài)繼電器控制電器，時(shí)是從零電壓開始起動(dòng)、零電流關(guān)斷，因此具有di/dt 的比值小，啟動(dòng)性能平穩(wěn)，對(duì)電網(wǎng)輻射干擾小，關(guān)斷時(shí)可降低感性負(fù)載的反電動(dòng)勢，對(duì)用電器和固態(tài)繼電器都有一定的保護(hù)作用等優(yōu)點(diǎn)，并且能與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，自動(dòng)控制裝置直接接口，可以廣泛用于軍事，工企自動(dòng)化等各個(gè)領(lǐng)域。
d系列：直流控制 直流輸出
d 系列固態(tài)繼電器為直流輸入，直流輸出型，可以實(shí)現(xiàn)直流電平轉(zhuǎn)換、隔離和控制，能夠方便地與計(jì)算機(jī)和各種數(shù)字電路接口。它廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中對(duì)各種直流供電執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制，如照明設(shè)備、小型直流電動(dòng)機(jī)、直流電源、各種電磁裝置及智能儀表等，也可作為各種大功率輸出器件的推動(dòng)級(jí)。使用方便，特別適用于腐蝕、潮濕和要求防爆等惡劣場合。
長時(shí)間工作在額定電流狀態(tài)時(shí)，應(yīng)安裝散熱器；環(huán)境溫度較高時(shí)，應(yīng)降額使用；控制容性負(fù)載時(shí)，應(yīng)限制其浪涌電流；控制感性負(fù)載時(shí)，應(yīng)限制其瞬時(shí)過壓。
p系列：直流控制，交流隨機(jī)導(dǎo)通，過零關(guān)斷
p系列固態(tài)繼電器是控制端為直流或方脈沖波輸入，輸出端為交流隨機(jī)型，特點(diǎn)是隨著控制端直流或方脈沖波的輸入，受控制端無論在任何相位上都即時(shí)導(dǎo)通。適合于要求導(dǎo)通時(shí)間短、開關(guān)速度快的控制系統(tǒng)中。當(dāng)過零型固態(tài)繼電器用于如變壓器這類感性負(fù)載時(shí)，會(huì)引起很大的浪涌電流，使用隨機(jī)開啟固態(tài)繼電器是解決的方法之一。它可以在**個(gè)半周內(nèi)的任意時(shí)刻使輸出器件導(dǎo)通，這種開啟方式，顯著減少了惡劣條件下的開啟機(jī)會(huì)，提高了固態(tài)繼電器的使用壽命。尤其對(duì)三相電機(jī)等三相負(fù)載，為使執(zhí)行控制的多個(gè)固態(tài)繼電器同時(shí)接通，采用隨機(jī)型交流固態(tài)繼電器較為合適。同時(shí)具有零電流關(guān)斷，關(guān)斷時(shí)可降低了感性負(fù)載的反電動(dòng)勢，對(duì)用電器和固態(tài)繼電器都有一定的保護(hù)作用等優(yōu)點(diǎn)。并且可與移相觸發(fā)器匹配使用，具有移相調(diào)壓功能。
五、固態(tài)繼電器的應(yīng)用
s系列固態(tài)繼電器,hs系列增強(qiáng)型固態(tài)繼電器、可以廣泛用于:計(jì)算機(jī)外圍接口裝置,恒溫器和電阻爐控制、交流電機(jī)控制、中間繼電器和電磁閥控制、復(fù)印機(jī)和全自動(dòng)洗衣機(jī)控制、信號(hào)燈交通燈和閃爍器控制、照明和舞臺(tái)燈光控制、數(shù)控機(jī)械遙控系統(tǒng)、自動(dòng)消防和保安系統(tǒng)、大功率可控硅觸發(fā)和工業(yè)自動(dòng)化裝置等。
在應(yīng)用中需要考慮下述問題。
器件的發(fā)熱
ssr在導(dǎo)通時(shí),元件將承受p=v（管壓降）×i（負(fù)載）的耗散功率,其中v有效值和i有效值分別為飽和壓降和工作電流的有效值。此時(shí),需依據(jù)實(shí)際工作環(huán)境條件,嚴(yán)格參照額定工作電流時(shí)允許的外殼溫升(75℃),合理選用散熱器尺寸或降低電流使用,否則將因過熱引起失控,甚至造成產(chǎn)品損壞。
在線路板上使用,連續(xù)負(fù)載電流2-3a時(shí),可選用s?3,s?4產(chǎn)品,5a時(shí),可選用s?08w3封裝產(chǎn)品。10a以下,可采用散熱條件良好的儀器底板。10a以上,需配散熱器。30a以下,采用自然風(fēng)冷,連續(xù)負(fù)載電流大于30a時(shí),需采用儀器風(fēng)扇強(qiáng)制風(fēng)冷。
封裝和安裝形式
臥式w型、立式l型,體積小適用于印制板直接焊接安裝。立式l2型,既能適合于線路板焊接安裝,也能適用于線路板上插接安裝。k型及f型,適合散熱器及儀器底板安裝。大功率ssr(k型和f型封裝)安裝時(shí),應(yīng)注意散熱器接觸面應(yīng)平整,并需涂復(fù)導(dǎo)熱硅脂(美寶t-50)。安裝力矩愈大,接觸熱阻愈小。大電流引出線,需配冷壓焊片,以減少引出線接點(diǎn)電阻。
輸入端驅(qū)動(dòng)
ssr按輸入控制方式,可分為電阻型、恒流源和交流輸入控制型。目前主要提供的,是供5v ttl電平用電阻輸入型。使用其他控制電壓時(shí),可相應(yīng)選用限流電阻。ssr輸入屬于電流型器件,當(dāng)輸入端光耦可控硅完全導(dǎo)通后(微秒數(shù)量級(jí)),觸發(fā)功率可控硅導(dǎo)通。當(dāng)激勵(lì)不足或斜波式的觸發(fā)電壓,有可能造成功率可控硅處于臨界導(dǎo)通邊緣,并造成主負(fù)載電流流經(jīng)觸發(fā)回路引起的損壞。
例如：基本性能測試電路,輸入為可調(diào)電壓源,測試負(fù)載用100w燈泡,輸入觸發(fā)信號(hào)應(yīng)為階躍邏輯電平,強(qiáng)觸發(fā)方式。國外廠商提供的器件標(biāo)準(zhǔn)電流為10ma,考慮到全溫度工作范圍(-40~+70℃),發(fā)光效率穩(wěn)定和抗干擾能力,推薦較佳直流觸發(fā)工作電流在12~25ma之間。
ssr輸入端可并聯(lián)或串聯(lián)驅(qū)動(dòng)。串聯(lián)使用時(shí),一個(gè)ssr按4v電壓考慮,12v電壓可驅(qū)動(dòng)3個(gè)ssr。
干擾問題
ssr產(chǎn)品也是一種干擾源,導(dǎo)通時(shí)會(huì)通過負(fù)載產(chǎn)生輻射或電源線的射頻干擾,干擾程度隨負(fù)載大小而不同。白熾燈電阻類負(fù)載產(chǎn)生的干擾較小,零壓型在交流電源的過零區(qū)(即零電壓)附近導(dǎo)通,因此干擾也較小。減少的方法是在負(fù)載串聯(lián)電感線圈。另外,信號(hào)線與功率線之間,也應(yīng)避免交叉干擾。
過流/過壓保護(hù)
快速熔斷器和空氣開關(guān),是通用的過電流保護(hù)方法。快速熔斷器可按額定工作電流的1.2倍選擇,一般小容量可選用保險(xiǎn)絲。特別注意負(fù)載短路,是造成ssr產(chǎn)品損壞的主要原因。感性及容性負(fù)載,除內(nèi)部rc電路保護(hù)外,建議采用壓敏電阻并聯(lián)在輸出端,作為組合保護(hù)。金屬氧化鋅壓敏電阻(mov)面積大小決定吸收功率,厚度決定保護(hù)電壓值。交流220v的ssr,選用myh12、430v、12的壓敏電阻;380v選用myh12、750v壓敏電阻;較大容量的電機(jī)變壓器應(yīng)選用myh20、24通流容量大的壓敏電阻。
關(guān)于負(fù)載的考慮
ssr對(duì)一般的負(fù)載應(yīng)是沒有問題的,但也必須考慮一些特殊的負(fù)載條件,以避免過大的沖擊電流和過電壓,對(duì)器件性能造成不必要的損壞。白熾燈、電爐等類的“冷阻”特性,造成開通瞬間的浪涌電流,**過額定工作電流值數(shù)倍。一般普通型ssr,可按電流值的2/3選用。增強(qiáng)型ssr,可按廠商提供的參數(shù)選用。在惡劣條件下的工業(yè)控制現(xiàn)場,建議留有足夠的電壓、電流余量。
某些類型的燈,在燒斷瞬間會(huì)出現(xiàn)低阻抗。氣化和放電通道以及容性負(fù)載,如切換電容器組或電容器電源,會(huì)造成類似短路狀態(tài)?？稍诰€路中進(jìn)一步串聯(lián)電阻或電感,作為限流措施。電機(jī)的開啟和關(guān)閉,也會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊電流和電壓。中間繼電器、電磁閥吸合不可靠時(shí)引起的抖動(dòng),以及電容換向式電機(jī)換向時(shí),電容電壓 和電源電壓的疊加會(huì)在ssr兩端產(chǎn)生二倍電源的浪涌電壓。
控制變壓器初級(jí)時(shí),也應(yīng)考慮次級(jí)線路上的瞬態(tài)電壓對(duì)初級(jí)的影響。此外,變壓器也有可能因?yàn)閮蓚€(gè)方向電流不對(duì)稱,造成飽和引起的浪涌電流異常現(xiàn)象。上述情況,使ssr在特殊負(fù)載的應(yīng)用,多少變得有點(diǎn)復(fù)雜?？尚械霓k法,就是通過示波器去測量可能引起的浪涌電流和電壓,從而選用合適的ssr和保護(hù)措施。
應(yīng)用實(shí)例
1.調(diào)壓應(yīng)用
p型ssr調(diào)壓,可采用外配移相電路來實(shí)現(xiàn)。例如,tw-702控溫儀的觸發(fā)系統(tǒng),國產(chǎn)sdkc-05單電源調(diào)相集成電路(見圖2)。在計(jì)算機(jī)上,通常采用pio經(jīng)驅(qū)動(dòng)級(jí)的位控方式,利用50hz電網(wǎng)電源的過零中斷,經(jīng)計(jì)時(shí),控制導(dǎo)通角,以達(dá)到調(diào)壓之目的。
2.交流調(diào)功應(yīng)用
“交流調(diào)功”是一種z型ssr普遍采用的方法,也能實(shí)現(xiàn)pid調(diào)節(jié)。即在固定周期內(nèi),控制交流正弦電流半波個(gè)數(shù),達(dá)到調(diào)功目的。模擬電路常采用電壓比較器,將一個(gè)固定周期的鋸齒電壓和來自前級(jí)誤差電壓作比較,輸出方波實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié),如圖3所示。在計(jì)算機(jī)上采用計(jì)時(shí)算法,產(chǎn)生占空比可調(diào)的方波脈沖擊來實(shí)現(xiàn)。例如日本的shimadew和omron公司的sr22、fd20、e5系列智能化控溫產(chǎn)品,配合z型ssr,實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)“自動(dòng)翻轉(zhuǎn)”控制,即通過計(jì)算機(jī)產(chǎn)生擾動(dòng),算出較佳pid控制參數(shù)。
3.三相電流控制
hs系列ssr產(chǎn)品,可直接用于三相電機(jī)的控制。較簡單的方法,是采用2只ssr作電機(jī)通斷控制,4只ssr作電機(jī)換相控制,*三相不控制。
作為電機(jī)換向時(shí)應(yīng)注意,由于電機(jī)的運(yùn)動(dòng)慣性,必須在電機(jī)停穩(wěn)后才能換向,以避免產(chǎn)生類似電機(jī)堵轉(zhuǎn)情況,引起的較大沖擊電壓和電流。在控制電路設(shè)計(jì)上,要注意任何時(shí)刻都不應(yīng)產(chǎn)生換相ssr同時(shí)導(dǎo)通的可能性。上下電時(shí)序,應(yīng)采用先加后斷控制電路電源,后加先斷電機(jī)電源的時(shí)序。換向ssr之間,不能簡單地采用反相器連接方式,以避免在導(dǎo)通的ssr未關(guān)斷,另一相ssr導(dǎo)通引起的相間短路事故。此外,電機(jī)控制中的保險(xiǎn)、缺相和溫度繼電器,也是保證系統(tǒng)正常工作的保護(hù)裝置。
固態(tài)繼電器術(shù)語解釋
環(huán)境溫度范圍:
固態(tài)繼電器正常工作時(shí)周圍空氣溫度極限，通常給出工作和貯存兩種條件下的溫度值，較大溫度還受散熱器和功率因素的限制。
介質(zhì)耐壓(單位：v)
固態(tài)繼電器輸入端與輸出端，輸入端、輸出端散熱底板之間能承受的較大電壓值。注意：不允許測量同一輸入(或輸出)電路引出端之間的介質(zhì)耐壓，測量之前應(yīng)先將它們短路。
絕緣電阻(單位：mω):
固態(tài)繼電器輸入端與輸出端，輸入端、輸出端散熱底板之間施加500vdc的電壓測量的電阻值。注意：不允許測量同一輸入(或輸出)電路引
電氣系統(tǒng)峰值(單位：v)：
在規(guī)定的環(huán)境條件下，固態(tài)繼電器輸入端開路，在輸出端的額定輸出電壓之上迭加特定波形和能量的電壓，試驗(yàn)一分鐘。試驗(yàn)后固態(tài)繼電器仍符合規(guī)定。
關(guān)斷時(shí)間(單位：ms):
從切除常開型固態(tài)繼電器輸入端電壓達(dá)到保證關(guān)斷電壓開始至輸出端電壓達(dá)到其電壓較終變化為止的時(shí)間間隔。
導(dǎo)通時(shí)間(單位：ms):
從施加于常開型固態(tài)繼電器輸入端電壓達(dá)到保證接通電壓開始到輸出端電壓達(dá)到其電壓較終變化的為止的時(shí)間間隔。
輸出端漏電流(單位：ma):
在輸入端沒有施加導(dǎo)通控制信號(hào)的情況下，流過輸出端之間較大(有效值)斷態(tài)漏電流。通常是指整個(gè)溫度范圍內(nèi)在較大的輸出額定電壓下的值。該值主要是輸出端緩沖器產(chǎn)生。
較大通態(tài)電壓降(單位：v):
在規(guī)定的環(huán)境溫度下，輸出端滿負(fù)載電流跨于輸出端兩端所呈現(xiàn)的較大(峰值)電壓降。
瞬態(tài)過壓(單位：piv):
固態(tài)繼電器在維持其關(guān)斷狀態(tài)的同時(shí)，能夠承受而不致造成損壞或失誤的允許施加電壓的較大偏離。**過該瞬態(tài)電壓可以使固態(tài)繼電器導(dǎo)通，若滿足電流條件則是非破性的。瞬態(tài)持續(xù)時(shí)間一般不做規(guī)定，可以在幾秒的數(shù)量級(jí)，受內(nèi)部偏值網(wǎng)絡(luò)功耗或電容器額定值的限制。
較小斷態(tài)dv/dt(靜態(tài))(單位：v/us):
在沒有施加導(dǎo)通控制信號(hào)時(shí)，固體繼電器輸出端(交流)能夠承受不致導(dǎo)通的電壓上升率。通常表達(dá)為較大額定電壓下的較小電壓上升率。
較大重復(fù)性導(dǎo)通電壓峰值(單位；vrms)：
在施加導(dǎo)通控制信號(hào)半周之后，在每一后續(xù)半周即要導(dǎo)通之前，跨于輸出端兩端所呈現(xiàn)的較大(峰值)斷態(tài)電壓。這一參數(shù)對(duì)具有或不具有“零導(dǎo)通”特點(diǎn)的固態(tài)繼電器同樣適用。
較大過零導(dǎo)通電壓(單位：vrms)(也稱過零電壓)：
在施加導(dǎo)通控制信號(hào)之后，在每一后續(xù)半周即要導(dǎo)通之前，跨于輸出端兩端所呈現(xiàn)的較大(峰值)斷態(tài)電壓。
功耗(在額定電流下)(單位：w)：
主要由于輸出半導(dǎo)體有效電壓降(功耗)而產(chǎn)生的較大平均功耗。
較大i2t(選擇熔絲用)(單位：a2s)：
固態(tài)繼電器承受較大非重復(fù)性脈沖電流的能力，用于熔絲的選擇。
較大過流(單位:a)：
在規(guī)定持續(xù)時(shí)間不允許流過的較大瞬時(shí)電流，通常以1秒的有效值來表述。
較大浪涌電流(非重復(fù)性)(單位：a)：
在規(guī)定持續(xù)時(shí)間不允許流過的較大瞬時(shí)電流，持續(xù)時(shí)間的典型值為交流電的一個(gè)周期(10ms)通常規(guī)定為峰值以及電流對(duì)時(shí)間的曲線。
較小負(fù)載電流(單位：ma)：
固態(tài)繼電器執(zhí)行規(guī)定工作所必須的較小負(fù)載電流。它一般與較大負(fù)載電流一并作為“工作電流范圍”列出。
較大負(fù)載電流(單位：a)：
在規(guī)定的環(huán)境溫度下，固態(tài)繼電器的較大穩(wěn)態(tài)負(fù)載電流能力，它還受散熱器和環(huán)境溫度條件的散熱限制。
輸出電壓范圍(單位：v)：
在規(guī)定的環(huán)境溫度下，施加于輸出端的電壓范圍，在該范圍固態(tài)繼電器繼續(xù)處于關(guān)斷或切換狀態(tài)，或換句話說執(zhí)行規(guī)定的狀態(tài)。線路的頻率值或包括在內(nèi)，或單位指明(交流)。
較小輸入阻抗(單位:ω)：
在給定電壓下的較小阻抗。作為輸入電流的替代或補(bǔ)充，它確定輸入功率要求。
反極性電壓(僅適用于直流輸入)(單位；v)：
在規(guī)定的環(huán)境溫度下，能夠加在固態(tài)繼電器輸入端上而不致造成固態(tài)繼電器*損壞的較大允許反向電壓。該值一般確定為輸入電壓的上限值。
輸入電流(單位：ma)：
在規(guī)定的環(huán)境溫度下，施加規(guī)定的輸入電壓于固態(tài)繼電器輸入端，流入其輸入回路的電流值。
保證關(guān)斷電壓(單位：v)：
在規(guī)定的環(huán)境溫度下，施加于輸入端，當(dāng)輸入在該值或該值之下時(shí)能保輸出端處于關(guān)斷狀態(tài)的電壓。
保證接通電壓(單位：v)：
在規(guī)定的環(huán)境溫度下，施加于輸入端，當(dāng)輸入在該值或該值之上時(shí)能保輸出端處于導(dǎo)通狀態(tài)的電壓。
輸入電壓范圍(單位；v)：
在規(guī)定的環(huán)境溫度下，施加在輸入端，使輸出端維持“導(dǎo)通”狀態(tài)的電壓范圍。一 般情況下直流輸入有：3-32vdc恒流輸入型和3-14vdc、10-40vdc阻性輸入型。交流輸入有：90-280vac輸入型。輸入電壓的下限即為所謂的保證接通電壓，輸入電壓的上限即所謂的反極性電壓(僅適用于直流輸入)。
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