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浅谈固体继电器的接通和关断电压

来源:中国自动化网

摘要:比较电磁继电器与固体继电器的异同,对各自的相关参数和概念做了粗浅分析,探讨固体继电器接通电压和关断电压等参数的质疑与争议,对相关问题提出了看法和建议。
关键词:固态继电器,电磁继电器:通态电压;关断电压
1引言
  【《固体继电器总规范》GJBI515—92L】是我国第一部固体继电器军用标准,奠定了我国军用固体继电器研制、试验、生产和使用所依据的基础。正因为是第一部,瑕疵在所难免。因此,该标准在实施过程中曾有过一些质疑,如“接通电压”和“关断电压”。其升级版GJB1515A一20ol嘲对接通电压和关断电压从根本上进行修改,使其参数更趋于科学合理。
  但实际上对“接通电压”和“关断电压”这两个参数仍存在质疑,因为固体继电器的这两个参数类似于电磁继电器的“动作电压”和“释放电压”,这两对是重要参数。也是最能体现这两种类型继电器相似之处。由于固体继电器的发展历史较短,许多人对其机理没有深刻了解,不明白与电磁继电器的本质区别,往往用电磁继电器的观念来对待,甚至将其完全视为电磁继电器,从而造成了认识上的误区和理解上的偏差。这里重点论述了固体继电器的“接通电压”和“关断电压”这组参数。
2 固体继电器与电磁继电器
  电磁继电器在电磁力作用下产生宏观机械运动.利用物体间的离合实现电路通断,而固体继电器则运用半导体技术,在外部相关物理量的控制下,使半导体内部产生微观的电子或空穴运动,实现外部电路的通断。因此,这两种继电器的工作机理有着本质区别。下面从不同方面加以对比分析.分清两者的主要异同点。
2.1GJB1515—92与GJB1515A一2001
  GJB1515—92中接通电压、关断电压的测试套用电磁继电器国军标中的动作电压、释放电压的测试方法,即先额定激励一次后,再用斜坡法测试:而 GJB1515A一2001则是直接加规定值进行符合性判定(即阶跃法),只考察其是否合格,而对实测值则直接用斜坡法测试。
  GJB1515—92对接通电压、关断电压的实测值和规定值进行明确定义,而在GJB1515A一2001中则将规定值明确定义为输入接通、关断电压,将实测值及其测试方法定义为保证接通、关断电压。可见GJB1515A一2001从固体继电器实际出发,对输入接通、关断电压采用阶跃测试法。摒弃了可能会损毁器件的斜坡测试法。
2.2特性曲线
  以直流电磁继电器(单稳态、一组常开触点)和直流固体继电器(一组常开输出)为例,测试电路采用同一组态。使用斜坡法分别测试这两种继电器的输入一输出波形图及特性曲线.如图1一图4所示:


 

  这里需要说明的是:“斜坡法”是业内针对图1和图3中输入波形的形象叫法;为简单起见,图3、图4中假定固体继电器输出电压转折区为线性.并将转折斜线两端的非线性过度区近似为两个交点;若分别在图1、图3中过斜坡顶点作垂线,沿垂线将右边图形向左边对折.其结果分别与图2、图4
  对比图1、图3及图2、图4可以看出:(1)在图1和图2中,当输入电压增加或减小时,对应于输出电压发生跃变时,为实测动作或释放电压值,且后者小于前者。显然,一个测试循环中有两个明确的输出跃变点。在图3和图4中,当输入电压增加时,输出电压不发生跃变.而是存在一个连续的转折区,与第一、第二个转折点对应的输入电压实测值分别为规范中所定义的保证关断电压和接通电压:当输入电压减小时,输电压分别经第二、第一转折点沿原路返回。
  对于直流固体继电器.当输出电压处于转折区时.输出器件与负载分压,这将使输出器件功耗大大增加并可能造成永久性损坏。为了正确判定这两个转折点,这两个规范中均给出了相同判据。由于判据提出最小值和最大值要求,有些人则把对实测值的要求套用于规定值:将最小值、最大值分别作为输入接通电压、关断电压的上限和下限,结果导致各参数相互矛盾。
  (2)在图1和罔2中,当电磁继电器一旦动作(或释放),便保持在吸合(或释放)状态。当输入电压变化时,输出并不是沿原路返回,而是另外取道返回至前一状态,于是就形成了图2中的矩形窗口,该窗口类似于磁滞回线和斯密特触发器的滞回比较曲线,这就是“继电特性”,存在由于继电特性.使触点具有瞬动性,即触点能够从一种状态迅速转换到另一种状态。这正是电磁继电器的实用价值。如果电磁继电器不具有该特性.假设触点的位移与线包电压成线性,则在实际负载下,其缓动触点将被损坏。
  图2中的矩形窗口对应于图4则是一条折线,即固体继电器不具有继电特性,其输出与输入近似为线性关系,这就是这两种继电器的本质区别。不过.由于直流固体继电器的输器件具有放大作用,放大区所对应的输人电压范同实际上比较狭窄,若能保证输入电压的变化速率不低于某个极限值,输出快速通过转折区并不损坏输出器件。如果遮盖住2中的窗口区域和图4中的转折区域,剩余部分完全相同,若能保证图4中的输入电压位于规定的接通、关断电压间的区域外,其开关特性便与电磁继电器相同。于G.IBl515—92未明确定义接通、关断电压的实测值和规定值.此该组参数可能是某一范同或某一具体数值。应保证接通、关断电压是单个产品具体的实测值,图4中为转折的两个转折点所对应的。保证关断、接通电压分别是关断区和接通区的误差范围的上、下限。该界限若泛指同一规格中的所有产品,则是一个不确定值;若是具体到某一产品则是该实测值。输入接通、关断电压为规定值时图4中虽然也是两个点.但其限制接通、关断电压实测数值范嗣的上、下限.即就是保证接通、关断电压是每个产品的个体属性,而输入接通、关断电压是由制造者规定.该规格产品必须遵从的共同属性
2.3测试方法
  电磁继电器的动作、释放电压一般参数采用斜坡测试法,若套用在直流固体继电器上则有极大弊病,因为在额定负载下经转折区,特别是缓慢通过甚至停留于转折区的中间位置时,功率器件T作于放大区,其功耗达到最大,远远超出器件的功率极限,使结温迅速超限而瞬间烧毁。即使不在中间位置.器件具有一定的自愈能力侥幸没有损坏,但这种没有任何保护措施、近乎破坏性的测试,是对器件性能的反复摧残,其累积效应也将降低使用性能。
  尤其是在开断寿命试验中.对输入电压开断波形的前后沿提出较高要求,这是为了防止功率器件反复通过放大区的时间过长,累积热效应使平均温升过高导致器件损坏,但在测试中要求带额定负载运用斜坡测试法,这种前后沿极其平坦的斜坡却极易损坏器件电磁继电器的实测动作、释放电压参数测试非常容易,即使触点不带负载,也能相对准确地测量吸放值.但固体继电器无法实现。另外,该实测值对于研制中的样品或半成品来说,在确定电路参数,改进提高_丁序检验等方面具有重要意义;而对于成品获得实测值没有多大价值。因为实际应用真正关心是:在规定的输入条件下.固体继电器能否在开关状态下可靠_T作。因此,输入接通、关断电压最具有实用价值。建议仅把输入接通、关断电压视为常规测试参数.而将保证接通、关断电压作为仲裁测试.这恰好与电磁继电器相反:常规测试采用斜坡法,不同时彩阶跃法测试.实际上这与两者的输出特性恰好吻合.即常规测试中.斜坡法对应电磁继电器的阶跃特性,阶跃法对应于固体继电器的斜坡(转折)特性,仲裁测试时将测试法对调即可当需要对保证接通、关断电压用斜坡法带额定负载实测浅谈固体继电器的接通和关断电压时.建议采用下述方法有效防止器件损坏:调节输入电压,使U。从额定关断或输入关断电压(即0V)处逐渐增大,则输出沿关断区向第一转折点逐渐靠近,当输出漏电流增加时即为“保证关断电压”,此时不能再缓慢增加,而是以最快速度将U,增加至额定接通电压或输入接通电压,使其输出快速通过转折区进人导通区,然后将从额定值或规定值处逐渐减小,使输出沿导通区向第二转折点靠近,当接通压降增加时为“保证接通电压”,最后快速回零,使其输出快速通过转折区返回关断区.完成测试。另外,针对同体继电器的转折区的缺陷,及使用中可能发生的过载或短路,可在电路中加入适当的保护措施及其他实用功能,以提升产品的性价比和市场竞争力。
2.4负载条件
  电磁继电器中的触点负载条件:无论工作在直流和交流.以及负载大小和性质如何,统一规定直流10mA/6V、100mA/28V、 1000mA/24V等,而阎体继电器中接通和关断电压等参数的测试条件要求输出加额定负载。由于电磁继电器的触点负载能力可由设计、材料等保证,为了不破坏触点的初始状态和使用性能,测试中均以上述负载代替额定负载。
  固体继电器的输出是由半导体器件来完成的.它相当于电磁继电器中的触点,但其开关过程是微观的,一种规格的所有产品的负载能力及其可靠性。取决于所选取的承担开关作用的功率器件,而不像电磁继电器的触点那样具有可见性、一致性和确定性。另外,早期的固体继电器用双极性晶体管作为输出元件,因其属于电流控制器件,当要求继电器接通时,其集电极电流与基极电流必须满足一定的关系才能工作于饱和区.使得继电器的接通、关断电压参数随输出电流的大小变化,如当输出电流较小时,较小的输入电压就可使输出器件饱和导通,当输出电流增大时,原来的输入电压已不能满足饱和导通条件.导致输出器件退出饱和区而进入放大区,不但失去了开关特性,还具有器件损坏的风险。所以,只有将每个继电器在额定负载条件下进行测试.一方面使所测参数可以覆盖额定负载以下的全部负载条件.另一方面也对产品的负载能力反复验证和确认。固体继电器的可靠性在很大程度上取决于半导体器件制造商,新型的直流固体继电器广泛采用性能优异的场效应晶体管作为输出元件,大大提高了产品的可靠性。同时,因该元件属于电压控制器件,使得继电器的接通、关断电压参数基本不受输出电流的影响,可以完全隔离。建议仿照电磁继电器,采用统一的序列小负载代替额定负载测试固体继电器。在设计阶段就对该规格继电器进行相关试验,取得所需数据,在后续生产、试验及使用中参数测试时为负载提供依据。成品后的测试使用统一负载即可。这样可以简化相应的测试仪器,使后续试验采用斜坡法而不会损坏器件。
2.5参数与曲线
  为保证电磁继电器可靠工作,应对线包施以最佳的动作或释放电压.即就是线包的额定工作电压和零伏。电磁继电器的额定工作电压应为“额定动作电压”,零伏应为“额定释放电压”。同理,固体继电器的额定输入电压应为“额定接通电压”,零伏应为“额定关断电压”。在这种概念的基础上,重新观察图1一图4中的 “实测值”、“规定值”、“额定值”等参数的分布排列,就会清楚看出这两种继电器参数序列的异同,深刻理解各参数的内涵及其相互关系。
  将图2和图4中的曲线划分为“五区两点”。“五区”:“个性区”、“误差区”(两个)、“工作区”(两个);“两点”:可靠开关点。其中,“个性区” 指两实测值间的区域,为单个产品的个体属性,该区域为电磁继电器的非工作区,为固体继电器的禁止停留区;“误差区”指实测值与规定值间的区域,是规定的、容纳产品实测值分散范围的公差带,该区域为不可靠工作区;“工作区”指规定值与额定值间的区域,是产品发挥效能、实现功能之所在;“两点”指曲线的两个端点,即两个“额定值”,它是保证产品开关性能及其他性能的两个可靠工作点。
  划分“五区两点”的目的,只是为了对这两种继电器的参数序列及其排列分布的共性有一个总体认识,同时也是图形化归纳和总结。其中“工作区”的划分,对固体继电器来说基本上是合理的,在该区内既能够保证其功能,也能够保证其性能.即使在“误差区”,只要离开“个性区”远一点,也能正常工作。但对于电磁继电器来说则不尽然,在“工作区”内能确保其功能.但不一定能保证其性能,因为触点问的压力与激励值成正比,越靠近额定值,其性能越可靠,因此,电磁继电器只有T作于“两点”才是最可靠的。
3 结语
  通过对这两种继电器的粗略比较,粗浅辨析各自的相关参数和概念。直流电磁继电器和固体继电器,除了由外特性所表现的释放与关断、吸合与接通相似之外,其余皆不相同。
参考文献:
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