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多功能无源固态继电器在自动控制中的应用

                   来源:中国自动化网

      摘 要:介绍了多功能无源固态继电器的特点、工作原理、技术指标及其在控制领域的应用,探讨应用中应注意的问题和解决措施.
关键词:无源固态继电器;可控硅;自动控制;应用
  固态继电器是一种无触点通断电子开关,利用电子元器件实现控制回路与负载回路之间的电隔离及信号耦合,没有任何可动部件及触点,实现了具有电磁继电器一样的功能。然而一般固态继电器其控制输入必须要注入功率,只起功率放大作用,不能直接外接无源敏感元件,也不能把来自传感器的微弱信号通过它直接和大功率负载连接起来。
  多功能无源固态继电器是在一般固态继电器的基础上研制成功的一种新型固态继电器,其输入端可以不加电源,且能接受多种电参量的控制,在控制领域具有广泛的用途。
1 特征
  多功能无源固态继电器分为四大类,它们各自具有独特的技术特征。
1)JGW型无源固态继电器

  JGW 型无源固态继电器不须外加电源,只要外接无源器件,如可变电阻器、可变电容器、可变电感器及阻抗迅速变化的敏感元件或敏感元件的弱电触点,就可实现零功率驱动。JGW 型无源固态继电器和光敏、热敏、湿敏、压敏、磁敏等无源敏感元件相连,即可构成相应的自动控制系统,具有超小型,高灵敏度,高可靠,使用简单等特点。
2)KGW型无源固态继电器
  KGW型无源固态继电器是把3个JGW 型集中在一起,共用一个零功率驱动源,不仅能代替三相电磁接触器,还能和各种无源敏感元件构成三相多敏自动控制器。
3)JGG型高灵敏固态继电器
  JGG型高灵敏固态继电器是一种正功率驱动器件,具有极高的灵敏度,驱动端仅须2W 的输入功率就能驱动,可以被CMOS电路以及由纽扣电池供电的各种微处理器逻辑电平所驱动,也能和电桥电路的输出直接接口。
4)KGS型双向传输固态继电器
  KGS型双向传输固态继电器是一种负功率驱动器件,驱动端能外向接的微功耗电路供电(3V/250A),微功耗电路输出状态的变化,反过来控制输出端开关的切换,实现了双向传输操作。由于它的驱动端不仅不需要外加电源,反而能向外接电路供电,所以称为负功率驱动器件。它也可以无源驱动,但驱动的门限电阻值较高。
2 技术指标
  多功能无源固态继电器系列产品除工作电压和工作电流指标分类不同之外,其他指标是相同的。
  1)输出端额定工作电压:36V.AC/220V.AC/380V.AC:
  2)输出端额定工作电流:1、3、5、10、20、30A系列;
  3)通态压降:≤3.3V;
  4)低阻抗无源驱动门限值:0.5~8kΩ;高阻抗无源驱动门限值:20-150kΩ;
  5)正功率驱动电压:1-100V;正功率驱动电流:2-500μA ;
  6)负功率驱动端开路输出电压:3V-0.5V;负功率驱动端电流门限值:20-200μA;
  7)驱动端与输出端电隔离:绝缘电阻>500MΩ;介质电压为2000V;
  8)接通时间≤10ms;断开时间:≤10ms;
  9)操作寿命≥10000000次。
3 工作原理
1)硬件组成

  多功能无源固态继电器以JGW型无源固态继电器为基础,JGW 型无源固态继电器内部电路框图见图1。


  其中无触点开关由单向或双向可控硅组成(内含浪涌吸收电路),它接受触发电路来的交流电网同步触发脉冲。触发脉冲由间歇振荡器产生,同步调制电源向间歇振荡器供给稳定的电压,间歇振荡器的每个脉冲宽度受控制绕组的控制。当外接在控制绕组的无源敏感元件的阻抗值变小时,流过控制绕组的退磁电流增大,脉冲宽度变窄,从而不能触发无触点开关,使输出端断开,反之,输出端接通。实现了外接在输入的无源元件阻抗值的变化有隔离地去自动启停接在交流电网上的大电流高电压负载的控制功能。
2)输入输出特性
  JGW型无源固态继电器通过输入端的无源元件阻抗值的变化有效实现了接在交流网上负载启停控制。其输入为无源元件阻抗值,低阻抗无源驱动门限值 0.5-8kΩ;高阻抗无源驱动门限值20-150kΩ,输出为无触点开关,输出端额定工作电压等级36V.AC/220V.AC/380V.AC
4 应用
4.1 适用范围

  1)代替简易的自动控制装置,用于水位控制、温度控制、照度控制、压力控制、防盗报警等,价格比为1:10。
  2)作CMOS电路接口,电桥电路接口,用于计算机终端,数据处理设备,数控装置,测量仪表,微电机控制等。
  3)用于需要特别安全的场合,可用作防爆按钮、防爆开关、防爆接线盒、防爆控制箱等。驱动操作端无电流、无火花,输出开关端无触点、无噪声、无火花。
  4)用于潮湿、有腐蚀、强烈振动的场合,如化工工程、井下操作等。
  5)和廉价的专用微功耗电路连接,组成超小型的廉价专用控制器。如用一块闪烁片和一只双向传输的固态继电器组成夜间自动闪烁电路。
4.2 基本应用电路
  无源固态继电器基本应用电路见图2。

4.3 典型应用举例
  1)应用KGW 型实现三电极、双水位水塔水位控制;
  2)应用JGW 型实现电热后干燥箱加热/恒温、自动/手动、无级调压温度控制;
  3)应用JGW 型一体化的温控器和水银电触点实现孵房温度控制;
  4)应用KGS型和闪烁片实现夜间闪烁发光控制;
  5)应用JGW 型和光敏电阻实现路灯控制;
  6)应用JGW 型和无源通断点实现防盗报警、矿井安全监控系统的远程断电控制。
4.4 应用中注意的问题及解决措施
  多功能无源固态继电器系列的输出端是由单向或双向可控硅组成,凡是可控硅应用中要注意的事项,在应用多功能无源固态继电器时都应注意。固态继电器内部并未采取严格的保护措施。
  1)散热问题。过热会引起失控或产品损坏,应合理选用散热器尺寸或降低电流使用。10A以下可采用仪器底板或设备机体散热,30A以下采用自然冷却,连续负载电流30A以上需采用仪表风扇强制风冷。
  2)浪涌吸收。多功能无源固态继电器内部装有RC吸收电路,一般为吸收浪涌电压和提高dv/dt。为减小截止漏电流,内部电容取得较小。应用时,应在输出端外加一个与负载匹配的RC吸收电路,有利于保护可控硅。对于感性或容性负载,建议在输出端并联一只压敏电阻,以抑制各种过电压。一般220V的器件选用430V的压敏电阻,380V的器件选用750V的压敏电阻,负载容量大的要选用面积大的压敏电阻。
  3)控制门限值的整定JGW型的门限阻抗R0是固定的,而无源敏感元件的Rx变化有一定的范围,可在驱动端串联或并联电阻予以整定调节。
  4)器件的正确使用负载分为)电阻性负载、冷阻性负载、电感性负载,不同类型的负载选型时电压值和电流值是不同的。器件的击穿电压规定为:36V档为 100V,220V档为600V,380V档为800V。器件电流额定值规定为元件额定值的2/3。电阻性负载可直接按负载的电压和电流值选用:冷阻性负载开通浪涌电流可能是工作电流的5-7倍或更大,电压值可按负载电压选,电流值要不低于浪涌电流值(需要测定浪涌电流值);对于感性负载,瞬态电压和电流值都很大,选用时,电压可按高一档次选用,电流值要放宽2—3倍。
5 结语
  多功能无源固态继电器设计巧妙,具有使用方便、可靠、寿命长、体积小、耐震动、无噪声等优点,输入端可以不加电源,且能接受多种电参量的控制,生产成本低, 比一般的固态继电器具有更高的性能价格比,在自动控制领域应用十分广泛。
           
 
 
 
   
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