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直流固态继电器

 

1、  介绍

    DC直流固态继电器的应用越来越广泛,其中主要原因之一就是直流固态继电器在开关时没有运动部件,不会产生电弧,也不会有机械损坏。

然而,在将直流固态继电器使用到一些感性直流负载上时,有些问题我们必须提前注意。

 

2、  直流固态继电器接线

因为直流固态继电器输入端子和输出端子之间有高达3750 Vrms隔离,因此控制信号输入与负载输出连接之间是没有什么关联的。如Fig.1所示:控制信号输入可以是源型或者灌型设置。负载既可以接在直流固态继电器输出的正端,也可以接在直流固态继电器输出的负端。直流固态继电器可以用作电平转换电路,因为控制输入信号和负载输出两部分电路之间没有电气关系。

 

当DC负载为感性负载,在直流固态继电器关断时,必须采取一些特别的保护措施来保护直流固态继电器。电流通过感性负载时,会产生一定的磁通量,产生的磁通量存储了一定的能量。当直流固态继电器关断时,磁通量产生突变,产生一个带极性的感应电动势,阻止电流减小。如Fig.2所示:

 

如果没有电路使产生的感应电流通过,磁通量的突变会产生一个很高的感应电动势,这个感应电动势可能超过电路中每一个元件的最高限制电压,其中之一的元件就是直流固态继电器。对直流固态继电器来说,就会导致输出功率半导体器件或者驱动半导体器件损坏而导通。在很多情况下,这种损坏对半导体器件是永久性的损坏,从而导致固态继电器永久损坏。

在大多数应用回路中,直接为感应电流提供一回路,通常可以采用连接一续流二极管来实现,如Fig.A所示:

 

除非在当感应电流仍然通过续流二极时,直流固态继电器又将被接通的情况下,可以采用普通恢复型续流二极管。然而,如果在负载电流还未完全释放完,直流固态继电器又要被接通的情况下,则要用快速恢复型二极管替代。快速恢复型二极管可以降低瞬时涌入电流幅度和持续时间。

在有些应用中需要快速释放感应电流(如尽快打开电磁阀)。如果需要快速释放感应电流,根据E = L * di/dt,释放回路必须设计成能够产生高电压。E是由于磁通量突变产生的感应电动势,L是负载感应系数,di/dt是电流变化速率。显然,L是一个固定值,E值越大,di/dt也越大,电流也越快释放到0值。提高产生的感应电动势形成更好的续流回路,可以采用齐纳击穿二极管或TVS管(如Fig.3(b))替代普通二极管(Fig.3(a))。我们必须意识到直流固态继电器两端的电压是负载电压E与齐纳击穿二极管或TVS管电压之和。因此,比如对于48VDC电源和100VDC额定电压的直流固态继电器应用来说,在最大电流负载条件下,续流元件两端的电压最大不能超过52Vdc。

 

另外一种可替代的方法是,将齐纳击穿二极管或TVS管并联在直流固态继电器的输出端子上,如Fig.3(c)所示。在这种情况下,箝位电压可以达到100Vdc。然而,因为此电压是与48Vdc电源电压串联,最终的效果与将箝位元件跨接在负载两端一样,感性负载产生的感应电动势不能超过52Vdc。

3、  结论

直流固态继电器给电路设计者在控制信号输入和负载电压方面提供了相当多的灵活性。但是必须注意,直流固态继电器用于控制感性负载时,要确保直流固态继电器关断时,感生电动势不要超过直流固态继电器的电压等级。通常可以采用续流二极管来实现,在一些需要产生高感应电动势以快速释放电流的场合,齐纳击穿二极管或TVS管可以用来提高感应电动势,为感性负载提供更快的电流释放回路。