原创 物联网中高可靠低功耗长寿命继电器方案_固态继电器

物联网系统中为什么要使用的固态继电器

在物联网系统中使用固态继电器的原因主要基于固态继电器的多个显著优点，这些优点使得固态继电器成为物联网系统中控制电路的理想选择。以下是详细的原因分析：

高可靠性和长寿命

• 无机械部件：固态继电器采用半导体材料代替传统电磁继电器的机械触点，因此没有机械磨损和疲劳问题，从而大大提高了其可靠性和使用寿命。这种特性使得固态继电器在需要高可靠性和长寿命的物联网应用中尤为适用。
• 耐环境能力强：固态继电器对振动、冲击、湿度等环境因素不敏感，能够在恶劣的工作环境中稳定运行。这对于物联网系统中可能面临的复杂环境条件尤为重要。

低功耗和快速响应

• 低功耗：固态继电器的电流控制电路只需要少量电流即可控制，相比传统继电器能够显著降低功耗。这对于物联网系统中需要长时间运行且对能耗有严格要求的设备来说，是一个重要的优势。
• 快速响应：固态继电器的响应速度非常快，一般只需要几毫秒的时间即可完成开关动作。这种快速响应能力使得固态继电器在需要快速切换电路的物联网应用中表现出色。

电气隔离和安全性

• 电气隔离：固态继电器通常具有输入和输出之间的电气隔离功能，这意味着输入信号与输出信号之间没有直接的电气连接。这种隔离可以提高系统的安全性和抗干扰能力，防止外部干扰对系统造成影响。
• 安全性高：由于固态继电器没有机械触点，因此不会产生电弧或火花等潜在的安全隐患。这对于物联网系统中需要控制易燃易爆或高压设备的场景来说尤为重要。

易于集成和控制

• 易于集成：固态继电器体积小、重量轻，易于与其他电子元件集成在一起。这使得固态继电器在物联网系统中能够方便地与其他设备或模块进行连接和集成。
• 控制灵活：固态继电器可以通过数字信号或模拟信号进行控制，使得其控制方式更加灵活多样。这种灵活性使得固态继电器能够适应不同物联网系统的控制需求。

应用广泛

• 工业自动化：在物联网系统中，固态继电器可以用于控制机器人、自动化生产线等设备的开关，实现自动化生产。
• 智能家居：固态继电器还可以用于智能家居系统中，控制家庭电器的开关，如灯光、窗帘、空调等，实现智能家居控制。
• 电力电子：在电力电子领域，固态继电器可以用于逆变器、变频器、电磁炉等设备的控制，提高系统的效率和稳定性。

其他具体应用

• 自动化和控制系统：固态继电器广泛用于自动化和控制系统中，包括工业自动化、楼宇自动化、机器控制等。它们可以实现对电流的快速、可靠的开关控制，用于驱动电动机、执行器、电磁阀等设备。
• 电力分配和开关控制：固态继电器被用于电力分配系统和开关控制应用。它们可以用于电力开关、断路器控制、配电盘控制、电力监控等领域，提供高速、可靠的电流开关功能。

• 照明控制：固态继电器用于照明控制是常见的应用之一。它们可以实现对灯光的开关控制，包括室内照明、户外照明、舞台照明等。固态继电器的快速响应和长寿命使其成为照明控制的理想选择。
• 温度控制和加热系统：固态继电器广泛用于温度控制和加热系统中。它们可以实现对加热元件（如加热器、热交换器）的精确开关控制，用于温度调节、热处理、热风炉控制等应用。
• 医疗设备：固态继电器在医疗设备中具有重要的应用。它们用于控制医疗设备的电流开关，包括医疗成像设备、手术器械、实验室仪器等。
• 电动交通工具：固态继电器也用于电动交通工具中，如电动汽车、电动自行车等。它们可以实现对电动车辆的电流开关控制，包括电机驱动、充电控制等功能。
• 总的来说，固态继电器在各个领域的应用越来越广泛，由于其快速响应、可靠性高和寿命长等优点，成为电流开关控制的重要工具。

综上所述，物联网系统中使用固态继电器的原因主要包括其高可靠性、长寿命、低功耗、快速响应、电气隔离、安全性高、易于集成和控制以及广泛的应用场景等多个方面。这些优点使得固态继电器成为物联网系统中控制电路的重要选择。

本文会再为大家详解继电器家族中的一员——固态继电器。

固态继电器的定义

固态继电器是一种完全由固态电气元件组成的非接触式开关，可以以较小的控制信号驱动大电流负载。无触点开关器件，输入直流或脉冲信号，中间光耦隔离，输出从断态转变为通态。由于电气元件（即开关晶体管、可控硅等半导体元件）的开关特性，它可以实现无接触和无火花的开关。

固态继电器的原理

从DW1、DW2上取出的削顶正弦信号经反相器BG1输出方波再经运算放大器A输出尖峰脉冲信号。尖峰脉冲加在D3~D6的交流对角线与SCR的控制极和阴极间，D3~D6的直流对角线接在光电耦合器的输出端。当从A、B输入低压小电流信号时，二极管发光，光敏管导通，于是从A运算放大器中输出的尖峰脉冲触发SCR导通，角载RL得电。A、B无信号输入时，光电耦合器BG2截止，尖峰脉冲通不过而使SCR不能导通。

固态继电器的分类

按控制方式

开关控制 循环控制 相位控制

按负载输出方式分类

根据控制的负载性质，分为直流固态（输出用MOS管、IGBT等控制）和交流固态（输出用可控硅控制）

按相数分类

单相固态继电器 三相固态继电器。

基于内部元件和工作原理的分类：

• MOSFET SSR：金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）SSR以其高速开关能力和低功耗而闻名，非常适合快速响应时间至关重要的应用。
• 光隔离SSR：包含一个光耦合器，用于在输入和输出之间提供电气隔离，广泛用于需要防止电压尖峰和噪声的应用。
• 混合SSR：结合了SSR和机电继电器的优点，保障机电继电器的可靠性，同时保持SSR的优点。
• 中压SSR：可处理100V至600V的负载电压，适用于工业自动化和HVAC系统。
• 高压SSR：设计用于控制超过600V的负载，例如配电箱、光伏逆变器和电动汽车充电站。
• 单刀双掷（SPDT）SSR：具有一个输入和两个输出端子，允许在两个不同负载之间切换。

按开关形式分类：

• 常开型
• 常闭型

按输入方式分类：

• 电阻限流直流
• 恒流直流
• 交流等类型

按隔离型式分类：

• 混合型
• 变压器隔离型
• 光隔离型等多种，其中光隔离型应用最多。

按触发方式分类：

• 过零触发型ACSSR：当控制信号输入后，在交流电源经过零电压附近时导通，故干扰很小。
• 随机导通型ACSSR：在交流电源的任一相位上导通或关断，在导通瞬间可能产生较大的干扰，并且它内部的晶闸管容易因功耗大而损坏。

固态继电器的选型参数

1、输入电压Vi--在规定的环境温度下，施加至输入端能使固体继电器正常工作的电压范围。

2、输入电流Ii--在规定的环境温度下，在规定输入电压下，流入固体继电器输入回路的电流值。

3、保证接通电压Vicmin--保证常开型固体继电器输出电路接通时施加在输入端的电压的最低值。类似于电磁继电器的动作最大值。该值一般为固体继电器的输入电压范围的下限值。即在输入端施加该电压或大于该电压时固体继电器确保接通。

4、保证关断电压Vismax--保证常开型固体继电器输出电路关继时施加在输入端的最高值。类似于电磁继电器释放电压最小值。即在输入端施加该电压或低于该电压值时，固体继电器确保关继。

5、反极性电压Virmax--能够加在固体继电器的输入端上而举造成永久性损坏的最大允许反极性电压。该值一般确定为输入电压范围的上限值。

6、偏压Vcb--在具有多路输出电路的继电器或输入与CMOS电平兼容的继电器中，需要以偏置电源对输入控制信号进行放大或转换。该项参数规定了使继电器正常工作的偏置电源电压范围。

7、偏流Icb--在规定的环境温度下，在规定偏压下，流入固体继电器偏置回路的电流值。

8、输出电压Vlmax--在规定的环境温度下固体继电器能够承受的最大稳态负载电源电压。一般还应规定，继电器能正常接通和关继的最小值输出电压。

9、输出电流Ilmax--在规定的环境温度下，固体继电器允许使用的最大稳态负载电流值。一般还应规定，继电器能正常接通和关继的最小输出电流。

10、输出电压降或输出接通电阻Ron--在规定环境温度下，固体继电器处于接通状态，在额定工作电流下，两输出端之间的压降或电阻值。

11、输出漏电流Iol--在规定的环境温度下，固体继电器处于关继状态，输出端为额定输出电压时，流经负载的电流（有效）值。

12、接通时间Ton--当使常开型固体继电器接通时，从加输入电压至保证接通电压开始到输出端电压（或负载电压）达到其电压最终变化的90%为止之间的时间间隔。

13、关继时间Toff--当使常开型固体继电器关继时，从切除输入电压至保证关继电压开始到输出电压（或负载电压）达到其电压最终变化的90%为止之间的时间间隔。

14、瞬态电压Vins--在规定的环境温度下，处于关状态时固体继电器输出端能够承受的不被击穿或失去阻继功能的最大瞬时电压。

15、过负载和浪涌电流Isur--按总规范的规定，固体继电器的过负载为3.5倍额定输出电流、脉冲宽度100ms、周期1s、循环10次的浪涌电流值或详细规范所规定的其它循环方式的浪涌电流。交流固体继电器一般还可承受脉冲宽度为50HZ 1个周波（20ms）的8~15倍于额定输出电流的非重复浪涌电流。

16、最小额定电流Ilmin--为使交流固体继电器正常接通，能满足规定的直流失调节器电压和波形失真要求的继电器的最小负载电流。一般直流固体继电器出应规定其适用的最小电流。

17、零点交越--具有此零点交越特性的交流固体继电器，施加输入电压后，只在随后的规定的零电压时接通，切除输入电压后，只在随后的规定的零负载电流时关断，而与输入电压施加或切除的时间无关。

18、电压指数上升率（dv/dt）--在规定的环境温度下，固体继电器输入端施加零输入电压，输出端能够承受的不使其接通的最小电压上升率。总规定规定该值为100V/us，某些产品可达200~500V/us。

19、绝缘电阻Rins--固体继电器输入端与输出端，输入端、输出端与外壳之间加500V直流电压测量的电阻值。注意，不允许测量同一输入（或输出）电路引出端之间的绝缘电阻，测量之前应将它们短接。

20、介质耐压--固体继电器输入端与输出端，输入端、输出端外壳之间能承受的最大电压值。注意，不允许测量同一输入（或输出）电路引出端之间的介质耐压，测量之前应将它们短接。

21、工作湿度--继电器按规范安装或不安装散热器时，其正常工作的环环境温度范围。

22、储存温度--在非工作状态下，不出现永久性的电性能变化或机械损坏的环境温度范围。

固态继电器的优缺点

优点：

• 电磁干扰小：固态继电器没有输入"线圈"，没有触点燃弧和回跳，因而减少了电磁干扰。大多数交流输出固态继电器是一个零电压开关，在零电压处导通，零电流处关断，减少了射频干扰，减少了电流波形的突然中断，从而减少了开关瞬态效应。
• 高寿命，高可靠：SSR没有机械零部件，由固体器件完成触电功能，由于没有运动的零部件，因此能在高冲击，振动的环境下工作，由于组成固态继电器的元器件的固有特性，决定了固态继电器的寿命长，可靠性高。
• 灵敏度高，控制功率小，电磁兼容性好：固态继电器的输入电压范围较宽，驱动功率低，可与大多数逻辑集成电路兼容不需加缓冲器或驱动器。
• 快速转换：固态继电器因为采用固体器件，所以切换速度可从几毫秒至几微秒。

缺点：

• 半导体器件关断后仍可有数微安至数毫安的漏电流，因此不能实现理想的电隔离。
• 电子元器件的温度特性和电子线路的抗干扰能力较差，耐辐射能力也较差，如不采取有效措施，则工作可靠性低。
• 固态继电器对过载有较大的敏感性，必须用快速熔断器或RC阻尼电路对其进行过载保护。固态继电器的负载与环境温度明显有关，温度升高，负载能力将迅速下降。通常用于功率控制的固体继电器是针对负载或设计成交流输出或设计成直流输出，而不设计成既和用于交流负载，又可用于直流负载。
• 导通后的管压降大，可控硅或双相控硅的正向降压可达1~2V，大功率晶体管的饱和压浆液在1~2V之间，一般功率场效应管的导通电阻也较机械触点的接触电阻大。
• 由于管压降大，导通后的功耗和发热量也大，大功率固态继电器的体积远远大于同容量的电磁继电器，其输出功率与环境和外壳温度有关，成本也较高。
• 通常固体继电器设计成单刀单掷形式，这样比较容易实现，多组和多组转换结构需要用几个相互连接和适当连锁的固体继电器，这些固体继电器基本上是积木式堆叠在一起，形成一个占地较大空间的复杂装置。大功率固体继电器，由于需用散热片，就进一步增加了所有空间和成本。

固态继电器的使用注意事项

• 电阻性负载不能超过额定电流的60%。
• 电感性或容性负载不能超过额定电流的40%，在控制感性负载时，一定要考虑负载的启动性，尽量选耐电压高的产品，因为感性负载有6倍左右 的反峰值电压。
• 固态继电器导通时，两端总有压降，会产生焦耳热尤其是大电流工作时更加突出，电流10A时必须加装散热器，电流大于40A时，需加风扇强冷 或水冷。
• 过流和负载短路可能造成SSR内部可控硅永久性失效，所以必须加装熔断器或空气开关，小容量可选用保险丝。
• 过压保护可采用并联压敏电阻，根据用户要求也可内置压敏电阻。固态继电器是半导体器件的组合装置。它具有无触点，寿命长，可靠性高，使用安全，电磁干扰小等优点。
• 直流固态继电器的控制电压范围通常为3.6~7V，其输入电流典型值为7mA左右，可与TTL电路兼容。输入可与CMOS电路兼容的固态继电器，其输入电流一般不超过250μA，但需加偏置电压。
• 固态继电器的输出电压通常是指加至继电器输出端的稳态电压。而瞬态电压则是指继电器输出端可以承受的最大电压。在使用中，一定要保证加至继电器输出端的最大电压峰值低于继电器的瞬态电压值。在切换交流感性负载、单相电机和三相电机负载，或这些负载电路上电时，继电器输出端可能出现两倍于电源电压峰值的电压。对于此类负载，选型时应给固态继电器的输出电压留出一定余量。
• 对于感性负载和容性负载，当交流固态继电器在关断时，有较大的dv/dt (电压指数上升率)加至继电器输出端，为此应选用dv/dt较高的固态继电器。
• 固态继电器的输出电流通常是指流经继电器输出端的稳态电流。但是由于感性负载、容性负载引起的浪涌电流问题以及电源自身的浪涌电流问题，在选型时应当给固态继电器的输出电流留出一定余量。

固态继电器的厂商

• 德力西：中国的一家知名品牌，提供低压配电以及工业自动化领域的全面解决方案。
• 欧姆龙（OMRON）：日本的一家全球知名的自动化控制及电子设备制造商，其固态继电器产品在市场上具有较高的知名度。
• 菲尼克斯（Phoenix Contact）：德国的一家知名电气连接、电子接口和工业自动化技术的制造商，其固态继电器产品广泛应用于各种工业自动化领域。
• 昌得：这也是中国的一家知名品牌，专注于固态继电器的研发和生产。
• Celduc（法国赛德）：这是一家法国公司，专注于电气工程和电子产品的制造，是固态继电器领域的专家之一。

此外，还有松下（Panasonic）、泰科（TE）、施耐德（Schneider）、西门子（SIEMENS）等国际知名品牌也生产固态继电器产品。在国内，除了上述提到的品牌外，还有一些军品厂家如桂林航天电子有限公司、北京科通、贵州航天电器、振华群英无线电器材厂等也生产固态继电器。而宏发、正泰、三友等则是国内知名的民用固态继电器生产厂家。

供应商A：德力西集团有限公司

1、产品能力

（1）主推型号1：CDG1

对应的产品详情介绍

德力西CDG1单相固态继电器产品采用半导体元件组装固化而成的一种新颖的无触点开关。产品具有开关速度快、工作频率高、噪声低和动作稳定，无火花等一系列优点。不仅替代了机电式继电器而且应用于数字程控装置、电机控制装置、调温装置、数据处理系统及计算机终端接口电路，适用于动作频繁防爆耐潮和耐蚀的特殊场合。由外壳、电子线路板、阻燃工程塑料外壳、金属散热底板、可控硅组成。采用专用光电耦合器隔离，具有工作稳定、开关速度快、工作频率高、噪声低、功耗低、外形美观、安装使用方便等优点。

参数详情：

• 硬件参考设计

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