【Maker電子學】淺談固態繼電器的原理與應用

作者:Bird

在上回兩篇文章【Maker電子學】淺談繼電器的原理與應用【Maker電子學】淺談繼電器規格與驅動,我們聊了傳統的電磁繼電器並簡單說明它的驅動方法,這次我們要來介紹另外一種功能相近但原理完全不同的繼電器元件:固態繼電器(solid-state relay,SSR)。

Solid State Relay(Source

固態與非固態

在電子元件領域中,如果一個零件裡沒有會動或可以動的的東西,我們就稱這個零件是「固態」的,或是「solid-state」,而所有的半導體零件都是固態的,因爲它們裡面沒有可以動的東西。

其實在半導體發明之前的主動元件像是真空管、磁控管等零件,操作時雖然沒有東西會動,但由於裡面的燈絲或閘極等部位是用機械強度不高的方法固定在基座上,在震動或是受到猛烈撞擊時仍有移位的可能,因此這些零件多半不被歸類在固態元件中。

另一個大家耳熟能詳的例子是硬碟。傳統的機械式硬碟裡面有會旋轉的碟片以及懸浮在碟片上會移動的磁頭,因此這個零件就不是固態的,而用快閃記憶體構成的硬碟(其實它裡面已經沒有「碟」了),由於沒有任何會動的東西,就被稱之爲「固態硬碟」(solid-state disk, SSD)。

Solid State Disk(Source

電磁繼電器裡有受電磁鐵吸引會改變位置的金屬接點,因此它不是固態的。事實上在很極端的狀況下,如果電磁繼電器受到非常大的加速度,它裡面的金屬節點確實可能在電磁鐵未動作的狀況下改變位置而接合,不過這種導致繼電器誤動作的加速度大概是在轉彎中的戰鬥機或發射中的火箭上才能達到,因此一般不會將這個情況列入設計的考量。

有如固態硬碟,固態繼電器便是利用固態的半導體元件達成原來機械元件功能而設計出來的繼電器。

光的威力

電磁繼電器使用磁場來控制端的開關動作,固態繼電器則是使用光來控制輸出端。固態繼電器的輸入端通常有一些 LED,而這些 LED 發出來的光會拿來控制輸出端的半導體元件,像是光電晶體、光電二極體或是光控閘流管。下圖是兩種常見的 SSR 電路符號:

(圖片來源:Bird 提供)

從電路圖符號上可以看出 SSR 裡的結構。左邊的 SSR,裡面用的是光電晶體來控制負載,而右邊的則是用 TRIAC 來控制負載(TRIAC 的全名是「Triode fro AC」,意思是交流電用的三極管)。

既然它特別說是給交流電用的,那就會有一種是專門給直流電用的吧?沒錯,給直流電用的三極管叫做「SCR」—silicon-controlled rectifier,中文稱為矽控整流管,雖然它的名字聽起來像整流用的二極體,但其實它跟電晶體一樣是個可以控制導通、不導通的零件。

SCR 有一個很有趣的特性,就是它用閘極觸發打開後,即使閘極的訊號消失,只要零件上一直有電流在流動,它就會一直維持導通。這個特性叫做「自鎖」,但如果 SCR 的負載是交流電,因爲交流電在跨越正半週、負半週時有個過零點(zero crossing),此時的電流爲 0,如果 SCR 的閘極上沒有持續的訊號,它就會在這個瞬間斷開,因此 SCR 比較常拿來控制交流負載,因爲在交流負載上它的行爲比較像電晶體,只要閘極訊號消失,它最多導通到下一個過零點,接著就會斷開,如果它拿來控制直流負載,它導通後就會一直導通,直到負載的電流消失爲止。

SCR 由於先天結構上的限制,即使它開啟後只有一個方向可以導電,另一個方向永遠是斷路的,因此如果要將 SCR 用來控制交流電,就要用兩顆 SCR 連接不同的方向,否則就會有一半週期的負載被整流整掉。

這種兩顆 SCR 連接不同方向的零件,就是 TRIAC。

TRIAC(Source

好啦,問題來了。SSR 的輸入通常是 LED,而 LED 是有方向性的二極體,因此 SCR 的輸入端通常是有極性的,而 SSR 的輸出有用光電晶體做的,也有用 TRIAC 做的,甚至比較新的產品還有用 MOSFET 做的。如果它的輸出是電晶體或 MOSFFET,那麼它的輸出就是有方向性的,不能隨便亂接;如果它的輸出是 TRIAC,那麼它的輸出就沒有方向性,但是 TRIAC 輸出的 SCR 只能用在交流負載上,不能用在直流負載上,否則會有斷不開的問題。

因此 SCR 的使用上比電磁繼電器麻煩許多,因爲電磁接點就是個會導電的線路,但 SSR 的輸出其實是半導體零件,我們必須配合這個半導體零件的特性來使用它。

規格解惑

我們來看個實際的例子好了。這是一個 Crydon 的 SSR 規格書首頁:

(圖片來源:Bird 提供)

Crydom 是一間歷史悠久的美國半導體公司,1960 年成立於加州 Anaheim,數十年來雖然經過多次併購,但 Crydon 這個牌子始終還在,就是因爲它們是 SSR 的專家,雖然現在 SSR 已經不算是什麼很難的高科技,供應商的來源也非常多,但提到 SSR 還是會想到 Crydom。

這是 Crydom 的 CX 系列插板式 SSR,就是可以直接插在電路板上過錫爐焊接的種類。和電磁繼電器一樣,SSR 通常也會將一整個系列寫在同一份規格書上,包含不同的輸入與輸出規格;CX 這個系列的輸入控制電壓從最小的 3-15 V DC 到 90-140 V 都有,而輸出雖然都是最大 5 A,但也有 240 V、380 V、480 V 三種不同的耐壓。

我們先看輸入的部分:

(圖片來源:Bird 提供)

以表上最左邊的這顆 CX240x 爲例,它標準的輸入控制電壓是 5 V DC,容許的範圍是 3-15 V DC,最小開啟電壓是 3 V,輸入電流是 15 mA。

在它的規格書裡有畫出它內部的結構:

(圖片來源:Bird 提供)

從這個圖中可以很清楚地看出,它裡面是用一個 LED 去驅動一個光電晶體,光電晶體再透過一個觸發電路去驅動兩個不同方向連接的 SCR 來控制負載,而如同我們前面說過的,SCR 只能用來控制交流負載,否則就會有開了關不起來的問題,因此這個系列的 SSR 都只能用來控制交流負載。

因爲輸入是用來控制一個 LED,因此它的輸入是有極性的,pin 3 的電壓要比 pin 4 要高,否則 SSR 是不會動作的;至於上表最右邊兩個 CX240A5 和 CXE240A5,因爲控制輸入是交流的,它裡面還特別有一個電路將輸入的訊號整流爲直流去驅動 LED:

(圖片來源:Bird 提供)

這種 AC 輸入類型的 SSR,它的輸入就沒有極性,接下來讓我們來看它的輸出特性:

(圖片來源:Bird 提供)

這一系列的輸出有三種不同的耐壓,分別是可以耐 12 – 280 V、48 – 530 V 以及 48 – 660 V,這些都是 AC 的 RMS 電壓,而且它有限制頻率,必須在 47 – 63 Hz 之間;至於受控的電流最大是 5 A,最小是 0.06 A, 也就是 60 mA,爲什麼它會有最小負載電壓與最小工作電流的要求呢?

因爲 SSR 的負載側除了要驅動光電晶體外,還有一個觸發電路是用來將光電晶體的訊號放電,用以驅動 SCR 的閘極,而這些驅動電路都是從負載偷電來運作,因此如果負載的電壓太低,或是流過 SSR 的電流太小,無法讓觸發電路工作,即使輸入有訊號,SSR 的輸出還是不會導通。

這些用來控制交流負載的 SSR 會在觸發電路裡做 zero crossing 的偵測,它們會等到負載的電壓過零點的時候才切換 SCR 讓它導通,而 SCR 本身就會在負載電壓過零時關閉,因此不論開或關都是在電壓爲 0 時發生,如此便可以避免在負載上產生不連續的電壓波形,影響交流電力系統的功率因數。

但一般來說 zero-crossing switching 只適用於電阻性的負載,如果負載是如馬達之類的電感性負載,由於電壓與電流不同相位,做 zero-crossing switching 其實就沒有太大的意義,因此同系列的 SSR 也提供了所謂的「random-fire output」系列,也就是說開就開、說關就關,不用等到負載的交流訊號過零點才切換。

SSR 的驅動

接下來讓我們來設計 SSR 的驅動電路。聖誕節快到了,我們就來控制一串聖誕燈!假設我們要用 Arduino 上的一支 GPIO 接腳來控制 CX240D5,再去控制一個交流負載。Arduino 的 GPIO 輸出是 5 V,根據前面的規格表,CX240D5 的輸入端阻抗是 300 Ω,我們可以來算一下直接加 5 V 上去會流過多少電流:

5 V / 300 Ω = 0.016 A = 16 mA

這個電流略大於它的標準控制電流 15 mA 一點點,但沒有關係。CX240D5 裡面已經有限流電阻,因此就算輸入電壓高到它的上限 15 V,流過的電流也只會增加到:

20 V / 300 Ω = 0.066 A = 66 mA

當然我們還是建議在驅動電壓比較高的情況下另外加限流電阻。上次在介紹電磁繼電器的驅動時,用了一顆反向二極體來保護驅動電晶體免於被線圈關閉時產生的反電動勢破壞,但 SSR 的輸入是個 LED,LED 是個非常無害的負載,因此不需要任何的保護電路。

至於驅動電流,根據規格書,Arduino UNO 的核心 ATmega328P 在 5 V 供電時,GPIO 如果輸出 16 mA,VOH 大概在 4.5 V 左右:

(圖片來源:Bird 提供)

因此 Arduino 可以直接驅動 CX250D5 沒有問題。至於輸出,根據上面 CX 系列 SSR 的結構圖,它的負載接在 A 側或 B 側都可以,因此最後的驅動電路變成這樣:

(圖片來源:Bird 提供)

小結

我們這次聊了 SSR 固態繼電器的原理及它的工作方法,並用 Crydom 的 CX 系列繼電器做例子來說明 SSR 的規格與驅動的方法。一般來說,SSR 輸入所需的電流比電磁線圈要小,驅動起來比電磁繼電器要簡單,但由於它輸出的半導體元件特性,輸出分成交流和直流兩種,不可互用,這是使用上要特別留意的事。

(責任編輯:賴佩萱)

Bird

在外商圈電子業中闖蕩多年,經歷過 NXP、Sony、Crossmatch 等企業,從事無線通訊、影像系統、手機、液晶面板、半導體、生物辨識等不同領域產品開發。熱愛學習新事物,協助新創團隊解決技術問題。台大農機系、台科大電子所畢業,熱愛賞鳥、演奏管風琴、大提琴、法國號,亦是不折不扣的熱血 maker。
Bird

Author: Bird

在外商圈電子業中闖蕩多年,經歷過 NXP、Sony、Crossmatch 等企業,從事無線通訊、影像系統、手機、液晶面板、半導體、生物辨識等不同領域產品開發。熱愛學習新事物,協助新創團隊解決技術問題。台大農機系、台科大電子所畢業,熱愛賞鳥、演奏管風琴、大提琴、法國號,亦是不折不扣的熱血 maker。

Share This Post On

Submit a Comment

發佈留言必須填寫的電子郵件地址不會公開。 必填欄位標示為 *