在工厂自动化中使用固态继电器，实现高可靠性、快速开关和低 EMI

为了避免成本昂贵的停机时间，先进的诊断技术和预见性维护越来越多地应用于许多行业的工厂自动化过程中，如食品饮料生产、自动化装配和其他连续加工系统，以及暖通空调、水净化和发电设备等。可靠的开关继电器是这些自动化工业过程中至关重要的设备。这类继电器必须能够快速切换，在极具挑战性的条件下持续运行，同时最大限度地减小触头磨损，且不会产生影响无线传感器和控制装置的电磁干扰 (EMI)。

固态继电器 (SSR) 采用创新技术，提高了可靠性和耐用性，可确保即使在恶劣环境中也能保持稳定的性能，从而满足工厂自动化的开关要求。

本文简要讨论工厂自动化的开关要求。然后，以 Littelfuse SSR 产品为例展开介绍，并说明如何使用该设备来满足这些要求。

定义并满足工厂自动化的开关要求

工厂自动化对开关的要求包括：以低成本实现可靠性、无触点颤动或电弧的快速动作时间、将影响附近电路或工厂中越来越多无线传感器和网络的电磁干扰将至最小，以及能够很好的抵御机械冲击和振动。

SSR 采用半导体器件执行开关操作，以满足这些要求。这种继电器可采用交流或直流电压驱动，每种激励类型都有不同的型号（图 1）。

图 1：这些固态继电器的功能框图显示了直流（上）和交流（下）致动式型号的关键组件。（图片来源：Littelfuse, Inc.）

直流驱动固态继电器（上）可调节外加电压。交流致动固态继电器（下）采用全桥整流器将激励信号转换为直流电。这两种固态继电器都通过光学方式将致动信号与输出隔离。这些 SSR 的有源元件是一对硅控整流器 (SCR)。这些 SSR 包括过压保护功能，其形式是在可控硅栅极之间连接一个瞬态电压抑制 (TVS) 二极管，以保护 SSR 并防止在网络出现瞬态电时发生意外状态变化。

开关响应则利用半导体器件的快速开关时间，并通过触发电路控制。开关动作可以在施加执行信号后输出电压的过零点处进行，也可以与致动信号一起随机（瞬时）进行（图 2）。

图 2：根据 SSR 的预期应用选择开关特性。（图片来源：Littelfuse, Inc.）

零交叉导通适用于如工业加热器等大电流应用，可最大限度地减小浪涌电流。瞬时接通用于必须在高频下实现开关动作的情况。瞬时开关可产生尽可能高的开关频率。

SSR 示例

为了满足工业和商业机械应用对更可靠、更持久的功率开关继电器的需求，Littelfuse Inc. 设计出了 SRP1 系列高耐久型固态继电器。该系列继电器分为两个型号：SRP1-CB 高耐久型裸 SSR 和 SRP1-CR 高耐用型一体式 SSR（带触碰安全和过压保护功能）（图 3，左和中）。

图 3：所示为 SRP1-CB 裸 SSR（左）、SRP1-CR 触摸安全 SSR（中）和 SRP1-CB...F 的备选快速连接端子（右）。（图片来源：Littelfuse, Inc.）

Littelfuse 设计的专有半导体器件可最大限度地防止元器件因发热而导致的性能下降，并在恶劣条件下能达到最佳性能。两个型号系列均提供交流或直流致动装置，输出电流额定值为 10 A、25 A 和 50 A，输出电压范围为 24 V_AC 至 240 V_AC 或 48 V_AC 至 600 V_AC。这两种型号的不同之处在于，SRP1-CR 集成了保护和安装功能，包括 IP20 手指安全盖、TVS 二极管过压保护和预装导热垫。SRP1-CB...F 版本（图 3，右）还具有快速连接端子。

继电器是与输出负载串联的单刀单掷 (SPST) 装置（图 4）。

图 4：SRP1 SSR 与输出负载串联；由交流或直流致动信号驱动输入（具体取决于型号）。（图片来源：Littelfuse, Inc.）

SSR 需要散热器才能在规定的额定值下工作。Littelfuse 的这两种型号都采用了最新的直接粘合技术，以确保最高的可靠性和产品寿命。SRP1-CR 继电器包括一个可有效散热的内置导热垫，无需导热膏，安装简便。热衰减曲线图（图 5）显示了环境温度不同和热阻不同的散热器可支持的最大输出电流。

图 5：所示为 SRP1-CR 系列固态继电器在不同环境温度和散热器条件下的降额曲线。（图片来源：Littelfuse, Inc.）

热阻单位为 ˚C 每瓦特 (°C/W)。额定功率为 10°C/W 的散热器每散热 1 W，温度就会比周围空气高 10°C。热阻较低的散热器比热阻较高的散热器效率更高，因此冷却效果更好。

SRP1 SSR 经认证符合各种健康、安全、环境、电磁兼容性和抗静电标准，包括 UL、CAN/CSA、IEC、CISPR、RoHS 和 REACH。这种继电器非常适合工业自动化中的加热和运动控制应用。在食品和饮料行业，这种继电器也能很好地控制工业烘炉、包装设备和输送系统。供暖、通风和空调系统以及大型照明系统的空气处理器和压缩机都在使用这种继电器。所有这些应用都需要卓越的性能和超高的可靠性，而 SRP1 系列提供了各种选择，可满足各种不同的电流、电压、响应时间和开关要求。

例如，SRP1-CBAZL-050NW-N 是额定电流为 50 A、输出电压为 24 V_AC 至 240 V_AC 的固态继电器。该继电器接受 90 V_AC 至 280 V_AC 输入电压，并在输出电压过零时动作。该器件的最大导通电阻为 6.3 mΩ，在最大电流下，继电器两端的电压降仅为 0.3 V。额定最大压降为 1.3 V。继电器在不到 20 ms 的时间内（包括过零等待时间）导通，并在不到 30 ms 的时间内断开。

SRP1-CBDZL-010NF-N 是一种直流致动型 SSR。该继电器的额定输出电流为 10 A，输出电压范围为 24 V_AC 至 240 V_AC。输入电压范围为 4 V_DC 至 32 V_DC。该继电器同样在输出电压过零点时动作，其最大导通电阻为 6.3 mΩ。该继电器与标准 SRP1-CB 继电器的不同之处在于，它采用了快速连接端子。其导通时间等于输出波形周期的二分之一。

SRP1-CRARH-025TC-N 是 SRP1 系列的触摸安全型号，额定输出电流为 25 A。该型号是交流驱动型，输入电压为 90 V_AC 至 280 V_AC。与其他型号不同的是，该型号具有瞬时开关响应能力，并使用 48 V_AC 至 600 V_AC 的高输出电压范围。该继电器的导通时间小于 20 ms，断开时间小于 30 ms。

通过具有直流输入和瞬时开关响应能力的继电器可实现最快的响应时间。例如 SRP1-CRDRL-010TC-N 继电器。该 SSR 的额定输出电流为 10 A，输出电压范围为 24 V_AC 至 240 V_AC。输入电压范围为 4 V_DC 至 32 V_DC。其导通时间为 20 µs，断开时间不到输出波形周期的二分之一，成为周期时间最快的继电器之一。

结束语

为了满足工厂自动化对开关性能、可靠性和国际标准的要求，设计人员可以信赖 SRP1 系列 SSR。该系列继电器采用先进的半导体技术，在各种输出电流和输入控制选项中实现了长寿命、高开关速度和最小电磁干扰。