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具有機械電子雙重優點的繼電器 [2017/3/31]

混合式繼電器是靜态繼電器(又稱固體繼電器、電子繼電器或半導體繼電器)與機電繼電器并聯在一起組成的電源開關,兼備機電繼電器的低電壓降和固體繼電器的高可靠性。家電電機啟動器或家用電暖氣的控制開關是繼電器的
 前言
混合式繼電器是靜态繼電器(又稱固體繼電器、電子繼電器或半導體繼電器)與機電繼電器并聯在一起組成的電源開關,兼備機電繼電器的低電壓降和固體繼電器的高可靠性。家電電機啟動器或家用電暖氣的控制開關是繼電器的常用應用領域。鑒于符合RoHS法規可能會降低機電繼電器電源開關的可靠性,混合式繼電器的市場關注度越來越高。
但是,正确控制混合式繼電器遠不像乍看起來那麼容易,例如,機電繼電器和固體繼電器之間的切換操作可能産生尖峰電壓,輻射電磁噪聲。本文提供幾個容易實現的降低混合式繼電器的尖峰電壓的控制電路設計小貼士。
1.集固體技術和機電技術之大成
在選擇交流開關時,設計人員非常熟知機電開關和固體開關的優點和缺點。半導體開關即固體開關的響應速度快,通電時無電壓反彈,斷電時無火花,不會輻射電磁幹擾(EMI),也不會縮短繼電器的産品壽命。機電式開關的主要優點是導通損耗小,能夠為2 A RMS以上的應用系統省去一個散熱器,驅動線圈與電源接線端子之間的電隔離還節省了驅動可控制矽(SCR)整流管或三端雙向晶閘管的光耦合器。
第三個電源開關解決方案是将固體繼電器和機電繼電器并聯,集兩種繼電器技術之大成,設計一個混合式繼電器(HR)。圖1所示是電機啟動器所使用的混合繼電器拓撲。圖中的三相電機啟動器隻使用兩個混合式繼電器。如果兩個繼電器都被關斷,隻要負載沒有連接零線,電機就會保持斷态。
如果負載連接零線,也可以在L1線上串聯一個混合式繼電器開關。

基于混合式繼電器的電機啟動器; 右圖) 繼電器/雙向晶閘管控制順序
還給出了混合式繼電器的控制順序:
-導通順序:
- 首先,三端雙向晶閘管導通(如果電流更大,應改用兩個反極性并聯的可控矽整流管),這準許負載零壓導通;
- 然後,繼電器在一個或幾個交流電周期後導通。繼電器的導通電壓極低(通常是在1-2V之間,是雙向晶閘管的電壓降);
- 最後,應在繼電器線圈上電至少1至2個周期後撤消雙向晶閘管栅電流,為繼電器在雙向晶閘管關斷前開始運行提供充足的時間。因此,在穩态過程中負載電流隻流經機電繼電器。
-關斷順序:
- 首先,三端雙向晶閘管導通。當繼電器處于通态時,負載電流主要是通過機電繼電器送到電機。.
- 然後,繼電器在幾毫秒後關斷。繼電器的關斷電壓極低,類似于繼電器導通操作。因此,火花期被縮短。
- 最後,應在繼電器線圈掉電至少1至2個周期後撤消雙向晶閘管栅電流,雙向晶閘管關斷,混合式繼電器在零電流時關斷。
在近乎零壓時關斷機電式繼電器的設計方法可将繼電器壽命延長10倍,如果開關操作是直流電流或電壓,繼電器的壽命延長不隻是10倍,可能更高。 
最重要的是,因為RoHS行業法規(2002/95/EC)将于2016年7月起禁用镉物質,觸點防鏽和觸點焊接工藝使用的銀氧化镉可能會被Ag-ZnO或Ag-SnO2替代,在這種情況下,除非使用更大的觸點,否則觸點壽命将會縮短。
零壓導通還準許使用容性負載降低湧流,例如,電子鎮流器和内置補償電容或逆變器的熒光燈管。零壓導通還有助于延長電容的生命周期,避免交流電壓波動。
此外,固體繼電器準許電機實現漸進式軟件啟動或啟停。平順的加速或減速将會降低機械系統磨損,避免電泵、風機、電動工具、空氣壓縮機等設備損傷。例如,運輸管道中的水錘現象将會消失,貨物傳送帶可避免V型皮帶打滑和抖動。
混合式繼電器在4-15 kW的電機應用中十分常見,不過也可用于最高250 kW的電機應用系統。
混合式繼電器還用于電暖氣等取暖産品,加熱功率或室溫/水溫的設定通常由脈沖串控制器來完成。脈沖串或周期跳躍式控制原理的實質是使負載保持N個周期的通态和K個周期的斷态,“N/K”比負責定義加熱功率,類似于脈沖調制控制技術中的占空比。這裡的控制頻率小于25-30 Hz,但是,相對于取暖系統的時間常量,這個速度已經夠用。
2. EMI噪聲源
三端雙向晶閘管的驅動方法雖然有多種,但是,行業法規要求在取暖應用中必須使用電隔離控制電路。兩個雙向晶閘管沒有共用同一個參考電壓,這就是設計師期待使用光耦或脈沖變壓器設計控制電路的原因。兩個電路的工作方式不同,所産生的電磁幹擾噪聲也不盡相同。
光耦雙向晶閘管驅動電路。當光耦雙向晶閘管激活時(即當微控制器的I/O引腳置高電平時),通過電阻R1施加雙向晶閘管栅電流。電阻R2連接在雙向晶閘管栅極G和接線端子A1之間,用于阻止每當施加瞬變電壓時光耦雙向晶閘管電容器産生的電流。每當電流過零時,該控制電路都會産生一個尖峰電壓,即使在光耦雙向晶閘管内置電壓過零電路,仍就會産生尖峰電壓。
事實上,在一個光耦雙向晶閘管驅動電路内,要想施加栅極電流,雙向晶閘管A1和液位計液位變送器料位開關電容式液位計物位計電容式液位變送器物位開關的接線端子A2之間必須存在電壓。雙向晶閘管導通壓降接近1V或1.5V,然而低于光耦雙向晶閘管和G-A1結的電壓降之和(兩個電路的電壓降都高于1V),所以還不足以驅動電流經過栅極。每當負載電流為零時,因為沒有電流施加到栅級,所以雙向晶閘管關斷。