固态继电器的等效电路

电器工程 晶体管 中继 场效应管 固态继电器
2022-01-12 17:10:46

我想切换 50V 交流电压。最大消耗电流为 5A。频率为 50Hz。切换速度并不重要,可能真的很慢,这在我的应用程序中不是问题。

为此,我首先想使用固态继电器。但是当我开始搜索SSR时,我发现他们的价格太高了。对于更便宜的替代解决方案,我想使用 MOSFET 晶体管(也可以是不同的晶体管类型)而不是固态继电器。

你能推荐我上面给出的规格的固态继电器的 MOSFET 等效电路吗?

4个回答

制作 SSR 的三种方法如下:

第一个两个使用 FET,可以根据需要在整个交流周期内关闭和打开。开关速度需要了解。浮栅版本有一个控制关断的 RC 时间常数,除非特别注意避免它。

TRIAC 电路在触发时打开,在下一个过零时关闭。一旦过零就可以触发它,但是在下一个过零之前不能关闭它。因此,您可以获得从触发点延伸到该半周期结束的整个半周期或部分半周期。感性负载会使这稍微复杂化,但不在基本讨论范围内。

(1) 在 4 二极管桥内放置一个 MOSFET 作为“负载”。交流电桥接交流输入“短路”=当 FET 开启时,交流电导通 栅极浮动,因此您需要为栅极提供电压。不难,但需要思考。粗略的图表-也许以后会更好。此处显示的晶体管是双极的,但 MOSFET 做同样的工作。MOSFET 总是看到 DC。负载见交流开关。用光电驱动门。通过例如电阻器从漏极馈电到储液器帽以通过光电驱动栅极来获得功率。

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(2) 两个串联的例如 N 沟道 MOSFET - 将源极连接到源极,将栅极连接到栅极。输入是 2 x 漏极。将门 +ve 驱动到源以打开。Gates to source 关闭。再一次,门和源是浮动的,所以你需要驱动它们但并不难——只需要思考。

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下面的电路图显示了该原理的实际实现示例。
请注意,FET 都是 N 沟道,并且两个 FET 的源极连接,两个 FET 的栅极连接。该电路之所以有效,是因为 MOSFETS 是两个象限器件 - 也就是说,无论漏源电压是 +ve 还是 -ve,N 沟道 FET 都可以由与源极相关的正栅极导通。这意味着如果以正常方式驱动,FET 可以“反向”传导。两个 FET 需要以“反串联”(相对极性相反)连接,因为每个 FET 内部的“体二极管”在 FET 偏置与通常相反时导通。如果只使用一个 FET,它会在 FET 关闭时导通,此时漏极相对于源极为负。

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请注意,浮动栅极的开/关信号的“隔离”和电平转换是通过 2 x 100 pF 电容器实现的。将右侧的电路视为潜在的电源电位。右手边的 74C14 形成一个大约 100 kHz 的振荡器,它们之间的两个逆变器通过 2 个电容器向 4 个二极管提供相反极性的驱动,从而形成一个桥式整流器。整流器为浮动 FET 栅极提供直流驱动。栅极电容可能约为几 nF,当驱动信号被移除时,它由 R1 放电。我猜测驱动器移除将在十分之一毫秒内发生,但您自己进行计算。

电路来自这里和注释

  • 该电路使用廉价的 C-MOS 逆变器封装和一些小电容器来驱动两个功率 MOS 晶体管从 12v 到 15v 电源。由于用于驱动 FET 的耦合电容值很小,因此从电源线到控制电路的泄漏电流仅为 4uA。仅需要大约 1.5mA 的直流电流即可打开和关闭负载的 400 瓦交流或直流电源

(3) TRIAC 电路

您特别提到了 MOSFET。
TRIAC 也常用于 AC SSR。
下面是一个典型的 TRIAC 电路。
不能使用 L1。
C1 和 R6 形成一个“缓冲器”,其值取决于负载特性。

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固态继电器以最简单的形式光耦合背靠背 SCR。您可以自己复制它,但它会变得有点混乱。由于固态继电器是光隔离的,因此输出侧可以相对于输入侧浮动,就像真正的继电器一样。

如果你真的需要隔离,那么你自己做这件事会变得很复杂。你说开关速度低,那为什么不是普通的机械继电器呢?

如果您不需要隔离,那么有多种可能性。一种是使用双向可控硅并直接从您的电路中控制它。有关详细信息,我们需要了解更多有关此 50V 交流电如何参考(或​​不参考)您可用的任何电源的信息。

你说得对,SSR很贵最简单的替代方法是使用光双向可控硅 + 功率双向可控硅 自行推出:

SSR原理图

这比同等 SSR 的成本低 80%。

MOC3041 在电压过零处切换,因此这可能是一个优势。如果您不需要,MOC3051 是一个随机开关光双向可控硅。使用三端双向可控硅开关的一个缺点可能是有几伏的电压降,而当切换电压仅为 50V 时,损失比例如 230V 的损失更大。
将 MOSFET 作为开关元件听起来可能是一个更好的主意,但如果您像在罗素的解决方案中那样在电桥中使用它,那么无论如何您都会有大致相同的电压降,但这次是通过二极管。

关于电压降的最佳解决方案是老式机电继电器根据负载类型,您必须降低继电器的额定功率,因此要切换 5A,您可能需要 16A 版本。16A 继电器的价格与 DIY SSR 相当。

如果被接受,我可能会建议对@Russell McMahon 提供的版本进行一些修订,该版本使用 74C14 IC 来驱动开关功能。我喜欢这种设计,因为它以一种不同寻常的方式使用了桥式整流器,而且在我对其进行测试之前它看起来还不错。我在栅极和源极之间使用了 IRF640 和 220 kΩ。使它适合我的事情是将 100 pF 电容器更改为 47 nF 电容器。

那时,我可以将低至 1 kHz 的频率放入电容器并让 FET 触发(尽管 2+ kHz 效果更好,最高可达约 22 MHz)。

因此,如果您按照我的描述修改此电路,您仍然需要将 FET 放在散热器上,绝对。

需要说明的是,我没有使用 74C14 进行测试,而是使用我的信号发生器作为输入,以便对这种功率控制器组件模型的功能进行台架测试。

我想提供一个重绘版本,但我似乎没有合适的程序来这样做。也就是说,这里是我引用的那个的副本,带有指向 original 的链接

电荷耦合双向功率 MOSFET 继电器

编辑:我刚刚更新了这个修改后的版本,因为它在我的工作台上工作。

(图片来源:Digital Systems - 电荷耦合双向功率 MOSFET 继电器

上面的修改(第一个)

我想我会参与这篇文章,因为我多年来浏览了其中的许多内容,并从中获得了很多理解和价值。对于发布的问题以及那些想要像我经常做的那样“正常工作”的人来说,这可能是答案的另一部分(现已测试)。享受。

最终编辑(我认为):以下是我使用标准 9 伏电池测试的版本,但您使用了一些符合 MOSFET GS 电压规格的 DC 或 AC 电源,并且足够高以在桥接后打开它们另外,这一点非常重要,不要使用从线路(120 伏线路)接地且连接输出负极的电源或电源。你会打破一些东西!

非隔离直流激活 MOSFET SSR

2022 年 1 月 1 日编辑:刚刚完成并测试了最好的版本,我喜欢它!我希望这是这个线程的最佳答案,或者如果他们无法使用大功率 TRIAC,至少有人可能有一个很好的解决方案,虽然他们让它变得非常简单,但我认为这是一种非常简单的构建方式功率 MOSFET 代替。如果您愿意,请提出问题。这个版本是孤立的,就像一个魅力。应该很快关闭和关闭

基于隔离 MOSFET 的 SSR