中等功率固态光电继电器的应用。参考数据

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本文介绍了“Proton-Impulse”股份公司生产的中功率光电继电器的一些特点。其中给出的信息对于所有使用或开发各种晶闸管和晶体管电源电路开关的读者来说都是有用的。

该表给出了指定系统和生产的继电器范围的概念。

中等功率光电固态继电器应用

有关它们的更多详细信息可以在制造商的网站上找到。。所有光电继电器可分为两大类：在三端双向可控硅开关元件和三极管上使用功率元件的交流电，在电源电路中使用 IGBT 或 MOSFET 的单极和双极直流电。它们的根本区别在于交流继电器的特点是部分可控性——电源电路总是仅在零电流时断开。这为感性负载带来了一定的优势，消除了关闭时出现的过压脉冲。在直流电路中使用此类继电器是非常困难的。但双极直流继电器能够切换交流电。

为特定应用选择继电器的标准之一是其功率元件的功耗。当工作在电压为220…380V、电流超过几安培的交流电路中时，晶闸管在该指标上比IGBT好3…5倍。 IGBT 和 MOSFET 消耗的功率之比大约等于电流的数值（以安培为单位）。

交流继电器

晶闸管继电器有单相常闭和常开继电器，电流为1...100A；三相常开，电流 10 ... 100 A；一相、两相和三相可逆，电流 10...40 A，内置相间短路和瞬时反向保护；双通道，电流为 1 A 或以上，具有独立控制，输出端有或没有公共点。

根据输出击穿电压的继电器等级可以从第四级（至少400V）到第十二级（至少1200V），以及输入和输出载流电路之间的绝缘电压的允许峰值散热器为1500V或4000V。

具有TM索引的继电器提供对开关电压的零相的控制（仅当该电压的瞬时值接近零时它们才导通，这减少了产生的干扰）。具有 TC 索引的继电器不具有此属性。

继电器控制电路是电流（图 1，a，额定电流 - 10 ... 25 mA）或电位（图 1，b - 恒定电压 4 ... 7 或 3 ... 30 V，图 1， c - 可变 6..30 或 110...280 V）。通过电流控制，仅生产单相和两通道继电器，具有所有类型的潜力。在各种修改中，电阻器R1（参见图1,6和c）的位置可以由电流稳定器占据，并且“猝灭”电容器C1（参见图1和c）可以不存在。如果继电器（例如多相）具有多个发光二极管，则它们可以串联或并联连接。

中等功率光电固态继电器应用

晶闸管结构对于超过允许电压非常敏感，这会导致不可逆击穿。保护继电器输出的主要技术是用变阻器对其进行分流。压敏电阻CH2-1、CH2-2推荐非线性系数大于30，耗散能量10...114J。选择时应从压敏电阻的分级电压（流过其电流达到1mA时）出发，必须超过开关的幅值，并低于晶闸管的击穿电压。有必要考虑这些参数可能的不稳定性和技术变化。在其他条件不变的情况下，切换更高的电流需要更高电压等级的继电器。这是由于电压对流出压敏电阻的依赖性。

晶闸管结构的另一个特点是对施加到闭合设备的电压上升率 (dU/dt) 敏感。超过临界速度会导致其未经授权打开。当电压在接近正弦波最大值的时刻施加到负载电路时，dU/dt 的值可能很大。它们可能是由开关电路中的脉冲噪声或负载电路因电感性质而损坏时的电压浪涌引起的。

为了减少 dU/dt 并防止出现不良后果，晶闸管继电器的输出与阻尼 RC 电路并联，其元件值是通过实验选择的。通常它们的范围为 20 ... 50 欧姆和 0,01 ... 0,1 μF。

增加继电器抗电压浪涌能力的另一种方法是与负载串联的延迟电抗器。它是缠绕在具有高导磁率和矩形磁滞回线的磁芯上的电感器。在工作电流下，磁路饱和，电抗器的电感很小，不影响正在进行的过程。随着电流减小而增大的电感会减慢其变化并延迟电压反转，从而有助于关闭晶闸管。

通过降低晶闸管开通初始阶段的电流上升速率，电抗器有助于使电流在半导体晶体的横截面上分布更加均匀，从而防止局部过热。当具有 TC 指数的继电器工作于容性或有源负载或相脉冲功率控制模式时，这一点尤其重要。此外，电抗器通过增加负载电路的阻抗，提高了压敏电阻保护的效率。

对于工作在感性负载上的晶闸管，由于正负半周开通时刻的不对称，存在过流的危险，导致流过的电流出现恒定分量，负载饱和。磁路，从而导致过电流。

如果感性负载（空载变压器、接触器的控制绕组）的剩余电流和磁化瞬间产生的电流的方向打开，电流过载也可能与感性负载的磁路饱和有关。

由此引起的启动电流可比标称电流高十倍，其中电压相位过零瞬间合闸的情况最为严重。最佳方式是在最大电压下开启晶闸管或从小导通角开始“软”启动它。要在感性负载上工作，建议使用具有 TSI 指数的继电器，该继电器专为增加浪涌电流而设计。

导通时刻的不对称可能是由于不同极性的晶闸管的导通电压不同造成的。如果开关电压的幅度稍微超过晶闸管的开启电压 (5 ... 15 V)，它就会发挥重要作用。由于继电器的相脉冲控制不正确，以及由于反向电压过快地穿过导通“窗口”而导致晶闸管并非在每个半周期都打开时，也会出现不对称现象。最后一个因素是限制开关电压频率（通常不超过 500 Hz）的主要因素之一。

在容性负载上运行的特点是电源电路中可能出现大电流浪涌，并且对晶闸管的电压影响达到开关电压幅度的两倍。

如果继电器在开关电压非零相时接通，则会出现浪涌电流。将放电后容量为 220 μF 的电容器连接到 50 V 100 Hz 的交流网络中，会产生幅值高达 31000 A 的浪涌电流。在 1 μH 电感的负载中电流上升率达到 310 A/μs，晶闸管的最大允许值为 20 ... 160 A/ms。

由于晶闸管导通电压不同于零（如上所述 - 5 ... 15 V），因此在开关电压的每个半周期中都会出现电流浪涌。当负载电容为 100 微法拉时，此类浪涌的幅度为 500 ... 1500 A。它们会在负载电流频谱中产生显着的电磁干扰和强大的高频分量。后者对于某些电容器来说非常危险，会导致它们过热和击穿。因此，要在容性负载上工作，需要使用具有过零电压相变控制和低导通电压的继电器，例如具有TMK指数的继电器，其导通电压（4 V））和关断（10 V）电压已标准化。

众所周知，电流降至零且晶闸管关断后，负载电容仍保持充电至接近开关幅度的电压。在下一个半周期中，该电压与市电相反极性的总和将施加到闭合的晶闸管上，可以达到双倍幅度，例如，在市电电压为380V±10%-1170V时。在这些条件下，即使是最高的第十二电压等级的继电器也将在其能力极限下工作，并且无法通过压敏电阻来防止击穿。

在这种情况下，建议使用不仅接通而且在零电压时断开的继电器，例如双极直流。这消除了电压过载，显着扩大了工作频率范围，但在一定程度上恶化了能源性能。为了在高达 1 kHz 的频率下工作，5P 66 系列继电器的样品已经开发出来，并且正在努力将其频率范围扩展到数十千赫兹。

上图。图2示出了利用单相换向继电器U1与移相电容器C1来改变单相电动机M1的旋转方向的示意图。

中等功率光电固态继电器应用

上图。图3示出了用于控制三相电机的两相继电器的图。继电器的开关元件通常被描述为三端双向可控硅开关元件，尽管在某些情况下这些元件是反并联连接的三极管。

中等功率光电固态继电器应用

图中未示出继电器控制电路。它们的排列方式必须排除同时提供打开三端双向可控硅开关VS1和VS2（见图2）或VS1和VS4、VS2和VS3（见图3）的信号。任何时候每对中只能打开一个。然而，由于双向可控硅仅在零电流时关断，因此在给出反向信号后，其中一些双向可控硅可能仍同时打开。在单相装置中，这将导致移相电容器C1通过双向可控硅向相间电路放电，在三相装置中。

为了避免这种情况，可逆继电器具有 20 ... 30 ms 的硬件开启延迟，因此，在网络频率超过 40 Hz 和“瞬时”反向时，打开的三端双向可控硅开关有时间关闭。

晶闸管有时同时导通还有其他原因。例如，电磁启动器提供的电压转换速率可能高于串联连接的两个设备的临界电压转换速率。在这种情况下，阻尼 RC 电路几乎没有什么帮助，因为它们被极低的电源阻抗分流。大的 dU/dt 值可能是由瞬态或开关浪涌引起的。

按照图3所示的方案设置在装置中。 1、电感L2、L1与电容C4-CXNUMX相互作用，降低电压上升速率，减少相间短路的可能性。此外，它们的电感限制了电流上升的速率，大的电感值对于晶闸管来说是具有破坏性的。

然而，缓冲电路和电感器都不能保证不会出现相间故障。保护晶闸管免受其后果的普遍接受的方法（推荐用于其产品，例如摩托罗拉、西门子、Opto-22）是安装限流电阻 R1（见图 2）和 R1、R2（见图 3）。图XNUMX）。选择它们的额定值，以便相间故障电流不会超过所用浪涌电流继电器的允许值。其流动的持续时间不超过电源电压周期的一半。安装限流电阻的后果 - 电机绕组上的电压降低以及需要消除产生的热量 - 必须忍受。

直流继电器

输出电路基于 IGBT 和 MOSFET 的直流继电器有单极和双极可供选择。最后两个输出晶体管背对背连接。对于 MOS 晶体管，这是必要的，以便其中一个晶体管的闭合沟道阻止电流流过第二个晶体管的正向偏置分流二极管（此类二极管必然存在于 MOS 结构中）。必须特意将二极管引入 IGBT 结构，但已经可以传递与晶体管相反方向流动的电流。

请注意，还生产具有常闭和常开输出电路的各种组合的所谓多通道直流继电器。应用它们时，应考虑到只有在电源电压从与控制输入相连的电源提供给继电器后，输出电路才会变为常闭状态。

单极继电器在开路状态下MOS晶体管输出端的残余电压取决于后者在25℃温度下的沟道电阻，其范围从低压晶体管的几毫欧到高压晶体管的几欧姆。电压晶体管。随着晶体温度升高到极限温度 (150 °C)，该电阻大约增加两倍。

MOSFET 上的双极继电器具有较高的残余电压。它由一个晶体管的沟道电阻两端的电压降以及由第二个晶体管的沟道电阻分流的正向偏置二极管两端的电压降组成。此类继电器的输出电路在低电流导通状态下的电流电压特性几乎是线性的，然后逐渐变成二极管特性。对于低压继电器，拐点位于 100 ... 200 A 区域；对于高压继电器，拐点位于安培单位。

5P 20（单极）和5P 19（双极）系列继电器中输出晶体管的控制元件是光伏光耦合器，输出电流约为几微安。因此，MOSFET栅源电容的充电速度相当慢，导致继电器开通延迟数十毫秒。由于提供了上述容量的特殊晶闸管放电单元，关断延迟要小得多（不超过 1 ms）。

高速继电器的特点是开启/关闭延迟为几微秒，但它们需要为控制电路提供额外的电源。对于各种类型的继电器，该源必须以电流方式连接到继电器的输出或输入。

由 5P 57（双极）和 5P 59（单极）系列输入供电的继电器，具有几微秒的开/关延迟，能够以不高于 10 ... 20 Hz 的频率进行切换，因为其中使用的光伏光耦合器无法快速补充停机期间耗散的能量。

5P 40 系列单极输出供电继电器可以在数十 kHz 的开关频率下运行。对于其电源，需要与输入电路隔离的 10 ... 15 V 电压源。
5P 62系列输入电源的继电器也有类似的参数，但必须连接几个外部元件，其额定值根据具体情况选择。
原则上，IGBT 和 MOSFET 都能够承受雪崩而不发生故障。然而，允许的击穿能量很小（几十到几百毫焦耳），并且失效的可能性相当大。这意味着需要针对电源电路中的电压浪涌提供保护。对于切换交流电路的双极继电器，上面关于晶闸管继电器保护的所有内容都是正确的。单极继电器可以通过齐纳二极管或分流输出的变阻器进行保护。

防止感性负载关闭时出现高电压的一种常见方法是使用反极性二极管对其进行分流。在这种情况下，电路断开前流过负载的电流 I 随时间常数 L / r 呈指数下降，其中 L 和 r 分别是负载的电感和电阻。部分能量

W=	LI²
	2

存储在电感中的负载由其有源电阻耗散，另一个由并联二极管耗散。

可以看出，对于较小的 r 值，大部分耗散能量落在二极管上。这会导致后者在脉冲方面以及在高开关频率下（在平均功耗方面）过载。

如果晶体管Udop的最大允许电压明显高于开关Ucom，则保护二极管的工作模式将极大地方便在其中串联一个标称值的电阻器

R<	乌多普-Ucom
	I

此时，关断瞬间，继电器输出端的电压等于其他+RI，能量在二极管上释放

Wd=	LUDI
	右+右

（其中 Ud - 0,7 V 是二极管两端的直流电压降），并且在电阻器上 -

W_R=	RLI²
	2(R+R)

因此，在开关频率fkom下，电阻器的功率必须至少为

P_R=	RLI²	fcom
	2(R+R)

电阻器的引入还有另一个积极作用 - 它减少了负载关闭时间，因为在这种情况下电流衰减的时间常数等于 L / (R + r)。

如前所述，5P 19、5P 20 系列继电器的特点是开启延迟为数十毫秒，这限制了最大频率

Wcom -	Ucom Icom 兜售
	6

其中 lK0M 是开关电流。由于关断期间电流衰减的持续时间比tout小一个数量级，因此可以忽略这种情况下耗散的能量。

对于继电器的功率晶体管来说，潜在危险有两种工作模式：切换频率接近极限的固定负载，以及切换启动电流较大的负载（例如白炽灯的启动电流较大）。比标称值高10倍以上）。
在第一种情况下，继电器消耗的平均功率等于

wcom fcom +	罗彭我²球
	Q

式中，ROTKr为输出电路开路时的电阻； Q - 占空比（开关周期与导通状态持续时间的比率）。例如，在单极继电器 5P 20.10 P-5-0,6 上（限制电压 - 60 V，电流 - 5 A，R - 0,055 Ohm，晶体环境热阻 - 40 °C / W），负载电流为5 A 在永久开启状态下，将释放不超过 1,375 W 的功率，这在大多数情况下会导致晶体相对于介质过热 55 °C，这是可接受的。然而，以 10 Hz 频率、2 占空比、50 V 电压和 tout = 5 ms 切换相同负载将导致释放功率增加至 2,77 W，晶体过热 110 ° C。这将使继电器无法在高于 40 °C 的环境温度下可靠运行。

在第二种情况下，负载电流的初始值远高于标称值，因此WBKJ1的导通能量可能会超过继电器晶体管的允许值。由于随着 t 的减小，开关能量也会成比例地减小，因此建议使用高速继电器来开关惯性负载，例如 5P 57、5P 59 系列。

如上所述，开关频率超过 5 ... 62 Hz 的 10P 30 系列继电器需要连接额外的外部元件。与5P 57和5P 59系列继电器一样，其输出晶体管控制电路的内部电压源平均功率较低，无法快速补充晶体管栅极电容放电时消耗的能量。为了消除这个缺点，设计了一个外部电容器，当输出晶体管关闭时，通过该电容器，额外的能量从开关电压源“泵入”控制电路。电容器的最佳电容取决于继电器的工作条件，特别是开关电压。因此，不能将其引入继电器中。

每次输入晶体管导通时，电容器都会通过栅极驱动电路放电，从而消耗 C U²/2。如果开关频率足够高，继电器中消耗的额外功率就会达到不可接受的值。为了减少它，使用了一个电阻器和一个齐纳二极管，电阻器上消耗了电容器存储的大部分能量。选择后者的稳定电压，以便在开关电压最小值时，电容器仅充电至 15V。

继电器的热状态

对于无散热器运行的继电器，最大开关电流根据功率元件晶体 Tcr 的极限温度进行标准化。环境温度 Tacr = 125 °C 时最高（150 °C - 对于晶闸管，25 °C - 对于晶体管）。带散热器的继电器的相同参数是根据晶体的极限温度来设置的，散热器温度Tto = 75°C（晶闸管继电器）和Tto = 90°C（晶体管继电器）。最后两个值是从外部散热器 RT0 的热阻与晶体散热器 R3kb 的“等效”热阻相等的相当任意的条件中选择的 - 应该记住，在参考文献中在多相继电器的数据中，热阻通常以“每相”为基础表示，因此“等效”电阻例如三相继电器的电阻要小三倍。

热计算的主要关系：Tacr + P(RTO + Ieq) < Tcrlop，其中 P 是继电器消耗的功率。上一节给出了如何计算具有 MOSFET 输出的直流继电器的功率的示例。对于IGBT，其计算公式为P=UOCT-lKOM，其中UOCT是开路晶体管上的残余电压。晶闸管继电器一相消耗的功率按经验公式P=(0,145+0,7UOCTpeak)Ieff计算，其中U0CTpeak为所含晶闸管上的残余电压峰值； Ieff是流过它的电流的有效值。

作者：S. Arkhipov, Orel

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导电细菌 17.06.2016

通常，蛋白质分子和蛋白质超分子复合物不导电。然而，这里也有例外，其中之一是饮用的或绒毛细菌 Geobactersulfurreducens。菌毛是位于细菌细胞表面的长蛋白质结构（这使细菌看起来相当多毛）并执行多种功能。

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此外，非导电菌毛缺乏具有芳香化学基团的氨基酸。众所周知，在芳香族化合物（其中最简单和最著名的是学校教科书中的苯）中，电子密度均匀分布在形成环的所有原子上；换句话说，分子生成过程中所涉及的所有电子，可以说是均匀地分布在整个芳香族基团上。

当两个芳香族分子的电子轨道接近并重叠时，电子就会获得一个新的领域供它们使用，它们可以相对不受阻碍地进入。如果这种间隔很近的环从 A 点排到 B 点，则 A 和 B 之间将发生导电性。芳香族基团像螺旋楼梯的梯级一样突出在 G.sulfurreducens 的头发上，将电子相互投掷。重要的是它们彼此之间的距离是正确的，这里是前面提到的在减少硫磺的导电绒毛中重复的 0,32 nm，这正是正确的距离。

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“导电细菌”受到的关注是可以理解的，因为他们喝醉了——这些是现成的纳米线，可以在试管中廉价快速地生长，然后用它们组装成某种纳米电子器件。如果饮用地杆菌被证明是有效的，并且如果他们找到某种方法来改善它们，那么也许在不久的将来我们将拥有基于细菌蛋白质的小工具。

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