劉 超,葉明生
(中國電子科技集團(tuán)公司第四十研究所,安徽蚌埠,233010)
固體繼電器(Solid State Relay,縮寫SSR)是由微電子電路、分立電子器件、電力電子功率器件組成的具有繼電器特性的無觸點(diǎn)開關(guān),它采用半導(dǎo)體器件替代傳統(tǒng)的電接觸點(diǎn)作為切換裝置,屬于半導(dǎo)體組成的器件,與半導(dǎo)體器件使用特性一樣,都存在耐瞬時(shí)系統(tǒng)峰值電壓考核問題。在GJB1515A-2001《固體繼電器總規(guī)范》中,規(guī)定了對(duì)固體繼電器進(jìn)行電氣系統(tǒng)峰值的測試,其目的就是測量固體繼電器輸出端能夠承受的最大迭加的瞬時(shí)峰值擊穿電壓。
電氣系統(tǒng)峰值測試,是指在規(guī)定的環(huán)境條件下,固體繼電器輸入端開路,輸出端呈高阻狀態(tài),在輸出端的額定輸出電壓之上迭加特定波形和能量的電壓,試驗(yàn)時(shí)間1min(或按詳細(xì)規(guī)范規(guī)定的時(shí)間)。試驗(yàn)后,固體繼電器仍符合有關(guān)規(guī)定的要求。
對(duì)于固體繼電器的電氣系統(tǒng)峰值測試,GJB1515A -2001《固體繼電器總規(guī)范》3.12.29 條款中要求如下:電氣系統(tǒng)峰值(當(dāng)規(guī)定時(shí)),固體繼電器按4.7.7.23規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)時(shí),應(yīng)能經(jīng)受規(guī)定的(見3.1)電壓而無損壞。"規(guī)定的(見3.1)電壓"應(yīng)理解為詳細(xì)規(guī)范規(guī)定的電壓,如無規(guī)定,則按GJB1515A -2001《固體繼電器總規(guī)范》4.7.7.23 條款中,峰值最小為600V進(jìn)行試驗(yàn)。
在試驗(yàn)方法上,GJB1515A-2001《固體繼電器總規(guī)范》4.7.7.23條款中,詳細(xì)規(guī)定了電氣系統(tǒng)峰值的試驗(yàn)方法和測試儀器要求如下。
電氣系統(tǒng)峰值(只適用于鑒定和周期檢驗(yàn))(僅適用于25℃):
a)按電氣系統(tǒng)峰值試驗(yàn)電路圖(見圖1)所示,將固體繼電器接入試驗(yàn)電路;
b)斷開S3,閉合S2,循環(huán)S1,觀察示波器CH1(信道1)(或其它等效儀器)。調(diào)整V1,使觀察到的峰值最小為600V;
c)接通開關(guān)S3,在規(guī)定的(見3.1)時(shí)間內(nèi),以(10±1)次每秒的速率循環(huán)開關(guān)S1;
d)變換V1的極性,重復(fù)(b)和(c);
e)完成上述試驗(yàn)后,測試固體繼電器的輸出漏電流(按 4.7.7.16),接通時(shí)間(按 4.7.7.13)和關(guān)斷時(shí)間(按4.7.7.14)。"在規(guī)定的(見3.1)時(shí)間內(nèi)"解釋應(yīng)為詳細(xì)規(guī)范規(guī)定的時(shí)間,一般規(guī)定為1min。
圖1 電氣系統(tǒng)峰值試驗(yàn)電路圖
依據(jù)電氣系統(tǒng)峰值試驗(yàn)要求與方法,電氣系統(tǒng)峰值測試儀的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下技術(shù)指標(biāo)要求。
a)電氣系統(tǒng)峰值疊加電路,輸出電路以及相互隔離電路,介質(zhì)耐電壓≥1000Va.c.;
b)電氣系統(tǒng)峰值試驗(yàn)控制定時(shí)電路,電子開關(guān)S1循環(huán)速率(10±1)次每秒,脈寬為50ms,負(fù)載占空比為50%,循環(huán)定時(shí)1min或30min(連續(xù)可調(diào));開關(guān)S1的負(fù)載電流不小于1A(見圖1)。
c)0~330V連續(xù)可調(diào)的直流電源V1的極性變換電路。
根據(jù)電氣系統(tǒng)峰值測試技術(shù)指標(biāo)的要求,我們?cè)O(shè)計(jì)出以下的電氣系統(tǒng)峰值測試儀電路原理圖(見圖2)。其工作原理如下:
利用微處理器(PIC)預(yù)置程序,控制U1、U2交替導(dǎo)通,來控制高壓直流固體繼電器SSR1、SSR2的交替導(dǎo)通,實(shí)現(xiàn)循環(huán)速率10次/每秒,脈寬為50ms,負(fù)載占空比為50%,循環(huán)定時(shí)1min或30min(連續(xù)可調(diào))。
SSR1導(dǎo)通,SS2關(guān)斷時(shí),直流電源(0~330V)通過R1對(duì)電容C1進(jìn)行充電;SSR1關(guān)斷,SS2導(dǎo)通時(shí),電容C1放電,在C1、Np間形成阻尼振蕩,產(chǎn)生一個(gè)衰減的正弦波,通過空心變壓器T1及電感L1耦合到輸出端。因此,通過SSR1、SS2之間的循環(huán),按預(yù)置的10次/每秒循環(huán)速率周期進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí),調(diào)整直流電源(0~330V)的電壓,在SSR的輸出端,我們就可以得到一個(gè)需要的一定的電壓值的周期性的衰減的正弦波。
直流電源(0~330V)極性變換,我們通過K1控制電磁繼電器J1的觸點(diǎn),來實(shí)現(xiàn)其直流電源正負(fù)極性的變換。
工作開始(或停止)用K2開關(guān)控制,循環(huán)定時(shí)1min(或30min連續(xù)可調(diào))用K3開關(guān)控制。
圖2 電氣系統(tǒng)峰值測試儀電路原理圖
元件參數(shù)如下:
C1:2μF,1500Vd.c.;
C2:0.03μF,2000Vd.c.;
C3:10μF,1000Vd.c.;
C4:0.01μF,1000Vd.c.;
R1、R2:100Ω,1W;
R3:1MΩ,0.5W;
S2、S3:KD1;
L1:50 匝,直徑51mm,線徑1.295mm;
T1:空芯變壓器(采用雙線繞制),直徑51mm,線徑 1.295mm,
Np:20匝,Ns:60匝;
U3:微處理器PIC16F877;
U1、U2:三極管 S8050;
SSR1、SSR2:JG-54F型固體繼電器;
J1:JQX-13F型電磁繼電器;
K1、K2、K3:KD2(250V/2A)。
要實(shí)現(xiàn)對(duì)固體繼電器電氣系統(tǒng)峰值的測試,還需配套相關(guān)的儀器,組成電氣系統(tǒng)峰值測試平臺(tái)(見圖3),完成對(duì)固體繼電器電氣系統(tǒng)峰值的測試。
a)根據(jù)被試固體繼電器的負(fù)載特性,交流負(fù)載還是直流負(fù)載,配備相應(yīng)的交流輸入電源(Va.c.)或直流輸入電源(Vd.c.);交流輸入電源為達(dá)到準(zhǔn)確性,可采用隔離型變壓調(diào)壓器進(jìn)行精確調(diào)壓;直流輸入電源要符合被試?yán)^電器的參數(shù)要求。
b)直流電源(0~330V連續(xù)可調(diào)),要求直流電源阻抗遠(yuǎn)小于R1(100Ω),滿足R1、C1充電時(shí)間常數(shù)的需要。本測試平臺(tái)采用的直流電源為:SMD1-350型線性直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源,規(guī)格,電壓:350Vd.c.,電流 1Ad.c.;
c)示波器,本測試平臺(tái)采用泰克TDS210型,規(guī)格60MHz、1GS/s示波器;
d)額定負(fù)載,本測試平臺(tái)采用BX70型滑線式變阻器。
圖3 電氣系統(tǒng)峰值測試平臺(tái)組成
通過電氣系統(tǒng)峰值電路原理研究和設(shè)計(jì),我們完成了JC-13型固體繼電器電氣系統(tǒng)峰值測試儀的制造(見圖4),該測試儀完全按照GJB1515A-2001《固體繼電器總規(guī)范》中的要求制作,電路原理符合GJB1515A-2001中電氣系統(tǒng)峰值試驗(yàn)電路圖的要求,該測試儀通過檢測中心的檢驗(yàn),完全符合GJB1515A-2001軍標(biāo)要求。
圖4 JC-13型電氣系統(tǒng)峰值測試儀
JC-13型固體繼電器電氣系統(tǒng)峰值測試儀,與配套的電源、示波器等一起組成了電氣系統(tǒng)峰值測試平臺(tái),完成了固體繼電器電氣系統(tǒng)峰值的測試功能。圖5是交流負(fù)載型固體繼電器電氣系統(tǒng)峰值測試圖,圖6是直流負(fù)載型固體繼電器電氣系統(tǒng)峰值測試圖,圖7是迭加的電氣系統(tǒng)峰值衰減的正弦波形圖。從圖中分析可知,迭加的瞬時(shí)最大峰值尖峰脈沖寬度在100微秒左右。
圖5 交流負(fù)載型系統(tǒng)峰值測試圖
圖6 直流負(fù)載型系統(tǒng)峰值測試圖
圖7 電氣系統(tǒng)峰值衰減的正弦波形圖
[1] GJB1515A-2001,固體繼電器總規(guī)范,2001.
[2] 方大千,鮑俏偉.實(shí)用電子控制電路[M].北京:國防工業(yè)出版社,2003.