CN101197565A - 过流保护固体继电器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种过流保护固体继电器，可应用于电力、电子电路的过电流保护。本继电器是在传统固体继电器的基础上，增加了过流保护电路和功能。保护电路是由过流取样电阻、比较器以及过流门限电路构成的可锁比较器电路。本继电器的工作原理是，当输出电流超过电流门限时，其在取样电阻上产生的电压使比较器输出低电平，及时关断输出功率MOSFET晶体管，使继电器停止工作。由于比较器电路为可锁比较器电路，在过流保护后，继电器的工作状态就被锁死，继电器一直处于关断状态。要使继电器重新工作，只能切断继电器的输入电源使其复位后再接通输入电源。本继电器具有过流保护、输出压降低、功耗低、灵敏度高、可靠性高等特点。

Description

过流保护固体继电器
技术领域
本发明涉及一种过流保护固体继电器。
背景技术
通常中小型直流固体继电器都是使用功率MOSFET晶体管作为输出开关器件。这种器件的不足之处是在于它对电流过载或短路很敏感，这样可能会受到毁坏。于是，研制出了多种关断开关器件的电路，用于当过载电流或短路条件发生时，及时关断开关器件。
在目前已得到应用的过载保护电路中，有些采用可控硅(以及由两只三极管组成的可控硅模拟电路)，有些采用三极管作为保护元件。这些过载保护电路的成功研制，可以使功率MOSFET晶体管这种输出开关器件得到较好地保护，但仍然存在着一定缺陷：
1.可控硅、三极管的接通门限值较高，需要采用较大的取样电阻，这样会增大继电器的功耗；
2.可控硅、三极管的接通门限值随环境温度的变化影响很大，保护点会随环境温度的变化而飘移，从而影响保护效果。
还有一些过载保护电路采用比较器作为保护元件。比较器是一种小规模的集成电路，具有灵敏度高、稳定度高等特点，这样，取样电阻可以用得很小，保护点随环境温度的漂移也较小。但需要解决过电流后电路的“锁死”问题，比较器电路应为可锁比较器电路。即当比较器的输入模拟信号超过某一预定电位时，比较器的输出改变状态，并随即锁死在新的状态上，此后不论输出信号如何变化，比较器也不再动作。
发明内容
本发明的目的是提供一种过流保护固体继电器，采用可锁比较器电路作为过流保护电路，可以解决取样电阻高、保护点温漂和过电流后电路的“锁死”等技术问题。
本发明所述过流保护固体继电器，由依次连接的输入电路、隔离电路、过流保护电路和输出电路组成。输入电路由电容三点式考比兹振荡电路组成；隔离电路由变压器和变压器输出端连接的整流、稳压电路组成；过流保护电路由可锁比较器电路和可锁比较器电路的同相、反向输入端连接的电阻取样电路构成；输出电路由功率MOSFET晶体管和其栅级串联电阻构成。
如上所述的过流保护固体继电器，可锁比较器电路是一个单电源供电的比较器或运算放大器，比较器或运算放大器为反相输入，即输入电压(Vin)接于反输入端，参考电压(Vm)接于同相输入端；在工作电源(Vdd)正端与比较器或运算放大器的同相输入端之间连接电容器(18)，在工作电源(Vdd)负端与比较器或运算放大器的反相输入端之间连接电容器(24)，在比较器或运算放大器的同相输入端和输出端之间连接电阻(21)。
如上所述的过流保护固体继电器，所述过流保护电路，通过将取样电阻(26)串联在分压电阻(23、25)的回路中，使取样电阻(26)、分压电阻(25)和电容(24)构成了一个RC积分电路，电容(24)为调节过流保护的反时限特性的可调电容。
如上所述的过流保护固体继电器，所述过流保护电路的可锁比较器电路的同相输入端的电压由连接于可锁比较器同相输入端与输出端之间的电阻(21)、连接于可锁比较器同相输入端与工作电源(Vdd)负端之间的电阻(19)的分压值确定；可锁比较器电路的反相输入端的电压由连接于工作电源(Vdd)正端与可锁比较器电路的反相输入端之间的电阻(23)、连接于可锁比较器电路的反相输入端与功率MOSFET晶体管(28)的阴极之间的电阻(25)的分压值和接于可锁比较器电路的反相输入端与工作电源(Vdd)负端之间的取样电阻(26)两端电压值确定。
如上所述的过流保护固体继电器，可锁比较器电路的反相输入端的电压仅由接于可锁比较器电路的反相输入端与工作电源(Vdd)负端之间的取样电阻(26)两端电压值确定，调节过流保护的反时限特性的可调电容(24)直接接在取样电阻(26)两端。
本发明所述的过流保护固体继电器与传统的固体继电器相比，具有如下特点：
1.具有过流、短路保护功能；
2.通过电容、电阻的合理设置，形成了可锁比较器电路技术，实现了保护功能的多次重复；
3.具有较低的输出电压降，因此功耗小；
4.具有较高和灵敏度和可靠性。
附图说明
图1是本专利的电路原理图；
图2是常规的反相输入比较器电路；
图3是本专利简化后的电路原理图。
具体实施方式
本专利的电路原理图参见图1。图中包括一对输入端11和12，一对输出端29和30。其工作原理如下：
当输入端接入电压，例如5V电压时，继电器被激励。11和12之间串联着的振荡电路10开始工作，振荡电路输出的电信号经整流、滤波、稳压后在31和29两端产生一个直流电压，例如10V。这个电压就是比较器电路的工作电源(Vdd)，也是功率MOSFET晶体管的驱动电源。其中，13为耦合变压器、14为整流管、15为滤波电容器、16为限流电阻、17为稳压二极管。
图1中的虚线部分是可锁比较器电路和电阻取样电路。20是一个单电源供电的比较器(或运算放大器)。比较器为反相输入，即输入电压(Vin)接入反输入端，参考电压(Vm)接于同相输入端。这样输入信号低于参考电压时，输出端(Vout)为高电位。反之输入信号高于参考电压时输出为低电位。
这种比较器电路与一般的反相输入比较器电路的不同之处，就在于同常规电路(见图2)相比，设置了电容器18、24和电阻21。
在继电器输入电源未接通时，电容18、24两端电压为0。比较器输出端(Vout)电压为0，继电器处于关断状态。
在继电器输入电源接通的瞬间，由于电容器18、24两端电压不能跃变，工作电源(Vdd)经电容18直接加到比较器的同相输入端32，这样“参考电压”的电位就预置为高电位。同时由于电容器24两端电压为0，比较器反相输入端33由电容器24直接接“地”，这样“输入信号”的电位预置为低电位。此时由于比较器的“输入信号”低于“参考电压”，因此比较器的输出端为高位。功率MOSFET晶体管28的栅极由电源(Vdd)经上拉电阻22、栅极串联电阻27充电，而使继电器导通。
随着电容器18、24的充电，电路过渡到稳态状态。比较器的同相输入端电压(即参考电压)由电阻21、19的分压值来确定；而反相输入端电压(即输入信号)由电阻23、25的分压值和取样电阻26两端的电压来确定。这些电阻的设置使继电器稳定在导通状态。
当继电器出现过载或短路时会在取样电阻上形成较高的电压。当反相输入端电压(Vin)大于同相输入端的参考电压(Vm)时，比较器输出端(Vout)为低电位。功率MOSFET晶体管28的栅极经电阻27放电，而使继电器关断。
由于电阻21接在同相输入端与输出端两端，这样同相输入端的参考电压(Vm)也就为低电位。继电器关断后，输出电流为零，它在取样电阻26上产生的电压也为零。反相输入端电压(Vin)由电阻23与电阻25、26分压而得到，这一数值是高于低电位的。因此，比较器的输出端既使在没有继电器输出电流的情况下，仍处于低电位。这样就锁死了继电器，使它一直处于关断状态。
要使继电器重新工作，只能切断继电器的输入电源使其复位后再接通输入电源。
在这个电路中取样电阻26串联在分压电阻23、25的回路中，电阻26、25和电容24构成了一个RC积分电路，这三个元件构成过渡门限电路。通过改变电容器24的电容值就可以改变比较器反相收入端(Vin)的电压变化率，因此可以通过调节电容24的电容值来调节继电器过流保护的反时限特性。
该电路还可以进一步简化，省去电阻23、25，即比较器的反相输入端直接接至取样电阻26以及电容24的上端，如图3所示。简化后的电路，同样能取得较好的过流保护特性。

Claims (5)

1.一种过流保护固体继电器，由依次连接的输入电路、隔离电路、过流保护电路和输出电路组成。其特征在于：输入电路由电容三点式考比兹振荡电路组成；隔离电路由变压器和变压器输出端连接的整流、稳压电路组成；过流保护电路由可锁比较器电路和可锁比较器电路的同相、反向输入端连接的电阻取样电路构成；输出电路由功率MOSFET晶体管和其栅级串联电阻构成。
2.如权利要求1所述的一种过流保护固体继电器，其特征在于：可锁比较器电路是一个单电源供电的比较器或运算放大器，比较器或运算放大器为反相输入，即输入电压(Vin)接于反输入端，参考电压(Vm)接于同相输入端；在工作电源(Vdd)正端与比较器或运算放大器的同相输入端之间连接电容器(18)，在工作电源(Vdd)负端与比较器或运算放大器的反相输入端之间连接电容器(24)，在比较器或运算放大器的同相输入端和输出端之间连接电阻(21)。
3.如权利要求1或2所述的一种过流保护固体继电器，其特征在于：所述过流保护电路，通过将取样电阻(26)串联在分压电阻(23、25)的回路中，使取样电阻(26)、分压电阻(25)和电容(24)构成了一个RC积分电路，电容(24)为调节过流保护的反时限特性的可调电容。
4.如权利要求1所述的一种过流保护固体继电器，其特征在于：所述过流保护电路的可锁比较器电路的同相输入端的电压由连接于可锁比较器同相输入端与输出端之间的电阻(21)、连接于可锁比较器同相输入端与工作电源(Vdd)负端之间的电阻(19)的分压值确定；可锁比较器电路的反相输入端的电压由连接于工作电源(Vdd)正端与可锁比较器电路的反相输入端之间的电阻(23)、连接于可锁比较器电路的反相输入端与功率MOSFET晶体管(28)的阴极之间的电阻(25)的分压值和接于可锁比较器电路的反相输入端与工作电源(Vdd)负端之间的取样电阻(26)两端电压值确定。
5.如权利要求4所述的一种过流保护固体继电器，其特征在于：可锁比较器电路的反相输入端的电压仅由接于可锁比较器电路的反相输入端与工作电源(Vdd)负端之间的取样电阻(26)两端电压值确定，调节过流保护的反时限特性的可调电容(24)直接接在取样电阻(26)两端。
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