CN102055451A

CN102055451A - 零电流关断固体继电器

Info

Publication number: CN102055451A
Application number: CN2009102369715A
Authority: CN
Inventors: 张玮; 张维平; 李裕宽; 赵勤
Original assignee: BEIJING ZHONGZHI TONGHUI TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: The many intelligence in Beijing shines together Science and Technology Co., Ltd.
Priority date: 2009-11-06
Filing date: 2009-11-06
Publication date: 2011-05-11
Anticipated expiration: 2029-11-06
Also published as: CN102055451B

Abstract

本发明涉及一种零电流关断固体继电器，包括电源电压过零脉冲生成电路、关断脉冲生成电路、外控开关信号电路、开关主控电路、开关晶体管电路；所述电源电压过零脉冲生成电路的输出端与开关主控电路的电压信号输入端电连接，所述关断脉冲生成电路的输出端与开关主控电路的关断信号输入端电连接，所述外控开关信号电路的输出端与开关主控电路的控制信号输入端电连接，所述开关主控电路的控制信号输出端与开关晶体管电路的输入端电连接。该固体继电器可实现电源电压过零时接通、负载电流过零时断开，避免在电路开通、关断瞬间对开关产生较大电流冲击，保护开关，延长使用寿命。

Description

零电流关断固体继电器

技术领域

本发明涉及一种零电流关断固体继电器，所述固体继电器包括电源电压过零脉冲生成电路、关断脉冲生成电路、外控开关信号电路、开关主控电路、开关晶体管电路，该固体继电器电源电压过零时接通、负载电流过零时断开。

技术背景

固体继电器(solid state relays，简称SSR)，亦称之为固态继电器，是利用现代微电子技术与电力电子技术相结合而发展起来的全部由电子元器件组成的一种新型无触点电子开关器件，它利用电子元件的开关特性可达到无触点、无火花地接通和断开电路的目的。该继电器是一种四端器件，包括两个输入端、两个输出端，输入端接控制信号，输出端与负载、电源串联，实际是一个受控的电力电子开关。SSR按使用场合可以分成交流型(AC-SSR)和直流型(DC-SSR)两大类，分别在交流或直流电源上做负载的开关。由于触发信号方式不同，AC-SSR可分为过零型触发(Z型)和非过零型或随机型(P型)触发两种，过零型和非过零型之间的区别主要在于负载交流电流导通的条件。在输入端施加合适的控制信号VIN时，P型SSR立即导通，Z型SSR内部包括过零检测电路，在施加控制信号VIN时，只有当负载电源电压达到过零区时，SSR才能导通，两种类型的固体继电器关断条件则相同，当VIN撤销后，只有当负载电源电压达到过零区时，才开始关断，当负载电流低于双向可控硅维持电流时(交流换向)，SSR关断。交流型固体继电器是目前应用较多的。

对于纯电阻性负载，电流随电压的开通或关断而开通或关断，完全同相位。但对于电容性负载或电感性负载，其供电电源的开关如果采用随机型单相交流固态继电器，在接通时可能赶上电源电压正处在非零的高值处，会引起较大的对电容负载的充电电流；改用过零型单相交流固态继电器虽然可以解决接通时电容性负载的电流冲击问题，但是在电源电压过零时断开电容性负载或电感性负载却正处在电流最大值附近，对固态继电器造成大电流冲击或过电压，降低其使用寿命、甚至损坏有关元器件。因此，需要提供一种新的零电流关断固体继电器，用来克服电容性负载或电感性负载存在的电路在关断时对固态继电器有大电流冲击或过电压的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种零电流关断固体继电器，该继电器包括电源电压过零脉冲生成电路、关断脉冲生成电路、外控开关信号电路、开关主控电路、开关晶体管电路；本发明采用移相电路或延时电路的方式，改变关断时的电压相位，从而尽可能减小电容性负载或电感性负载关断时的电流，实现电源电压过零时接通、负载电流过零时断开的目的。

本发明的目的是由下述技术方案实现的：一种零电流关断固体继电器，所述固体继电器包括电源电压过零脉冲生成电路、关断脉冲生成电路、外控开关信号电路、开关主控电路、开关晶体管电路；所述电源电压过零脉冲生成电路的输出端与所述开关主控电路的电压信号输入端电连接，所述关断脉冲生成电路的输出端与所述开关主控电路的关断信号输入端电连接，所述外控开关信号电路的输出端与所述开关主控电路的控制信号输入端电连接，所述开关主控电路的控制信号输出端与所述开关晶体管电路的输入端电连接。

本发明与已有技术相比具有如下优点：

1、本发明利用电源电压过零脉冲生成电路检测出电源电压过零点时的状态，然后生成控制信号，利用移相电路或延时电路生成与其具有所需相位差的关断脉冲信号，用来在电流过零点或电流较小时关断负载电源，避免电源电压过零时断开电容性或电感性负载产生大电流冲击或过电压。

2、本发明对于电感性或电容性负载电路，可实现电源电压过零点时接通、负载电流过零点时断开的目的。

附图说明

以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的电气原理框图

图2是本发明的接线端子图

图3是本发明的实施例一的电气原理图

图4是本发明实施例二的电气原理图

图5是本发明的实施例三的电气原理图

图6是本发明的实施例四的电气原理图

图7是本发明的实施例五的电气原理图

图8是本发明的实施例六的电气原理图

图9是本发明的实施例七的电气原理图

具体实施方式

实施例一：

参见图1、图2、图3，本发明的零电流关断固体继电器，包括电源电压过零脉冲生成电路1、关断脉冲生成电路2、外控开关信号电路3、开关主控电路4、开关晶体管电路5；所述电源电压过零脉冲生成电路的输出端与所述开关主控电路的电压信号输入端电连接，所述关断脉冲生成电路的输出端与所述开关主控电路的关断信号输入端电连接，所述外控开关信号电路的输出端与所述开关主控电路的控制信号输入端电连接，所述开关主控电路的控制信号输出端与所述开关晶体管电路的输入端电连接；本实施例可适用于额定电压为220V或380V，频率为50Hz或60Hz的单相交流电源，可适用于电感性或电容性负载6，本发明中的负载是聚合物分散型液晶膜(简称PDLC膜)，关于PDLC膜的内容可以参考专利号为200910087767.1的专利说明书公开的内容或者参考专利号为200910076348.8的专利说明书公开的内容。

参见图3，在本实施例中，所述电源电压过零脉冲生成电路中有一个桥式整流电路，桥式整流电路的输出端与一个光电耦合电路输入端电连接，光电耦合电路输出端与一个反相器U1A的脚1电连接，反相器的脚2是所述电源电压过零脉冲生成电路的输出端；桥式整流电路通过限流电阻R1与220V电源连接，光电耦合器型号是TLP521-1，光电耦合电路输出端对地(GND)并接一个负载电阻R2，反相器U1A的型号是74LS04。本实施例中的关断脉冲生成电路是一个移相型脉冲生成电路，所述关断脉冲生成电路中有一个桥式整流电路，桥式整流电路的输出端与一个光电耦合电路输入端电连接，光电耦合电路输出端与一个反相器U1C的脚5电连接，该反相器的脚6是所述关断脉冲生成电路的输出端，该光电耦合电路输出端对地并接一个负载电阻R3，所述桥式整流电路的输入端串连一个移相电容器C1、一个电阻器R10，桥式整流电路的输入端接220V电源；所述外控开关信号电路中有一个光电耦合电路，光电耦合电路的输出端与所述开关主控电路的控制信号输入端电连接，光电耦合电路的输入端K设置一个触头开关S(可以是闸刀开关或是按钮开关)，光电耦合电路的输出端对地并接一个负载电阻R5，光电耦合电路的输入端对+5V电源串接一个负载电阻R4，另一输入端接地；所述开关主控电路中有一个驱动芯片电路U4(型号TLP250)，驱动芯片电路的脚6通过一个输出电阻R8与开关晶体管电路的输入端电连接，驱动芯片电路的脚2与+5V电源通过电阻器R7电连接，驱动芯片电路的脚3与一个与非门逻辑电路的输出端电连接；开关晶体管电路由一对反向串联的IGBT晶体管构成，开关晶体管电路的源极和栅极之间设置电阻器R9；与非门逻辑电路包括与非门U2B(型号74LS00)、U2C(型号74LS00)、U2D(型号74LS00)、U3A(型号74LS20)，反相器U1D(型号74LS04)，由电阻器R6、电容器C2、二极管D1构成的上电复位电路；关断脉冲生成电路生成的零电流关断脉冲信号输入与非门U2D的脚13，电源电压过零脉冲生成电路生成的电压信号(接通信号)输入与非门U2B的脚4，外控开关信号电路的控制信号输入与非门U2B的脚5及反相器U1D的脚9；本实施例公开的是移相型零电流关断固体继电器。

参见图2，本发明的电路封装在一个壳体内，壳体表面设置接线端子，端子K和端子GND是外控开关的接入端子，端子R和端子C是关断脉冲生成电路中调整电阻器和移相电容器的接入端子，端子N和端子L是电源接入端子，端子FZ和端子N是负载接入端子。

所述移相型脉冲生成电路中的移相电容器和调整电阻器可参考下表取值：

C1＝0.244μF，R10＝0Ω，相位前移82.8°(对应4.6ms)。

R10＝10kΩ，相位前移55.8°(对应3.1ms)。

R10＝20kΩ，相位前移37.8°(对应2.1ms)。

R10＝30kΩ，相位前移30.6°(对应1.7ms)。

R10＝40kΩ，相位前移27°(对应1.5ms)。

实施例二：本实施例是在实施例一基础上的改进方案，本实施例中出现的技术特征与实施例一相同或者类似的部分，请参考实施例一公开的内容或者原理性描述进行理解，也应当做为本实施例公开的内容，在此不作重复描述。

参见图1、图2、图4，本实施例公开的是延时型零电流关断固体继电器，本实施例中的关断脉冲生成电路是一个延时型脉冲生成电路，所述关断脉冲生成电路中有一个单稳态多谐振荡器U5A(型号74LS123)，单稳态多谐振荡器的脚2与所述电源电压过零脉冲生成电路的输出端电连接，单稳态多谐振荡器的脚4与一个与非门电路U2A(型号74LS00)的脚1电连接，该与非门电路的脚3接反相器U1C(型号74LS04)的脚5，该反相器的脚6是所述关断脉冲生成电路的输出端；关断脉冲生成电路生成的零电流关断脉冲信号输入与非门U2D的脚13；与非门电路U2A的脚2与单稳态多谐振荡器U5A脚4之间串连反相器U1B、(型号74LS04)、电阻器R12，与非门电路U2A的脚2对地接一个电容器；单稳态多谐振荡器的脚15与电源+5V之间串连电阻器R11，脚14与脚15之间并接一个电容器；所述外控开关信号电路中有一个光电耦合电路，光电耦合电路的输出端与所述开关主控电路的控制信号输入端电连接，光电耦合电路的输入端设置一个触头开关；所述开关主控电路中有一个驱动芯片电路，驱动芯片电路的脚6通过一个输出电阻与开关晶体管电路的输入端电连接，驱动芯片电路的脚3与一个与非门逻辑电路的输出端电连接；本实施例的与非门逻辑电路属于现有技术领域，其元器件之间的连接方式不作详细描述，可参见附图4进行理解；开关晶体管电路由一对反向串联的IGBT晶体管构成。

实施例三：

本实施例是在实施例一基础上的改进方案，本实施例中出现的技术特征与实施例一相同或者类似的部分，请参考实施例一公开的内容或者原理性描述进行理解，也应当做为本实施例公开的内容，在此不作重复描述。

参见图1、图2、图3和图5，在本实施例中，电源电压过零脉冲生成电路采用图5所示的技术方案。本实施例的电源电压过零脉冲生成电路中有一电压比较器U1H(型号LM339)，该电压比较器的脚6连接一分压电路，电压比较器的脚7对地接电阻R24，所述电压比较器的脚1接一输出电阻R26，并通过电阻25接+5V电源，输出电阻R26的输出端连接一个与非门逻辑电路，所述分压电路由分压电阻R21、R22和电阻R23构成；所述与非门逻辑电路的输出端与所述主控电路连接；与非门逻辑电路的输入端并联设置两个反相器U1F、U1E(型号74LS04)，反相器U1F的脚1与反相器U1E的脚3电连接；反相器U1E的脚4与反相器U1G的脚5电连接，反相器U1G的脚6通过电阻R28接与非门U3B(型号74LS00)的脚5，与非门U3B的脚6接与非门U2F(型号74LS00)的脚13，与非门U2F的脚11是非门逻辑电路的输出端；与非门U3B的脚4和反相器U1G的脚5并接；反相器U1F的脚2通过电阻R27接与非门U2E(型号74LS00)的脚5，与非门U2E的脚6接与非门U2F的脚12；与非门U2E的脚4和反相器U1F的脚1并接。

实施例四：

参见图1、图2、图3和图6，在本实施例中，电源电压过零脉冲生成电路采用图6所示的技术方案。本实施例的电源电压过零脉冲生成电路中有一电压比较器U1H，该电压比较器的脚6连接一分压电路，电压比较器的脚7对地接电阻R24，所述电压比较器的脚1接一输出电阻R26，并通过电阻25接+5V电源，输出电阻R26的输出端连接两个单稳态多谐振荡器，所述分压电路由分压电阻R21、R22和电阻R23构成；一个单稳态多谐振荡器U6B的脚9与输出电阻R26输出端电连接，另一个单稳态多谐振荡器U6A的脚2与输出电阻R26输出端电连接，单稳态多谐振荡器U6B的脚12接与非门U6D(型号74LS00)的脚13，单稳态多谐振荡器U6A的脚4接与非门U6D的脚12，与非门U6D的脚11是电源电压过零脉冲生成电路输出端，该输出端与所述主控电路电连接；单稳态多谐振荡器U6B的脚7通过电阻38接+5V电源，单稳态多谐振荡器U6A的脚15通过电阻39接+5V电源。

实施例五：

本实施例是在实施例一、二基础上的改进方案，本实施例中出现的技术特征与实施例一、二相同或者类似的部分，请参考实施例一公开的内容或者原理性描述进行理解，也应当做为本实施例公开的内容，在此不作重复描述。

参见图1、图2、图3、图4和图7，在本实施例中，关断脉冲生成电路采用图7所示的技术方案。本实施例的关断脉冲生成电路是一个延时型关断脉冲生成电路。本实施例的关断脉冲生成电路包括两个串接的单稳态多谐振荡器U5A和U5B，单稳态多谐振荡器U5A的脚2与所述电源电压过零脉冲形成电路的输出端连接，单稳态多谐振荡器U5A的脚4与单稳态多谐振荡器U5B的脚10连接，单稳态多谐振荡器U5B的脚5是关断脉冲生成电路输出端，该输出端与开关主控电路的输入端连接；单稳态多谐振荡器U5A(型号74LS123)的脚15通过电阻40接+5V电源，单稳态多谐振荡器U5B(型号74LS123)的脚7通过电阻41接+5V电源。

实施例六：

本实施例是在实施例一、二、三、四、五基础上的改进方案，本实施例中出现的技术特征与实施例一、二、三、四、五相同或者类似的部分，请参考实施例一公开的内容或者原理性描述进行理解，也应当做为本实施例公开的内容，在此不作重复描述。

参见图1、图2、图3、图4和图8，在本实施例中，所述开关主控电采用图8所示的技术方案。本实施例的开关主控电路包括一个与非门逻辑电路，一光电耦合器和一开关驱动电路。所述与非门逻辑电路包括与非门U7B(型号74LS00)、U7C(型号74LS00)、U7D(型号74LS00)和U7A(型号74LS20)及反相器U7E(型号74LS04)；所述与非门U7B的脚4与所述电源电压过零脉冲生成电路电连接；所述与非门U7B的脚5和所述反相器U7E的脚9与外控开关信号电路的输出端电连接；所述与非门U7D的脚13与关断脉冲生成电路的输出端连接；所述与非门U7A的脚4和5通过电阻44接+5V电源；所述开关驱动电路包括电阻R45、R46、R47和一对反向串联的IGBT晶体管；与非门逻辑电路的输出端与所述光电耦合器(型号为TLP521-1)的输入端电连接；光电耦合电路的输入端对+5V电源串接一个负载电阻R43。

实施例七：

参见图1、图2、图3、图4和图9，在本实施例中，所述开关主控电采用图9所示的技术方案。本实施例的开关主控电路包括一个D触发器U8A、一个功率驱动模块U9和一个与非门逻辑电路。所述与非门逻辑电路包括与非门U8B、U8D和反相器U8E、U8F、U8C，与非门U8B的脚4与所述电源电压过零脉冲生成电路输出端连接，与非门U8B的脚5和U8C的脚9与外控开关信号电路输出端连接，与非门U8D的脚13与关断脉冲生成电路的输出端电连接；所述D触发器U8A(型号为：74LS74)的脚4和与反相器U8E的脚10电连接，D触发器U8A的脚3对地串接电阻R49，D触发器U8A的脚2接地，D触发器U8A的脚1接反相器U8F的脚12；所述功率驱动模块U9的脚3与所述D触发器的脚6电连接，功率驱动模块U9的脚6与所述开关晶体管电路的输入端连接，功率驱动模块U9的脚2通过电阻48接+5V电源。

Claims

1.一种零电流关断固体继电器，其特征在于：所述固体继电器包括电源电压过零脉冲生成电路、关断脉冲生成电路、外控开关信号电路、开关主控电路、开关晶体管电路；所述电源电压过零脉冲生成电路的输出端与所述开关主控电路的电压信号输入端电连接，所述关断脉冲生成电路的输出端与所述开关主控电路的关断信号输入端电连接，所述外控开关信号电路的输出端与所述开关主控电路的控制信号输入端电连接，所述开关主控电路的控制信号输出端与所述开关晶体管电路的输入端电连接。

2.根据权利要求1所述的零电流关断固体继电器，其特征在于：所述电源电压过零脉冲生成电路中有一个桥式整流电路，该桥式整流电路的输出端与一个光电耦合电路输入端电连接，该光电耦合电路输出端与一个反相器的脚1电连接，该反相器的脚2是所述电源电压过零脉冲生成电路的输出端。

3.根据权利要求2所述的零电流关断固体继电器，其特征在于：所述关断脉冲生成电路中有一个桥式整流电路，桥式整流电路的输出端与一个光电耦合电路输入端电连接，光电耦合电路输出端与一个反相器的脚5电连接，该反相器的脚6是所述关断脉冲生成电路的输出端，所述桥式整流电路的输入端串连一个移相电容器、一个移相电阻器；所述外控开关信号电路中有一个光电耦合电路，光电耦合电路的输出端与所述开关主控电路的控制信号输入端电连接，光电耦合电路的输入端设置一个触头开关；所述开关主控电路中有一个驱动芯片电路，驱动芯片电路的脚6通过一个输出电阻与开关晶体管电路的输入端电连接，驱动芯片电路的脚3与一个与非门逻辑电路的输出端电连接；开关晶体管电路由一对反向串联的IGBT晶体管构成。

4.根据权利要求2所述的零电流关断固体继电器，其特征在于：所述关断脉冲生成电路中有一个单稳态多谐振荡器，单稳态多谐振荡器的脚2与所述电源电压过零脉冲生成电路的输出端电连接，单稳态多谐振荡器的脚4与一个与非门电路的脚1电连接，该与非门电路的脚3接一个反相器的脚5，该反相器的脚6是所述关断脉冲生成电路的输出端；所述外控开关信号电路中有一个光电耦合电路，光电耦合电路的输出端与所述开关主控电路的控制信号输入端电连接，光电耦合电路的输入端设置一个触头开关；所述开关主控电路中有一个驱动芯片电路，驱动芯片电路的脚6通过一个输出电阻与开关晶体管电路的输入端电连接，驱动芯片电路的脚3与一个与非门逻辑电路的输出端电连接；开关晶体管电路由一对反向串联的IGBT晶体管构成。