CN104810787B - 一种机械触点拉弧保护方法 - Google Patents
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Abstract
用本发明实施例提供了一种开关电路，该开关电路在断电时，并联在机械开关K1两端的MOS管将不再需要独立的电源来驱动，而是通过电路中的电容来驱动MOS管，从而使机械开关K1先于MOS管断开，避免机械开关K1在断开时产生拉弧现象，在没有独立电源供电的情况下实现开关电路的延迟关断功能，进而提升了开关电路的实用性，降低了电路的设计成本。
Description
技术领域
本发明涉及电路设计技术领域，尤其涉及一种开关电路。
背景技术
在太阳能充电器的主电源电路发生短路故障时，主电源电路中的机械开关器件需要断开以切断短路电流，但是一般的机械开关器件的直流分断能力通常只有几十伏，需要借助额外的辅助电路才能实现可靠分断操作。
目前常用的保护策略有：并联RCD吸收法、独立电源驱动的串(并)联半导体开关法，方法如下：
并联RCD吸收法要求用到容量比较大的电容，且电容的电压等级要求为输入电压的最大值，对于追求高功率密度的设计而言，占用的电路板面积和空间都太大，实用性不强。
现有的串(并)联半导体开关法要求在机械开关的基础上串(并)联一个半导体开关，串联法通过控制半导体开关先于机械开关关断实现保护功能，并联法通过控制机械开关先于半导体开关关断实现机械触点的拉弧保护功能。
但是，当前在机械触点两端串(并)联半导体开关法还需要一个独立的电源来导通半导体开关，这样不仅使得开关电路的使用局限性较大，而且还增加了开关电路设计成本。
发明内容
本发明实施例提供了一种开关电路，用以解决现有技术中的开关电路的使用局限性较大以及开关电路设计成本较高的问题。
其具体的技术方案如下：
一种开关电路，包括：继电器10、所述继电器10的机械开关K1为主电源电路的开关，其两端并联一MOS管60，所述MOS管60的源极接在机械开关K1动触点，漏极接在机械开关K1的常开静触点，还包括：第一NPN三极管20、第二NPN三级管30、光电耦合器40和第一电容50，其中，
所述继电器10线圈的一端连接至控制电源Vb，另一端连接至第一NPN三级管20的集电极；
所述光电耦合器40中的发光二极管的正极连接至控制电源Vb，负极连接至所述第二NPN三级管30的集电极，所述光电耦合器40中的光敏三极管与第一电容50形成一串联支路连接到支路电源Va，所述第一电容50连接支路电源Va的一端还与所述MOS管60的栅极连接，另一端接地；
所述第一NPN三级管20的基极和所述第二NPN三级管30的基极分别连接至控制信号输出端，所述第一NPN三级管20的发射极和所述第二NPN三级管30的发射极分别接地。
可选的，所述电路还包括：
稳压管70，阴极连接在光电耦合器40中的光敏三极管的发射极，阳极连接在第一电容50与MOS管60的公共端；
第三NPN三极管80，基极连接至稳压管70的正极，集电极连接至支路电源，发射极接地；
第四NPN三极管90，基极与支路电源连接，集电极与PNP三极管100的基极连接，发射极接地；
PNP三极管100，发射极连接至第一电容50与稳压管70之间，集电极接地；
第二电容110，一端连接至支路电源，另一端接地。
可选的，所述第二电容110的容量大于所述电容50的容量。
可选的，所述MOS管60为低阻抗可控MOS管。
一种开关电路，包括：继电器10、MOS管50，所述继电器10的机械开关K1为主电源回路的开关，其两端并联所述MOS管50，所述MOS管50的源极接在机械开关K1的动触点，漏极接在机械开关K1的常开静触点，还包括：第一NPN三极管20、第二NPN三级管30、第一电容40、其中，
所述继电器10中的线圈的一端连接至第一NPN三级管20的集电极，另一端连接至控制电源Vb；
所述第一NPN三级管20的基极和所述第二NPN三极管30的基极分别连接至输出控制信号的输出端，所述第一NPN三极管20和所述第二NPN三极管30的发射极分别接地，所述第二NPN三级管30的集电极连接至支路电源Va，
第一电容40的一端连接第二NPN三级管30的发射极以及MOS管50的栅极连接，另一端接地。
可选的，还包括：
稳压管70，阴极连接在所述第二NPN三极管30的发射极，阳极连接在第一电容40与MOS管50的公共端；
第三NPN三极管80，基极连接至所述第二NPN三极管30的发射极，集电极连接至支路电源，发射极接地；
第四NPN三极管90，基极连接至支路电源，发射极接地；
PNP三极管100，基极连接至第四NPN三极管90的集电极，发射极连接在第一电容40与稳压管70之间，集电极接地；
第二电容110，所述第二电容110一端连接至支路电源，另一端接地。
可选的，所述第二电容110的容量大于所述第一电容40的容量。
可选的，所述MOS管50为低阻抗可控MOS管。
采用本发明实施例提供的开关电路之后，该开关电路在断电时，并联在机械开关K1两端的MOS管将不再需要独立的电源来驱动，而是通过电路中的电容来驱动MOS管，从而使机械开关K1先于MOS管断开，避免机械开关K1在断开时产生拉弧现象，在没有独立电源供电的情况下实现开关电路的延迟关断功能，进而提升了开关电路的实用性，降低了电路的设计成本。
附图说明
图1为本发明实施例中一种开关电路的示意图；
图2为本发明实施例中另一种开关电路的示意图；
图3为本发明实施例中一种开关电路的示意图；
图4为本发明实施例中另一种开关电路的示意图。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种提供了一种开关电路，用于在没有独立电源供电的情况下实现开关电路的延迟关断，从而避免了主电源电路中的机械开关在断开时出现拉弧现象，进而实现机械开关的安全脱开。
下面通过附图以及具体实施例对本发明技术方案做详细的说明。
实施例一：
如图1所示为本发明实施例中一种开关电路，该电路包括：继电器10、第一NPN三极管20、第二NPN三级管30、光电耦合器40、第一电容50、MOS管60。
继电器10的机械开关K1串联接入到主电源电路中，所述机械开关K1的两端并联一MOS管60，MOS管60的源极接在机械开关K1的动触点，漏极接在机械开关K1的输出端常开静触点；
继电器10中的线圈的一端连接至第一NPN三级管20的集电极，线圈的另一端以及光电耦合器40中的发光二极管的正极分别连接至控制电源Vb。
光电耦合器40中的发光二极管的负极连接至第二NPN三级管30的集电极，第二NPN三级管30的基极以及第一NPN三级管20的基极分别连接至控制信号的输出端，第一NPN三级管20以及第二NPN三级管30的发射极分别接地；
光电耦合器40中的光敏三极管与第一电容50形成一串联支路接入到支路电源，第一电容50连接到支路电源的一端与MOS管60的栅极连接，另一端接地。
当然，在保护电路中还包括电阻70a以及70b，电阻70a连接在支路电源与光电耦合器40之间，电阻70b接入到第一电容50的放电回路上。
本发明实施例中的保护电路的工作原理如下：
开关电路上电时：首先控制电源Va以及支路电源Vb上电，同时输出控制信号的输出端输出的控制信号：即：Relay信号，由低电平变为高电平，此时第一NPN三极管20导通，同时第二NPN三极管30导通，继电器10中的线圈通电，继电器10中的机械开关K1闭合，即：机械开关K1接到常闭静触点，主电源电路导通。
同时，由于第二NPN三极管30导通，此时光电耦合器40中的发光二极管上电，光电耦合器10中的光敏三极管导通，通过支路电源Va对电路中的第一电容50充电。由于第一电容50的充电，第一电容50从低电平变为高电平，此时栅极与第一电容50连接的MOS管60导通。
开关电路断电时：控制电源Vb以及支路电源Va断电，Relay信号由高电平变为低电平，第一NPN三极管20断开，同时第二NPN三极管30也断开，这样继电器10中的线圈断电，由于线圈断电，继电器10中的机械开关K1断开。
同时，由于第二NPN三极管30断开，光电耦合器40中的发光二极管掉电，因此光电耦合器40中的光敏三极管断开，此时电路中的第一电容50通过电阻70b回路放电，在放电的过程中MOS管60的栅极仍然为高电平，这样MOS管60在放电的过程中仍然处于导通状态，当然MOS管60的导通时间t必须要大于机械开关K1的断开时间，即：机械开关K1先于MOS管60断开，这样可以在机械开关K1断开之前，机械开关K1两端电压被钳位，这样机械开关两端的电压较低，这样就避免了机械开关K1在断开时出现拉弧现象，从而可以有效的保护开关电路。
并且在本发明实施例中不需要任何额外的电源进行供电的情况下实现开关电路的延迟关断功能，对开关电路进行了有效的保护，这样不仅减少了电路设计成本，而且还提升了开关电路的实用性。
另外，在本发明实施例中的开关电路除了可以是继电器之外还可以是任一的触点式分断器件。
在本发明实施例中该MOS管可以是任意一种低导通阻抗的可控半导体器件。
图1中的开关电路是为了实现开关电路的延迟关断功能，在本发明实施例中除了实现开关电路的延迟关断功能外还可以实现开关电路的快速关断功能，如图2所提供的开关电路即实现了开关电路的延迟关断功能同时也实现了开关电路的快速关断功能，为了实现该快速关断功能，其具体的电路结构如下：
对于继电器10、第一NPN三极管20、第二NPN三级管30、光电耦合器40、电容50、MOS管60的连接方式与图1中的连接方式完全相同，这里就不再赘述。
在该保护电路中还包括了稳压管70、第三NPN三极管80、第四NPN三极管90、PNP三极管100、第二电容110；
该稳压管70的阴极连接在光电耦合器40中的光敏三极管的发射极，阳极连接在第一电容50与MOS管60的公共端；
第三NPN三极管80，基极连接至稳压管70的正极，集电极连接至支路电源，发射极接地；
第四NPN三极管90，基极与支路电源连接，集电极与PNP三极管100的基极连接，发射极接地；
PNP三极管100，发射极连接至第一电容50与稳压管70之间，集电极接地；
第二电容110，一端连接至支路电源，另一端接地。
图2中的保护电路的工作原理如下：
上电时：其过程与图1中的实现过程完全相同，此处就不在赘述，只是第一电容50充电的同时第二电容110也在充电，并且的第二电容110的容量远远大于第一电容50的容量。
断电时：Relay信号由高电平变为低电平，此时第一NPN三极管20以及第二NPN三极管30断开，同时光电耦合器40中的光电三级管断开，在此基础上第一电容50放电，其放电有两条途径，一条是通过稳压管70、电阻120c、第三NPN三极管80放电，另一条则是通过电阻120放电，当然在电容50处于较高电平的情况下稳压管70才可以被第一电容50的放电电压击穿导通，因此第一电容50才可以通过这两条放电途径放电，通过电阻120放电时可以实现开关电路的延迟关断功能。
但是当第一电容50的放电电压小于稳压管70的反向击穿电压时，则第一电容50将不能通过稳压管70、电阻120c、第三NPN三极管80放电，此时第三NPN三极管80断开。
在第三NPN三极管80断开时，则通过第二电容110放电可以将第四NPN三极管90导通。
同时，由于PNP三极管100的发射极连接至第一电容50与稳压管70之间，虽然第一电容50电压不够击穿稳压管70，但是第一电容50仍然处于高电平，因此PNP三极管100的集电极仍然为高电平，由于第四NPN三极管90的导通，因此PNP三极管100的基极变为低电平，此时PNP三极管导通，这样第一电容50通过PNP三极管100瞬间完成放电，此时MOS管60的栅极变为低电平，这样就实现了MOS管60的快速关断。
实施例二：
另外，本发明实施例中还提供了另一种开关电路，如图3所示为本发明实施例中另一种开关电路，该电路包括：继电器10、第一NPN三极管20、第二NPN三极管30、电容40、MOS管50；
继电器10的机械开关K1串联接入到主电源电路中，机械开关K1的两端并联一MOS管50，MOS管50的源极接在机械开关K1的动触点，漏极接在机械开关K1的常开静触点；
继电器10中的线圈的一端连接至第一NPN三级管20的集电极，另一端连接至控制电源Vb；
第一NPN三级管20的基极和第二NPN三极管30的基极分别连接至输出控制信号Relay的输出端，第一NPN三极管20和第二NPN三极管30的发射极分别接地，第二NPN三级管30的集电极连接至支路电源Va，
第一电容40的一端连接第二NPN三级管30的发射极以及MOS管50的栅极连接，另一端接地。
该保护电路的工作原理如下：
在上电时：支路电源Va、控制电源Vb都由低电平变为高电平，同时控制信号，即：Relay信号，也由低电平变为高电平，此时第一NPN三极管20以及第二NPN三极管30同时被导通，这样继电器10中的线圈上电，继电器10中的机械开关K1闭合，主电源电路导通。
同时由于第二NPN三极管30的导通，因此支路电源Va对第一电容40充电。
断电时：支路电源Va、控制电源Vb都由高电平变为低电平，同时Relay信号也由高电平变为低电平，因此第一NPN三极管20断开，继电器10中的线圈掉电，继电器10中的机械开关K1先断开，由于机械开关K1两端并联了MOS管50，并且第一电容40通过电阻60b放电，MOS管50仍然处于导通的状态，因此机械开关K1两端的电压被钳位在低电压的状态，这样机械开关K1在断开的过程中不会出现拉弧现象，从而实现了开关电路的延迟关断功能，有效的保护的开关电路中的机械开关K1。
这里需要说明的是，第一电容40放电时间t要大于机械开关K1断开的时间，所以这里要根据机械开关K1的断开时间来选择合适容量的第一电容40。
另外，在本发明实施例中除了可以实现延迟关断功能之外，还可以实现开关电路的快速关断功能，如图4所示为实现开关电路延迟关断功能以及快速关断功能的电路结构图，该电路包括：
延迟关断功能的电路图与图3中完全相同，因此就不再赘述。
在该电路中还包括了：
稳压管70，阴极连接在所述第二NPN三极管30的发射极，阳极连接在第一电容40与MOS管50的公共端；
第三NPN三极管80，基极连接至第二NPN三极管30的发射极，集电极连接至支路电源，发射极接地；
第四NPN三极管90，基极连接至支路电源，发射极接地；
PNP三极管100，基极连接至第四NPN三极管90的集电极，集电极接地，发射极连接在第一电容40与稳压管70之间；
第二电容110，第二电容110一端连接至支路电源，第二电容110另一端接地，第二电容110的容量大于所述电容40的容量。
图4中的开关电路的工作原理如下：
开关电路上电时的过程与图3中上电时的过程完全相同，此时不再赘述，只是第一电容40充电的同时，第二电容110也在充电。
开关电路断电时：开关电路延迟关断的功能与图3中的延迟关断功能实现过程完全相同，此处就不再赘述。
在开关电路实现延迟关断功能之后，第一电容40放电电压会逐渐减小，当第一电容40的电压不能击穿稳压管70时，则第一电容40将不能够通过稳压管70、电阻60d、第三NPN三极管80放电，此时第三NPN三极管80断开，这样第二电容110将通过电阻60e导通第四NPN三极管90。
此时，由于第四NPN三极管90的导通，因此PNP三极管100的基极变为低电平，这样PNP三极管100导通，第一电容40由于导通的PNP三极管100而短路，从而瞬间完成放电，这样就完成了开关电路的快速关断，从而避免了关断损耗对半导体开关造成的损坏，同时也对开关电路的机械开关K1实现了有效的保护。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (8)
1.一种开关电路，包括：继电器(10)、所述继电器(10)的机械开关K1为主电源电路的开关，其两端并联一MOS管(60)，所述MOS管(60)的源极接在机械开关K1动触点，漏极接在机械开关K1的常开静触点，其特征在于，还包括：第一NPN三极管(20)、第二NPN三级管(30)、光电耦合器(40)和第一电容(50)，其中，
所述继电器(10)线圈的一端连接至控制电源Vb，另一端连接至第一NPN三级管(20)的集电极；
所述光电耦合器(40)中的发光二极管的正极连接至控制电源Vb，负极连接至所述第二NPN三级管(30)的集电极，所述光电耦合器(40)中的光敏三极管与第一电容(50)形成一串联支路连接到支路电源Va，所述第一电容(50)连接支路电源Va的一端还与所述MOS管(60)的栅极连接，另一端接地；
所述第一NPN三级管(20)的基极和所述第二NPN三级管(30)的基极分别连接至控制信号输出端，所述第一NPN三级管(20)的发射极和所述第二NPN三级管(30)的发射极分别接地。
2.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述电路还包括：
稳压管(70)，阴极连接在光电耦合器(40)中的光敏三极管的发射极，阳极连接在第一电容(50)与MOS管(60)的公共端；
第三NPN三极管(80)，基极连接至稳压管(70)的正极，集电极连接至支路电源，发射极接地；
第四NPN三极管(90)，基极与支路电源连接，集电极与PNP三极管(100)的基极连接，发射极接地；
PNP三极管(100)，发射极连接至第一电容(50)与稳压管(70)之间，集电极接地；
第二电容(110)，一端连接至支路电源，另一端接地。
3.如权利要求2所述的电路，其特征在于，所述第二电容(110)的容量大于所述电容(50)的容量。
4.如权利要求1-3中任一权项所述的电路，其特征在于，所述MOS管(60)为低阻抗可控MOS管。
5.一种开关电路，包括：继电器(10)、MOS管(50)，所述继电器(10)的机械开关K1为主电源回路的开关，其两端并联所述MOS管(50)，所述MOS管(50)的源极接在机械开关K1的动触点，漏极接在机械开关K1的常开静触点，其特征在于，还包括：第一NPN三极管(20)、第二NPN三级管(30)、第一电容(40)、其中，
所述继电器(10)中的线圈的一端连接至第一NPN三级管(20)的集电极，另一端连接至控制电源Vb；
所述第一NPN三级管(20)的基极和所述第二NPN三极管(30)的基极分别连接至输出控制信号的输出端，所述第一NPN三极管(20)和所述第二NPN三极管(30)的发射极分别接地，所述第二NPN三级管(30)的集电极连接至支路电源Va，
第一电容(40)的一端连接第二NPN三级管(30)的发射极以及MOS管(50)的栅极连接，另一端接地。
6.如权利要求5所述的电路，其特征在于，还包括：
稳压管(70)，阴极连接在所述第二NPN三极管(30)的发射极，阳极连接在第一电容(40)与MOS管(50)的公共端；
第三NPN三极管(80)，基极连接至所述第二NPN三极管(30)的发射极，集电极连接至支路电源，发射极接地；
第四NPN三极管(90)，基极连接至支路电源，发射极接地；
PNP三极管(100)，基极连接至第四NPN三极管(90)的集电极，发射极连接在第一电容(40)与稳压管(70)之间，集电极接地；
第二电容(110)，所述第二电容(110)一端连接至支路电源，另一端接地。
7.如权利要求6所述的电路，其特征在于，所述第二电容(110)的容量大于所述第一电容(40)的容量。
8.如权利要求5-7中任一所述的电路，其特征在于，所述MOS管(50)为低阻抗可控MOS管。
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